فناوري نانو و بتن

در سطح علوم پايه به منظور درک ساختمان بتن، تجزيه و تحليل هاي بسياري در مقياس نانو در حال انجام است که براي اين منظور از فناوري هائي مانند ميکروسکوپ نيروي اتمي (AFM)، ميکروسکوپ الکتروني پيمايشي((SEM و پرتو يوني متمرکز ((FIB، که براي مطالعه در مقياس نانو توسعه يافته اند، استفاده مي شود.

يکي از جنبه هاي اساسي فناوري نانو طبيعت ميان رشته اي آن است که به عنوان نمونه در يک تعامل تحقيقاتي ميان شاخه هاي مهندسي پزشکي و ساخت و ساز، از مدل سازي مکانيکي استخوان به منظور مطالعه نحوه نفوذ و انتشار کلر در بتن (که عامل هواخوردگي ميلگردها است) استفاده شده است.

مروري بر جنبه هاي فني کاربرد نانومواد در بتن:

افزودن نانو ذرات هماتيت (Fe2o3) به بتن علاوه بر افزايش استحکام بتن، پايش سطوح تنش را نيز امکان پذير مي سازد.

نانو لوله هاي چند جداره موجب افزايش مقاومت فشاري ( ۲۵ + نيوتن بر متر مربع) و مقاومت خمشي ( ۸+ نيوتن بر متر مربع ) بتن مي شوند.

به منظور افزايش استحکام بتن، مي توان از باکتري ها استفاده نمود، به طوري که افزودن ميکرو ارگانيزم هاي بي هوازي به مخلوط آب و بتن، موجب افزايش ۲۵ در صدي مقاومت ۲۸ روزه بتن مي شوند، همچنين رسوب دهي ملات سيمان ماسه اي منجر به رشد ماده پر کننده (فيلر) در داخل خلل و فرج سيمان(نوعي از بتن خود تعمير کن self repairing) مي شود.

استفاده از نانو ذرات در مواد چسباننده مختلف موجب بهبود ويژگي هاي مربوط به خرابي بتن مي شود.

هم اکنون سيليس((Sio2 جزئي از بتن معمولي است. يکي از نتايج مطالعه بتن در مقياس نانو اين است که با استفاده از نانو ذرات سيليس مي توان ميزان تراکم ذرات در بتن را افزايش داد که اين به افزايش چگالي ميکرو و نانو ساختارهاي تشکيل دهنده بتن ودر نتيجه بهبود ويژگي هاي مکانيکي آن مي انجامد.

افزودن نانو ذرات سيليس به مواد مبتني بر سيمان هم موجب کنترل تجزيه ناشي از واکنش بنيادي C-S-H (کلسيم- سيليکات- هيدرات)، که در اثر نشت((leaching کلسيم در آب رخ مي دهد، و نيز جلوگيري از نفوذ آب به درون بتن مي شود که هر دوي اين موارد دوام بتن را افزايش مي دهد.

متناسب با ميزان افزايش تراکم ذرات، آسيا کردن کلينکر سيمان پرتلند معمولي(OPC) به همراه ماسه استاندارد، منجر به توليد ذرات ريز تري در مقايسه با ذرات حاصل از آسيا نمودن سيمان پرتلند معمولي به تنهايي مي شود، و نکته مهم اينکه با افزايش ميزان ريزي و در نتيجه تراکم ذرات، مقاومت فشاري بتن تا حد سه تا شش برابر افزايش مي يابد.

خاکستر فرار يکي ديگر از مواد مورد استفاده در ساخت بتن است؛ استفاده از اين ماده علاوه بر افزايش دوام و استحکام بتن، ميزان مصرف سيمان را نيز کاهش مي دهد؛ ولي افزودن خاکستر فرار به بتن موجب کند شدن فرآيند عمل آوري بتن و کمتر شدن مقاومت کوتاه مدت آن در مقايسه با بتن معمولي مي شود. در صورت افزودن نانو ذرات سيليس به بتن ساخته شده با خاکستر فرار، با وجود اينکه قسمتي از سيمان مصرفي با سيليس جايگزين مي شود، چگالي و استحکام بتن و مخصوصاَ مقاومت کوتاه مدت بتن افزايش چشمگيري مي يابد.

