در 28 دی 92
کاربرد ذزات نانو در بتن
باتوجه
به رشد سریع تحقیقات علمی و عملی علوم و فنون نانودر کلیه علوم وصنایع
توجه بسیار کمی به کاربردهای این پدیده در صنعت ساختمان و بطور عامدر ساخت و
ساز شده است ولی اخیراً با توجه به تقویت کننده ها و استحکامدهنده های
نانویی در مصالح ساخت و ساز موج جدیدی با شتاب فزاینده ای صنعتساخت و ساز
را در بر گرفته است.
سیلیسیم دی اکسید یا سیلیکا فراوان‌ترین ماده سازنده پوسته زمین است. اینترکیب با فرمول شیمیایی SiO2 ساختاری شبیه الماس دارد، ماده‌ای بلوری وسفید رنگ است دمای ذوب و جوش آن نسبتاً زیاد است و در طبیعت به دو شکلبلوری و آمورف (بی شکل)یافت می‌شود.
کاربرد مهم سیلیس در تولید انواع بتن است که کیفیت و خواص محصول تولید شدهآن بستگی زیادی به نوع و اندازه ذرات سیلیکا دارد. و نانو لوله های کربنیدارای دانسیته بسیار کم نسبت به فولاد و آلومینیوم می باشد. بطوریکهدانسیته آن تقریباً یک پنجم دانسیته فولاد و یک سوم دانسیته آلومینیوم میباشد. از کاربردهای مهم نانو لوله ها در ساخت سازه های سبک و مقاوم درمقابل کشش مطرح است که با کاهش وزن سازه مقاومت آن در مقابل زلزله بدلیلکاهش نیروهای وارده به سازه افزایش می یابد.در اینجا به بررسی اهمیت واثرات استثنایی سیلیسیم در بتن تأکید می‌شود.
کاربرد مواد نانو در ساختمان سازی:
مواد نانو به عنوان موادی که حداقل یکی از ابعاد آن ( طول و عرض و ضخامت ) زیر 100 nm نانو متر باشد تعریف شده اند. یک نانو متر یک هزارم میکرون یاحدود 100000 برابر کوچکتر از ضخامت موی انسان است. خواص فیزیکی و شیمیاییمواد نانو ( در شکل و فرم های متعددی که وجود دارند از جمله ذرات ، الیاف، گلوله و غیره ) در مقایسه با مواد میکروسکوپی نوع دیگر تفاوت اساسیدارند.تغییرات اصولی که وجود دارد نه تنها از نظر کوچکی اندازه بلکه ازنظر خواص جدید آنها در سطح مقیاس نانو می باشد.
یکی از چالش هایی که در رشته مصالح ساختمانی به وجود آمده است بتن باعملکرد بالا (HPC) می باشد مثلاً بتن مقاوم و با دوام یک مصالح کامپوزیت وچند فازی مرکب و پیچیده می باشد.
خواص ، رفتار و عملکرد بتن بستگی به نانو ساختار ماده زمینه ای بتن وسیمانی داردکه چسبندگی، پیوستگی و یکپارچگی را بوجود می آورد. بنابراینمطالعات ساختار بتن و خمیر سیمان در مقیاس نانو برای توسعه مصالح ساختمانیجدید و کاربرد آنها بسیار حائز اهمیت می باشد.
به هر حال روش معمولی برای توسعه بتن با عملکرد بالا اغلب شامل پارامترهای مختلفی از جمله طرح اختلاط بتن معمولی و بتن مسلح با انواع مختلفالیاف می باشد. تا اندازه بسیار زیادی، این روش کار اغلب توسط روابط داخلیصنعت ساختمان می باشد که دلیل کندی پیشرفت در صنعت ساختمان عدم درک عمیقاز مفهوم مصالح ساختمانی می باشد. در گسترده جدید علم و تکنولوژی نانودیگر این قبیل فعالیت ها بی معنی بوده و نیاز به شناخت و مطالعه دقیق ازمصالح ساختمانی دارد و این فعالیت باید به روش علمی جهت یافتن مصالح نسلجدید و با عملکرد بالا ونیز اقتصادی کردن آنها دنبال گردد. در مثال هایعملی و به طور مشخص در بتن ، این تحقیقات تنها زمانی می تواند به جامعهعمل بپیوندد که درک مناسب از مفهوم ریز ساختار سیمان در مقیاس نانو و دیگرساختار ها وجود داشته باشد .
