كاربرد مواد نانو در صنعت بتن

مقدمه:
مواد نانو به عنوان موادي كه حداقل يكي از ابعاد آن (طول ، عرض ، ضخامت ) زير 100nm باشدتعريف شده اند ، يك نانومتر يك هزارم ميكرون يا حدود 100000 برابر كوچكتر از موي انسان است . به طور كلي ،دريك تقسيم بندي عمومي ، محصولات نانو مواد را مي توان به صورتهاي زير بيان كرد•: فيلمهاي نانو لايه ( Nano Layer Thin Films ) براي كاربردهاي عمدتاً الكترونيكي•نانو پوششهاي حفاظتي (Nano Coating ) براي افزايش مقاومت در برابر خوردگي ، حفاظت در مقابل عوامل مخرب محيطي•نانو ذرات به عنوان پيشسازنده (Precursor) يا اصلاحساز (Modifier) پديده هايشيميايي و فيزيكي•نانولوله ها (Nanotubes) منظوراز يك ماده نانو ساختار يا واضح تر يك بدنه نانو ساختار ( Nanostructured Solid ) جامدي است كه در آن انتظاماتمي ، اندازه كريستالهاي تشكيل دهنده و تركيب شيمياييدر سراسر بدنه در مقياس چند نانو متري گسترده شده باشد .
خواص فيزيكي و شيمياييمواد نانو (در شكل و فرمهاي متعددي كه وجود دارند ازجمله ذرات ، الياف ، گلوله و . . . ) در مقايسه با مواد ميكروسكوپيتفاوت اساسي دارند . تغييرات اصولي كه وجود دارد نهتنها از نظر كوچكي اندازه بلكه از نظر خواص جديد آنهادر سطح مقياس نانو مي باشد .
هدف نهايي از بررسي مواد در مقياسنانو، يافتن طبقه جديدي از مصالح ساختماني با عملكردبالا مي باشد ، كه آنها را مي توانبه عنوان مصالحي باعملكرد بالا و چند منظوره اطلاق نمود . منظور از عملكرد چندمنظوره ، ظهور خواصي جديد و متفاوت نسبت به خواص مواد معمولي ميباشد به گونه اي كه مصالح بتوانند كاربردهاي گوناگونيرا ارائه نمايند .
در مطالب بعدي كه خواهدآمد مواد نانو ساختاري معرفي خواهند شد كه با توجه به نوظهور بودنچنين موادي ميتوانند تحولي شگرف در صنعت ساختمان سازيو صنايع وابسته به آن ايجاد كنند .
2. موادنانوكمپوزيت:
مواد نانو كمپوزيت بر پايه پليمر (ماتريس پليمري ) اولين باردرسالهاي 70 معرفي شده اندكه از تكنولوژي سول- ژل(Sol-Gel) جهتانتشار (Disperse) دادن ذراتنانو كاني درون ماتريس پليمر استفاده شده است .
هرچند تحقيقاتانجام شده در دو دهه گذشته براي توسعه تجاري اين موادتوسط شركت تويوتا در ژاپن در اواخر سالهاي 80 صورتگرفته است ، ولي رشته نانو كمپوزيت پليمر هنوز در مرحله جنيني و درآغاز راه مي باشد .
در اين شرايط نانو آلومينا ، بهترينساختار نانوئي است كه افق جديدي را در صنعت سراميك نويدمي دهد . زيرا كاربرد اين مواد پديده اي است كه از نظرمكانيكي ، الكتريكي و خواص حرارتي به طور مناسب داراي تعادل بوده و دررشته هاي مختلف كاربرد دارد . از جمله مي توان به چندنمونه اشاره كرد:•تكنولوژينانوفلز آرتونايد كه اخيراً به طور تجاري ، اليافنانويي آلومينا ، انقلابي در رشته سراميك بوجود آوردهاست . •ذرات نانويي غير فلزمانند:نانو سيليكا ، نانو زيركونيا و مواد ديگر اصلاحكننده سراميك ها مي باشد .
3. بتن با عملكرد بالا ([1]HPC) :
يكي از چالشهايي كه در رشته مصالح ساختماني بوجود آمده است ، بتن باعملكرد بالا(HPC ) مي باشد . اين نوع بتن مقاوم از نوع مصالح كامپوزيتبوده و از نظر دوامجزو مصالح كامپوزيت و چند فازي مركبو پيچيده مي باشد . خواص ، رفتار و عملكرد بتن بستگي بهنانو ساختار ماده زمينه بتن و سيماني دارد كه چسبندگي ، پيوستگي ويكپارچگي را بوجود مي آورد .
بنابراين ، مطالعات بتن و خمير سيماندر مقياس نانو براي توسعه مصالح ساختماني جديد و كاربردآنها بسيار حائز اهميت مي باشد . روش معمولي براي توسعهبتن با عملكرد بالا اغلب شامل پارامترهاي مختلفي از جمله طرح اختلاط بتن معمولي و بتن مسلح با انواع مختلف الياف مي باشد . درمورد بتن به طورخاص ، علاوه بر عملكرد با دوام و خواصمكانيكي بهتر ، بتن با عملكرد بالاي چندمنظوره (MHPC) خواص اضافه ديگري را دارا مي باشد ، از جمله مي توان به خاصيتالكترومغناطيسي ، و قابليت به كار گيري در سازه هاياتمي (محافظت از تشعشعات ) و افزايش موثر بودن آن درحفظ انرژي ساختمانها و ... را نام برد .
