كاربردهای فناوری نانودر صنعت بتن

به گزارش  پایگاه تحلیلی خبری تحلیلی خبری بیرجند رسا در سطح علوم پایه به منظور درك ساختمان بتن، تجزیه و تحلیل های بسیاری در مقیاس نانو در حال انجام است كه برای این منظور از فناوری هائی مانند میكروسكوپ نیروی اتمی (AFM)، میكروسكوپ الكترونی پیمایشی(SEM)و پرتو یونی متمركز (FIB)كه برای مطالعه در مقیاس نانو توسعه یافته اند، استفاده می شود.

  یكی از جنبه های اساسی فناوری نانو طبیعت میان رشته ای آن است كه به عنوان نمونه در یك تعامل تحقیقاتی میان شاخه های مهندسی پزشكی و ساخت و ساز، از مدل سازی مكانیكی استخوان به منظور مطالعه نحوه نفوذ و انتشار كلر در بتن (كه عامل هواخوردگی میلگردها است) استفاده شده است.

  مروری بر جنبه های فنی کاربرد نانومواد در بتن:

 افزودن نانو ذرات هماتیت (Fe2o3) به بتن علاوه بر افزایش استحكام بتن، پایش سطوح تنش را نیز امكان پذیر می سازد.

 نانو لوله های چند جداره موجب افزایش مقاومت فشاری ( 25 + نیوتن بر متر مربع) و مقاومت خمشی ( 8+ نیوتن بر متر مربع ) بتن می شوند.

   به منظور افزایش استحكام بتن، می توان از باكتری ها استفاده نمود، به طوری كه افزودن میكرو ارگانیزم های بی هوازی به مخلوط آب و بتن، موجب افزایش 25 در صدی مقاومت 28 روزه بتن می شوند، همچنین رسوب دهی ملات سیمان ماسه ای منجر به رشد ماده پر كننده (فیلر) در داخل خلل و فرج سیمان(نوعی از بتن خود تعمیر كن self repairing) می شود.

   استفاده از نانو ذرات در مواد چسباننده مختلف موجب بهبود ویژگی های مربوط به خرابی بتن می شود.

  هم اكنون سیلیس جزئی از بتن معمولی است. یكی از نتایج مطالعه بتن در مقیاس نانو این است كه با استفاده از نانو ذرات سیلیس می توان میزان تراكم ذرات در بتن را افزایش داد كه این به افزایش چگالی میكرو و نانو ساختارهای تشكیل دهنده بتن ودر نتیجه بهبود ویژگی های مكانیكی آن می انجامد.

افزودن نانو ذرات سیلیس به مواد مبتنی بر سیمان هم موجب كنترل تجزیه ناشی از واكنش بنیادی C-S-H (كلسیم- سیلیكات- هیدرات)، كه در اثر نشت كلسیم در آب رخ می دهد، و نیز جلوگیری از نفوذ آب به درون بتن می شود كه هر دوی این موارد دوام بتن را افزایش می دهد.

  متناسب با میزان افزایش تراكم ذرات، آسیا كردن كلینكر سیمان پرتلند معمولی(OPC) به همراه ماسه استاندارد، منجر به تولید ذرات ریز تری در مقایسه با ذرات حاصل از آسیا نمودن سیمان پرتلند معمولی به تنهایی می شود، و نكته مهم اینكه با افزایش میزان ریزی و در نتیجه تراكم ذرات، مقاومت فشاری بتن تا حد سه تا شش برابر افزایش می یابد.

  خاكستر فرار یكی دیگر از مواد مورد استفاده در ساخت بتن است؛ استفاده از این ماده علاوه بر افزایش دوام و استحكام بتن، میزان مصرف سیمان را نیز كاهش می دهد؛ ولی افزودن خاكستر فرار به بتن موجب كند شدن فرآیند عمل آوری بتن و كمتر شدن مقاومت كوتاه مدت آن در مقایسه با بتن معمولی می شود. در صورت افزودن نانو ذرات سیلیس به بتن ساخته شده با خاكستر فرار، با وجود اینكه قسمتی از سیمان مصرفی با سیلیس جایگزین می شود، چگالی و استحكام بتن و مخصوصاَ مقاومت كوتاه مدت بتن افزایش چشمگیری می یابد.