هدف اصلی و نهایی ، یافتن طبقه جدیدی از مصالح ساختمانی با عملکرد بالا میباشد که آنرا می توان به مصالح با عملکرد بالای چند منظوره اطلاق نمود. منظور از عملکرد چند منظوره، ظهور خواصی جدید و متفاوت نسبت به خواص موادمعمولی می باشد به گونه ای که مصالح بتوانند کاربرد های گوناگونی را ارائهنمایند.
در خصوص بتن به طور خاص ، علاوه بر عملکرد با دوام بهتر و خواص مکانیکیبهتر بتن با عملکرد بالای چند منظوره خواص اضافه دیگری را دارا می باشد. ازجمله این خواص به عنوان مثال می توان خاصیت الکترومغناطیسی بکارگیری درحرارت های بالا و محافظت های اتمی و افزایش مؤثر بودن آن در حفظ انرژیساختمان و غیره را نام برد.
علاوه بر این به کار گیری مصالح نانو می تواند به ساختار های جدیدبیانجامد، به طوری که دیگر به منابع طبیعی در ساخت و ساز وابسته نباشد وبتوان در حفظ این منابع کوشید. این می تواند با اصلاح ساختار ها در مقیلسنانو انجام شود یا با به کارگیری ساختارهای مختلف و ارتقاء واکنش هایاتفاق افتاده به طوری که خواص سطوح مخصوص زیاد آنها یا خواص بنیادین آنها ( از جمله ) نفوذپذیری ، خواص مغناطیسی ، الکتریکی هادی حرارت بهبود مییابد.نانو تکنولوژی یک نیاز و رقابتی جهت حفظ محیط زیست و رشد نوآوری درصنعت ساخت و ساز می باشد. درحقیقت یک نوع زندگی و راه جدید برای آینده بشرمی باشد. فکر کردن در اشل نانو راه جدید برای زندگی جدید می باشد.
نانو سیلیس آمورف :
چنانکه دیده می شود ، یکی از ترکیبات موجود در بتن سیلیکاتهای مختلفی استکه در ضمن واکنش تولید می شود به همین دلیل می توان گفت سیلیس یکی ازمهمترین بخش بتن است و اهمیت زیادی در چسبندگی ،مقاومت و کارایی بتن دارد . اکسید سیلیس با انجام واکنش های شیمیایی با هیدراکسید کلسیم آزاد شدهموجود در بتن را مصرف می کنند و از خاصیت قلیایی آن می کاهند و در کنار آببصورت شوره از بتن خارج می شوند. و از خوردگی آرماتورهای فولادی قرارگرفته در بتن جلوگیری می کند .
محلول نانویی سیلیس ( Nanosilica ) دی اکسید سیلیس ( Sio2 ) است که اندازهذرات آن در ابعاد نانو متر می باشد. محلول نانو سیلیس متشکل از ذراتیهستند که گلوله شکل با قطر کمتر از 100 nm یا به صورت ذرات خشک پودر یا بهصورت معلق در مایع محلول قابل انتشار می باشند ، که مایع آن معمول تریننوع محلول نانو سیلیس معلق کاربرد های چند منظوره مانند خاصیت ضد سایش ،ضد حریق، ضد انعکاس سطوح از خود نشان مید هد.
این آزمایشات نشان داده اند که واکنش محلول نانو سیلیس ( Ccolloidal silica ) با هیدرواکسید کلسیم در مقایسه با میکرو سیلیکا بسیار سریع ترانجام گرفته و مقدار بسیار کم این مواد همان تأثیر پوزولانی مقدار بسیاربالای میکروسیلیکا را در سنین اولیه دارا می باشد. این خاصیت ماده ، بدلیلریز بودن ذرات محلول نانو سیلیس معلق می باشد. هیچ جای تعجب نیست که ذراتمیکروسیلیکا نوعاً دارای سطح مخصوص N2 شامل m2g 25-15 می باشد، در صورتیکه ذرات محلول نانو سیلیس 180-m2g می باشند. تحقیقات کاربردی انجام شدهشامل کاربرد نتایج نانو سیلیس ( nano silica ) به شکل محلول آن در گروت میباشد. آزمایشات خواص ریولوژی فرمول گروت در مقایسه با گروت میکروسیلیکا،هیچ جدا شدگی و آب اندازی از خود نشان نداده و نیز مقاومت فشاری 28 روزهبیش از mpa 155 را بدست می دهد.