همچنين تحقيق در مورد اضافه نمودن نانو ذرات اکسيد آهن يا هماتيت (Fe2o3) به بتن نشان داده است که اين ذرات علاوه بر افزايش مقاومت بتن ،پايش سطوح تنش( خستگي) بتن را از طريق اندازه گيري مقاومت الکتريکي برشي ( مقطعي) امکان پذير مي سازد.

نوعي ديگر از نانو ذرات افزودني به بتن در جهت بهبود ويژگي هاي آن، دي اکسيد تيتانيوم(Tio2) است؛ Tio2 يک رنگدانه سفيد است که مي توان آن را به عنوان يک روکش بازتاب کننده مطلوب استفاده نمود.

Tio2 از طريق واکنش هاي فوتو کاتاليستي قوي قادر به شکستن و تجزيه آلاينده هاي آلي، ترکيبات آلي فرار ((VOC و غشاهاي باکتريايي است و به همين دليل براي ايجاد خاصيت ضد عفوني کنندگي به رنگ ها، سيمان ها و شيشه ها اضافه مي گردد.

چنانچه از Tio2 در سطوح بيروني سازه ها استفاده شود، قادر است غلظت آلاينده هاي موجود در هوا را کاهش دهد. Tio2 ماده اي آب دوست است و با اضافه شدن به سطحي، موجب ايجاد خاصيت خود تميز کنندگي در سطح مي گردد.

بتن توليد شده با اين ذرات هم اکنون در پروژه هايي در سر تا سر دنيا در حال استفاده است، اين بتن داراي رنگ سفيد و درخشندگي خاصي است که سفيدي و درخشندگي خود را به طور موثري حفظ مي کند، اين در حالي است که سازه هاي ساخته شده با بتن معمولي فاقد چنين ويژگي هستند.

نانو لوله هاي کربني((CNT از جمله نانو ذرات ديگري با ويژگي هاي قابل توجهي هستند که تحقيقات براي بررسي مزاياي حاصل از اضافه نمودن آنها به بتن در حال انجام است. در صورت افزودن مقادير کوچکي (در حدود يک در صد وزني) از نانو لوله هاي کربني به نمونه هاي متشکل از آب و بخش عمده اي سيمان پرتلند، خواص مکانيکي نمونه ها به طور قابل توجهي بهبود مي يابد.

نانو لوله هاي تک جداره(MWNT) اکسيد شده بالاترين ميزان افزايش را هم در مقاومت فشاري (۲۵+ نيوتن بر متر مربع) و هم در مقاومت خمشي( ۸+ نيوتن بر متر مربع) نمونه ها نشان دادند.به طور تئوري اثبات شده است که وجود مقدار زيادي نقايص ساختاري بر روي سطح نانو لوله هاي چند جداره اکسيد شده مي تواند به ايجاد اتصال بهتر ميان نانو ساختارها و ملات بينجامد؛ لذا مي توان نتيجه گرفت که ازطريق ايجاد نقايصي بر روي سطح ميلگردهاي تقويت کننده بتن، خواص مکانيکي کامپوزيت بهبود مي يابد.

در مورد افزودن نانو لوله ها به هر ماده اي دو مشکل عمده وجود دارد: يکي ايجاد اتصال ميان نانو لوله ها با همديگر و ديگري فقدان چسبندگي مناسب ميان نانو لوله و شبکه ماده توده، که از دلايل اين مشکل، بر هم کنش هاي ميان صفحات گرافيتي نانو لوله هاست. اين خاصيت، آنها را به سمت جمع شدن کنار يکديگر به صورت دسته ها يا طناب هايي سوق مي دهد و گاهي اوقات امکان دارد اين طناب ها به يکديگر گير کرده باشند.