  همچنین تحقیق در مورد اضافه نمودن نانو ذرات اكسید آهن یا هماتیت (Fe2o3) به بتن نشان داده است كه این ذرات علاوه بر افزایش مقاومت بتن ،پایش سطوح تنش( خستگی) بتن را از طریق اندازه گیری مقاومت الكتریكی برشی ( مقطعی) امكان پذیر می سازد.

  نوعی دیگر از نانو ذرات افزودنی به بتن در جهت بهبود ویژگی های آن، دی اكسید تیتانیوم(Tio2) است؛ Tio2  یك رنگدانه سفید است كه می توان آن را به عنوان یك روكش بازتاب كننده مطلوب استفاده نمود.

Tio2 از طریق واكنش های فوتو كاتالیستی قوی قادر به شكستن و تجزیه آلاینده های آلی، تركیبات آلی فرار (VOC )و غشاهای باكتریایی است و به همین دلیل برای ایجاد خاصیت ضد عفونی كنندگی به رنگ ها، سیمان ها و شیشه ها اضافه می گردد.

چنانچه از Tio2 در سطوح بیرونی سازه ها استفاده شود، قادر است غلظت آلاینده های موجود در هوا را كاهش دهد. Tio2 ماده ای آب دوست است و با اضافه شدن به سطحی، موجب ایجاد خاصیت خود تمیز كنندگی در سطح می گردد.

بتن تولید شده با این ذرات هم اكنون در پروژه هایی در سر تا سر دنیا در حال استفاده است، این بتن دارای رنگ سفید و درخشندگی خاصی است كه سفیدی و درخشندگی خود را به طور موثری حفظ می كند، این در حالی است كه سازه های ساخته شده با بتن معمولی فاقد چنین ویژگی هستند.

  نانو لوله های كربنی(CNT )از جمله نانو ذرات دیگری با ویژگی های قابل توجهی هستند كه تحقیقات برای بررسی مزایای حاصل از اضافه نمودن آنها به بتن در حال انجام است. در صورت افزودن مقادیر كوچكی  (در حدود یك در صد وزنی) از نانو لوله های كربنی به نمونه های متشكل از آب و بخش عمده ای سیمان پرتلند، خواص مكانیكی نمونه ها به طور قابل توجهی بهبود می یابد.

نانو لوله های تك جداره(MWNT) اكسید شده بالاترین میزان افزایش را هم در مقاومت فشاری (25+ نیوتن بر متر مربع) و هم در مقاومت خمشی( 8+ نیوتن بر متر مربع) نمونه ها نشان دادند.به طور تئوری اثبات شده است كه وجود مقدار زیادی نقایص ساختاری بر روی سطح نانو لوله های چند جداره اكسید شده می تواند به ایجاد اتصال بهتر میان نانو ساختارها و ملات بینجامد؛ لذا می توان نتیجه گرفت كه ازطریق ایجاد نقایصی بر روی سطح میلگردهای تقویت كننده بتن، خواص مكانیكی كامپوزیت بهبود می یابد.

در مورد افزودن نانو لوله ها به هر ماده ای دو مشكل عمده وجود دارد: یكی ایجاد اتصال میان نانو لوله ها با همدیگر و دیگری فقدان چسبندگی مناسب میان نانو لوله و شبكه ماده توده، كه از دلایل این مشكل، بر هم كنش های میان صفحات گرافیتی نانو لوله هاست. این خاصیت، آنها را به سمت جمع شدن كنار یكدیگر به صورت دسته ها یا طناب هایی سوق می دهد و گاهی اوقات امكان دارد این طناب ها به یكدیگر گیر كرده باشند.