اضافه کردن نانوذرات سیلیکا (nano sio2) به ملات سیمان باعث بهبود مقاومتفشاری و خمشی ملات نسبت به ملات معمولی گردیده است. در این طرح خصوصیاتنانوذرات سیلیکا با مشخصات مندرج در جدول زیر در سیمان استفاده شده اند. ودر ضمن به ملات سیمان ماده پراکننده ذرات نانو (UNF) و حباب زدا برای کاهشحبابهای هوا در داخل بتن اضافه می شود.
گزارش آزمایش:
شش نمونه از هر کدام گروهبندی برای هر نوع مخلوط انجام شده و سپس در درجهحرارت 21 ( QOC ) زیر آب برای 14 و 28 روز نگهداری شدند. سیمان مصرفی درتمام نمونه ها ثابت نگهداشته شده 100 gr و نسبت آب به سیمان 36/0 و w/c=0.33 و برای مخلوط های نانو سیلیکا و نانو تیوب انتخاب شده اند. مصرفسیلیس مایع به صورت سوسپانسیون مخلوط مستقیم به آب مخلوط اضافه شده و سپسپودر سیلیس به سیمان افزوده شده بود .در صورتی که نانو تیوب در آب مخلوطبتن انتشار یافته و هم زده تا 10 دقیقه وسپس برای حدود 30 دقیقهالکتراسونیک شده در حوضچه 400 w و سپس با سیمان مخلوط می گردند.
هیچ فوق روان کننده ای برای مخلوط نانو سیلیکا افزوده نشده بود ، به خاطراینکه قصد مطالعه نقش نانو سیلیکای خالص بر خمیر سیمان را داشتیم. درصورتی که در مصرف نانو تیوب هیچ نوع سرفکتنت استفاده نشده به همین خاطر سرفکتنت پیشنهادی برای انتشار نانو تیوب ها با سیمان همخون نیستند.
نتایج :
می توان نتیجه گرفت که مقاومت خمشی و فشاری ملات سیمان با افزودن نانوذرات سیلیکا
(Nano-Sio2)بیشتر از مقاومت ملات سیمان معمولی است. در صورتیکه با افزایشنسبت نانوذرات سیلیکا مقاومت فشاری 28 روزه افزایش می یابد. و اینکهنانوذرات بعنوان یک ماده پرکننده حفره های سیمان را پر می کنند و به مانندفوم سیلیکا مقاومت بتن را افزایش می دهند .
سیلیسیم دی اکسید یا سیلیکا فراوان‌ترین ماده سازنده پوسته زمین است. اینترکیب با فرمول شیمیایی SiO2 ساختاری شبیه الماس دارد، ماده‌ای بلوری وسفید رنگ است دمای ذوب و جوش آن نسبتاً زیاد است و در طبیعت به دو شکلبلوری و آمورف (بی شکل)یافت می‌شود.
کاربرد مهم سیلیس در تولید انواع بتن است که کیفیت و خواص محصول تولید شدهآن بستگی زیادی به نوع و اندازه ذرات سیلیکا دارد. و نانو لوله های کربنیدارای دانسیته بسیار کم نسبت به فولاد و آلومینیوم می باشد. بطوریکهدانسیته آن تقریباً یک پنجم دانسیته فولاد و یک سوم دانسیته آلومینیوم میباشد. از کاربردهای مهم نانو لوله ها در ساخت سازه های سبک و مقاوم درمقابل کشش مطرح است که با کاهش وزن سازه مقاومت آن در مقابل زلزله بدلیلکاهش نیروهای وارده به سازه افزایش می یابد.در اینجا به بررسی اهمیت واثرات استثنایی سیلیسیم در بتن تأکید می‌شود.
کاربرد مواد نانو در ساختمان سازی:
مواد نانو به عنوان موادی که حداقل یکی از ابعاد آن ( طول و عرض و ضخامت ) زیر 100 nm نانو متر باشد تعریف شده اند. یک نانو متر یک هزارم میکرون یاحدود 100000 برابر کوچکتر از ضخامت موی انسان است. خواص فیزیکی و شیمیاییمواد نانو ( در شکل و فرم های متعددی که وجود دارند از جمله ذرات ، الیاف، گلوله و غیره ) در مقایسه با مواد میکروسکوپی نوع دیگر تفاوت اساسیدارند.تغییرات اصولی که وجود دارد نه تنها از نظر کوچکی اندازه بلکه ازنظر خواص جدید آنها در سطح مقیاس نانو می باشد.