براي دستيابي به پراکندگي يکنواخت نانو لوله ها درون شبکه ماده توده، بايد نانو لوله ها را از يکديگر جدا نمود، علاوه بر اين به دليل طبيعت گرافيتي نانو لوله ها و وجود خاصيت لغزندگي در آنها،امکان ايجاد چسبندگي مناسب ميان نانو لوله و شبکه وجود ندارد.

در صورت استفاده از صمغ عربي به منظور از پيش پراکنده سازي نانو لوله ها، مخصوصاَ در صورت کاربرد نانو لوله هاي تک جداره ((SWNT، ويژگي هاي مکانيکي بتن به طور قابل ملاحظه اي افزايش مي يابد. براي تعيين مقادير بهينه نانو لوله هاي مورد مصرف و نيز شاخص هاي مؤثر در پراکنده سازي نانو لوله ها در مخلوط، به تحقيقات بيشتري نياز است.

هزينه بالاي افزودن نانولوله هاي کربني به بتن،توجه به مزاياي آن را تحت الشعاع قرار داده است؛ لذا فعاليت هايي در جهت کاهش قيمت نانو لوله ها در حال انجام است که در اين صورت مزاياي حاصل از افزودن آنها به مواد سيمان بيشتر مورد توجه قرار خواهد گرفت.

روکش ها، زمينه مطالعاتي ديگري هستند و تحقيق فعالانه اي در مورد روکش هاي محافظ محتوي نانو ذرات براي حفاظت سطحي از بتن در حال انجام است. کاربرد ويژه اين روکش ها در حفاظت در برابر شوره گذاري است. هم اکنون مطالعات به سمت کاربرد برخي از انواع نانو ذرات در چسب هاي (ملات هاي binder) مختلف و نحوه تاثير آنها بر روي ويژگي هاي کليدي مرتبط با فرسايش بتن، مانند ممانعت از انتقال يون هاي کلر، مقاومت در برابر دي اکسيد کربن، پخش بخار آب، جذب آب و عمق نفوذ، هدايت مي شوند. تا کنون نوعي حلال متشکل از رزين اپوکسي با وزن مولکولي پايين و نانو ذرات رس (nano-clay )، نتايج اميد وار کننده اي را نشان داده است.

 تحقيقات کنوني نشان داده اند که حسگر هاي مبتني بر فناوري نانو مي توانند کاربردهاي زيادي در سازه هاي بتني، به منظور کنترل کيفيت و پايش دوام بتن داشته باشند. به طوري که اين حسگرها مي توانند براي هدف هاي مختلفي؛از جمله

۱)اندازه گيري چگالي بتن؛

۲) نظارت بر فرآيند عمل آوري بتن و اندازه گيري ميزان افت(انقباض) بتن؛

۳) اندازه گيري پارامتر هاي کليدي معين و اثر گذار بر دوام بتن مانند دما،رطوبت،غلظت کلر،PH، دي اکسيد کربن،ميزان خستگي(تنش)، خوردگي ميلگردها وارتعاش( ويبراسيون)، طراحي شوند.

با توجه به مزيت هاي کاربرد نانو مواد دربتن مي توان در صنايع مختلف معدني استفاده نمود که عبارتند از :

لاينينگ ديواره هاي تونل ها به علت داشتن استحکام بالا و مقاومت فشاري وخمشي و تراکم و…

در تونل هاي راه به دليل خاصيت باز تابندگي مي توان از اين نوع بتن ها در ديواره ها استفاده نمود که فضاي روشني را فراهم مي سازدو باعث کاربرد لامپهاي کمتر مي شود.

بدليل مقاومت در برابر نفوذ اب ديگر نياز به نوارهاي واتر استاب که از نفوذ اب به بتن جلوگيري مي کنددر ديواره ها نيست.

به علاوه اين بتن ها به دليل دارا بودن ترکيبات مناسب چسبندگي مناسب با شبکه هاي فولادي(مش) ارجحيت استفاده نسبت به بتن هاي معمولي را دارند.

همچنين به دليل تراکم و مقاومت در برابر سطوح تنش استفاده از اين نوع بتن ها به عنوان دوغاب و خمير پر کننده چال هايي که در ان راک بولت (ميل مهار)نصب شده است توصيه مي شود.