برای دستیابی به پراكندگی یكنواخت نانو لوله ها درون شبكه ماده توده، باید نانو لوله ها را از یكدیگر جدا نمود، علاوه بر این به دلیل طبیعت گرافیتی نانو لوله ها و وجود خاصیت لغزندگی در آنها،امكان ایجاد چسبندگی مناسب میان نانو لوله و شبكه وجود ندارد.

در صورت استفاده از صمغ عربی به منظور از پیش پراكنده سازی نانو لوله ها، مخصوصاَ در صورت كاربرد نانو لوله های تك جداره (SWNT) ویژگی های مكانیكی بتن به طور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد. برای تعیین مقادیر بهینه نانو لوله های مورد مصرف و نیز شاخص های مؤثر در پراكنده سازی نانو لوله ها در مخلوط، به تحقیقات بیشتری نیاز است.

  هزینه بالای افزودن نانولوله های كربنی به بتن،توجه به مزایای آن را تحت الشعاع قرار داده است؛ لذا فعالیت هایی در جهت كاهش قیمت نانو لوله ها در حال انجام است كه در این صورت مزایای حاصل از افزودن آنها به مواد سیمان بیشتر مورد توجه قرار خواهد گرفت.

  روكش ها، زمینه مطالعاتی دیگری هستند و تحقیق فعالانه ای در مورد روكش های محافظ محتوی نانو ذرات برای حفاظت سطحی از بتن در حال انجام است. كاربرد ویژه این روكش ها در حفاظت در برابر شوره گذاری است. هم اكنون مطالعات به سمت كاربرد برخی از انواع نانو ذرات در چسب های (ملات های binder) مختلف و نحوه تاثیر آنها بر روی ویژگی های كلیدی مرتبط با فرسایش بتن، مانند ممانعت از انتقال یون های كلر، مقاومت در برابر دی اكسید كربن، پخش بخار آب، جذب آب و عمق نفوذ، هدایت می شوند. تا كنون نوعی حلال متشكل از رزین اپوكسی با وزن مولكولی پایین و نانو ذرات رس (nano-clay )، نتایج امید وار كننده ای را نشان داده است.

تحقیقات كنونی نشان داده اند كه حسگر های مبتنی بر فناوری نانو می توانند كاربردهای زیادی در سازه های بتنی، به منظور كنترل كیفیت و پایش دوام بتن داشته باشند. به طوری كه این حسگرها می توانند برای هدف های مختلفی؛از جمله 1)اندازه گیری چگالی بتن؛

 2) نظارت بر فرآیند عمل آوری بتن و اندازه گیری میزان افت(انقباض) بتن؛

 3) اندازه گیری پارامتر های كلیدی معین و اثر گذار بر دوام بتن مانند دما،رطوبت،غلظت كلر،PH، دی اكسید كربن،میزان خستگی(تنش)، خوردگی میلگردها وارتعاش( ویبراسیون)، طراحی شوند.

با توجه به مزیت های کاربرد نانو مواد دربتن می توان در صنایع مختلف معدنی استفاده نمود که عبارتند از :

لاینینگ دیواره های تونل ها به علت داشتن استحکام بالا و مقاومت فشاری وخمشی و تراکم و...

در تونل های راه به دلیل خاصیت باز تابندگی می توان از این نوع بتن ها در دیواره ها استفاده نمود که فضای روشنی را فراهم می سازدو باعث کاربرد لامپهای کمتر می شود.

بدلیل مقاومت در برابر نفوذ اب دیگر نیاز به نوارهای واتر استاب که از نفوذ اب به بتن جلوگیری می کنددر دیواره ها نیست.

به علاوه این بتن ها به دلیل دارا بودن ترکیبات مناسب چسبندگی مناسب با شبکه های فولادی(مش) ارجحیت استفاده نسبت به بتن های معمولی را دارند.

 همچنین به دلیل تراکم و مقاومت در برابر سطوح تنش استفاده از این نوع بتن ها به عنوان دوغاب و خمیر پر کننده چال هایی که در ان راک بولت (میل مهار)نصب شده است توصیه می شود.