یکی از چالش هایی که در رشته مصالح ساختمانی به وجود آمده است بتن باعملکرد بالا (HPC) می باشد مثلاً بتن مقاوم و با دوام یک مصالح کامپوزیت وچند فازی مرکب و پیچیده می باشد.
خواص ، رفتار و عملکرد بتن بستگی به نانو ساختار ماده زمینه ای بتن وسیمانی داردکه چسبندگی، پیوستگی و یکپارچگی را بوجود می آورد. بنابراینمطالعات ساختار بتن و خمیر سیمان در مقیاس نانو برای توسعه مصالح ساختمانیجدید و کاربرد آنها بسیار حائز اهمیت می باشد.
به هر حال روش معمولی برای توسعه بتن با عملکرد بالا اغلب شامل پارامترهای مختلفی از جمله طرح اختلاط بتن معمولی و بتن مسلح با انواع مختلفالیاف می باشد. تا اندازه بسیار زیادی، این روش کار اغلب توسط روابط داخلیصنعت ساختمان می باشد که دلیل کندی پیشرفت در صنعت ساختمان عدم درک عمیقاز مفهوم مصالح ساختمانی می باشد. در گسترده جدید علم و تکنولوژی نانودیگر این قبیل فعالیت ها بی معنی بوده و نیاز به شناخت و مطالعه دقیق ازمصالح ساختمانی دارد و این فعالیت باید به روش علمی جهت یافتن مصالح نسلجدید و با عملکرد بالا ونیز اقتصادی کردن آنها دنبال گردد. در مثال هایعملی و به طور مشخص در بتن ، این تحقیقات تنها زمانی می تواند به جامعهعمل بپیوندد که درک مناسب از مفهوم ریز ساختار سیمان در مقیاس نانو و دیگرساختار ها وجود داشته باشد .
هدف اصلی و نهایی ، یافتن طبقه جدیدی از مصالح ساختمانی با عملکرد بالا میباشد که آنرا می توان به مصالح با عملکرد بالای چند منظوره اطلاق نمود. منظور از عملکرد چند منظوره، ظهور خواصی جدید و متفاوت نسبت به خواص موادمعمولی می باشد به گونه ای که مصالح بتوانند کاربرد های گوناگونی را ارائهنمایند.
در خصوص بتن به طور خاص ، علاوه بر عملکرد با دوام بهتر و خواص مکانیکیبهتر بتن با عملکرد بالای چند منظوره خواص اضافه دیگری را دارا می باشد. ازجمله این خواص به عنوان مثال می توان خاصیت الکترومغناطیسی بکارگیری درحرارت های بالا و محافظت های اتمی و افزایش مؤثر بودن آن در حفظ انرژیساختمان و غیره را نام برد.
علاوه بر این به کار گیری مصالح نانو می تواند به ساختار های جدیدبیانجامد، به طوری که دیگر به منابع طبیعی در ساخت و ساز وابسته نباشد وبتوان در حفظ این منابع کوشید. این می تواند با اصلاح ساختار ها در مقیلسنانو انجام شود یا با به کارگیری ساختارهای مختلف و ارتقاء واکنش هایاتفاق افتاده به طوری که خواص سطوح مخصوص زیاد آنها یا خواص بنیادین آنها ( از جمله ) نفوذپذیری ، خواص مغناطیسی ، الکتریکی هادی حرارت بهبود مییابد.نانو تکنولوژی یک نیاز و رقابتی جهت حفظ محیط زیست و رشد نوآوری درصنعت ساخت و ساز می باشد. درحقیقت یک نوع زندگی و راه جدید برای آینده بشرمی باشد. فکر کردن در اشل نانو راه جدید برای زندگی جدید می باشد.
نانو سیلیس آمورف :
چنانکه دیده می شود ، یکی از ترکیبات موجود در بتن سیلیکاتهای مختلفی استکه در ضمن واکنش تولید می شود به همین دلیل می توان گفت سیلیس یکی ازمهمترین بخش بتن است و اهمیت زیادی در چسبندگی ،مقاومت و کارایی بتن دارد . اکسید سیلیس با انجام واکنش های شیمیایی با هیدراکسید کلسیم آزاد شدهموجود در بتن را مصرف می کنند و از خاصیت قلیایی آن می کاهند و در کنار آببصورت شوره از بتن خارج می شوند. و از خوردگی آرماتورهای فولادی قرارگرفته در بتن جلوگیری می کند .