4. نانو سيليس آمورف:
در صنعتبتن ، سيليس يكي از معروفترين موادي است كه نقش مهمي در چسبندگي و پركنندگي بتن با عملكرد بالا (HPC) ايفا مي كند .
محصول معمولي همانسليكيافيوميا ميكرو سيليكا مي باشد كه داراي قطري درحدود 1/0 تا 1 ميلي متر مي باشد و داراي اكسيد سيليسحدود 90% مي باشد . مي توان گفت كه ميكرو سيليكا محصولي است كه درمحدوده بالاي اشل اندازه نانو متر جهت افزايش عملكرد كامپوزيت موادسيماني به كاربرده مي شود .
محصول نانو سيليس متشكلاز ذراتي هستند كه داراي شكل گلوله اي بوده و با قطركمتر از 100nm يا بصورت ذراتخشك پودر يا بصورت معلق در مايع محلول قابل انتشار ميباشند ، كه مايع آن معمول ترين نوع محلول نانو سيليس مي باشد ، اين نوع محلول در آزمايشات مشخص در بتن خود تراكم([2]SCC) به كار گرفته شده است . نانوسيليس معلق كاربردهاي چند منظوره از خود نشان ميدهد مانند:
• خاصيت ضد سايش
• ضد لغزش
• ضد حريق
• ضد انعكاس سطوح
آزمايشات نشان داده اند كه واكنش موادنانو سيليس(Colloidal Silica ) با هيدرواكسيد كلسيم در مقايسه با ميكروسيليكا بسيار سريع تر انجام گرفته و مقدار بسيار كم اين مواد همانتاثير پوزالاني مقدار بسيار بالاي ميكرو سيليكا را درسنين اوليه دارا مي باشد .
تمام كارهاي انجام يافته بر روي كاربرد مواد نانو سيليس كلوئيدي (Colloidal Nano Silica ) در بخش اصلاح خواص ريولوژي ، كار پذيري و مكانيكي خمير سيمان بوده است . آنچه كه دراينجا مطرح است نتايج اوليه محصولات نانوسيليس با قطري در محدوده 5 تا 100 نانومترميباشد .
5. نانو لوله هاNANOTUBES) )
همان گونه كه در مقدمهمقاله مطرح شد معمولاً الياف براي مسلح كردن و اصلاحعملكرد مكانيكي بتن بكار برده مي شوند . امروزه از الياف فلزي ، شيشه اي ، پلي پروپلين ، كربن و . . . دربتن براي مسلح كردن استفاده مي شود و ليكن تحقيقات رويبتن مسلح شده توسط نانو لوله كربني (Carbon Nanotubes ) انتشار نيافته است تا بتوان از نتايج آن براي مسلحكردن بوسيله نانو لوله ها استفاده كرد .
نانولوله كربني توسط LIJIMA درسال 1991 كشف شده است وكارهاي بسياري بر روي ساختارنانو در بخش فيزيك كوانتوم انجام يافته است بطوري كه تحقيقات نوين بر روي تكنولوژي و مهندسي نانو در سطح جهاني نقش اساسيو اصلي بازي ميكند . كربن 60 و نانو لوله هاي نوينداراي ساختاري هستند كه آنها را از فولاد قويتر وبسيار سبك مي كند بطوريكه مي توانند خميدگي و كشش را بدون شكستن تحمل نمايندودر آينده جايگزين الياف كربن خواهند شد كه دركامپوزيت ها به كار برده مي شوند .
نانو لوله ها با توجه به تحقيقاتانجام شده در مركز تحقيقات بتن( وابسته به موسسه ACI شاخه ايران ) ، داراي مقاومت كششي بيش از هر نوع الياف بتني شناختهشده مي باشند و نيز نانو لوله ها خواص ويژه قابل ملاحظهحرارتي و الكتريكي از خود نشان مي دهند ، بطوريكه هاديبودن حرارت آنها بيش از دو برابر الماس و هادي بودن الكتريكي آنها در حدود 1000 برابر فلز مس مي باشد .
نانولوله ها طبقه جديدي ازمحصولات مي باشند كه انقلابيجديد در زمينه مصالح و مواد پيشرفته را بوجود آوردهاند . يك نسل جديد از نانو كامپوزيت هاي چند منظوره مي توانند به عنوان نانولوله هاي كربني در نقش الياف مسلح كننده مناسب آن موادمورد استفاده قرار گيرند . بنابراين نانو لوله هاي كربني از اجزاي كليدي بدست آوردن هدف اصليذكر شده در فوق به عنوان مصالح ساختماني با عملكردبالاي چند منظوره , بازي مي كنند .
6. نتيجه گيري:
منظور از مقاله ارائه شده نشان دادنمصالح جديد ساختماني و بيان مزاياي استفاده از اين نوعمواد در صنعت ساختمان مي باشد ، البته به دليل نو بودن اين نوع مصالح زمينه هاي فراواني براي كارهاي نظري و عملي در دانشگاه هايكشور وجود دارد كه اميد است كه با معرفي مصالح با ساختار نانو راه براي گام هاي بلندتر در اينزمينه باز شود.

نخبگان جوان