محلول نانویی سیلیس ( Nanosilica ) دی اکسید سیلیس ( Sio2 ) است که اندازهذرات آن در ابعاد نانو متر می باشد. محلول نانو سیلیس متشکل از ذراتیهستند که گلوله شکل با قطر کمتر از 100 nm یا به صورت ذرات خشک پودر یا بهصورت معلق در مایع محلول قابل انتشار می باشند ، که مایع آن معمول تریننوع محلول نانو سیلیس معلق کاربرد های چند منظوره مانند خاصیت ضد سایش ،ضد حریق، ضد انعکاس سطوح از خود نشان مید هد.
این آزمایشات نشان داده اند که واکنش محلول نانو سیلیس ( Ccolloidal silica ) با هیدرواکسید کلسیم در مقایسه با میکرو سیلیکا بسیار سریع ترانجام گرفته و مقدار بسیار کم این مواد همان تأثیر پوزولانی مقدار بسیاربالای میکروسیلیکا را در سنین اولیه دارا می باشد. این خاصیت ماده ، بدلیلریز بودن ذرات محلول نانو سیلیس معلق می باشد. هیچ جای تعجب نیست که ذراتمیکروسیلیکا نوعاً دارای سطح مخصوص N2 شامل m2g 25-15 می باشد، در صورتیکه ذرات محلول نانو سیلیس 180-m2g می باشند. تحقیقات کاربردی انجام شدهشامل کاربرد نتایج نانو سیلیس ( nano silica ) به شکل محلول آن در گروت میباشد. آزمایشات خواص ریولوژی فرمول گروت در مقایسه با گروت میکروسیلیکا،هیچ جدا شدگی و آب اندازی از خود نشان نداده و نیز مقاومت فشاری 28 روزهبیش از mpa 155 را بدست می دهد.
اضافه کردن نانوذرات سیلیکا (nano sio2) به ملات سیمان باعث بهبود مقاومتفشاری و خمشی ملات نسبت به ملات معمولی گردیده است. در این طرح خصوصیاتنانوذرات سیلیکا با مشخصات مندرج در جدول زیر در سیمان استفاده شده اند. ودر ضمن به ملات سیمان ماده پراکننده ذرات نانو (UNF) و حباب زدا برای کاهشحبابهای هوا در داخل بتن اضافه می شود.
گزارش آزمایش:
شش نمونه از هر کدام گروهبندی برای هر نوع مخلوط انجام شده و سپس در درجهحرارت 21 ( QOC ) زیر آب برای 14 و 28 روز نگهداری شدند. سیمان مصرفی درتمام نمونه ها ثابت نگهداشته شده 100 gr و نسبت آب به سیمان 36/0 و w/c=0.33 و برای مخلوط های نانو سیلیکا و نانو تیوب انتخاب شده اند. مصرفسیلیس مایع به صورت سوسپانسیون مخلوط مستقیم به آب مخلوط اضافه شده و سپسپودر سیلیس به سیمان افزوده شده بود .در صورتی که نانو تیوب در آب مخلوطبتن انتشار یافته و هم زده تا 10 دقیقه وسپس برای حدود 30 دقیقهالکتراسونیک شده در حوضچه 400 w و سپس با سیمان مخلوط می گردند.
هیچ فوق روان کننده ای برای مخلوط نانو سیلیکا افزوده نشده بود ، به خاطراینکه قصد مطالعه نقش نانو سیلیکای خالص بر خمیر سیمان را داشتیم. درصورتی که در مصرف نانو تیوب هیچ نوع سرفکتنت استفاده نشده به همین خاطر سرفکتنت پیشنهادی برای انتشار نانو تیوب ها با سیمان همخون نیستند.
نتایج :
می توان نتیجه گرفت که مقاومت خمشی و فشاری ملات سیمان با افزودن نانوذرات سیلیکا
(Nano-Sio2)بیشتر از مقاومت ملات سیمان معمولی است. در صورتیکه با افزایشنسبت نانوذرات سیلیکا مقاومت فشاری 28 روزه افزایش می یابد. و اینکهنانوذرات بعنوان یک ماده پرکننده حفره های سیمان را پر می کنند و به مانندفوم سیلیکا مقاومت بتن را افزایش می دهند .
