فناوری نانو در بتن
اهمیت فناوری نانو در بتن، افزایش سطح بسیار زیاد ذرات در مقیاس نانو است. با افزایش سطح به ازای هر جرم یک ماده، مقدار بیشتری از ماده می‌تواند با مواد اطراف تماس پیدا کند و در نتیجه بر واکنش پذیری تأثیر می‌گذارد. اگر سیمان را با ذرات در اندازه نانو بتوان تولید و فرآوری کرد، این مهم فرصت‌های زیادی در زمینه سرامیک، کامپوزیت‌های با استحکام بالا و کاربردهای الکترونیکی ایجاد خواهد کرد.
فناوری نانو وضعیت سیمان پرتلند را به یک ماده با فناوری پیشرفته و وضعیت فعلی آن به عنوان پرمصرف‌ترین مصالح ساختمانی ارتقاء می‌دهد. تعداد بسیار کمی از مواد معدنی سیمانی می‌توانند با قابلیت‌های سیمان پرتلند از نظر هزینه و در دسترس بودن مطابقت داشته باشند. در حال حاضر، فعال‌ترین حوزه‌های تحقیقاتی مربوط به سیمان و درک بتن از هیدراتاسیون ماسه ذرات سیمان، استفاده از مواد در اندازه نانو مانند ذرات آلومینا و سیلیس است.
نانو بتن چیست؟
نانو بتن به عنوان بتن ساخته شده با ذرات سیمان پرتلند که کمتر از 500 نانومتر هستند، گفته می‌شود. در حال حاضر اندازه ذرات سیمان از چند نانومتر تا حداکثر حدود 100 میکرومتر متغیر است. در مورد میکرو سیمان، اندازه متوسط ذرات به 5 میکرومتر کاهش می‌یابد.
می‌توان ادعا کرد که بتن از فناوری نانو استفاده می‌کند زیرا حاوی نانو ذرات به عنوان مواد تشکیل دهنده از جمله ذرات نانو آب و حفره‌های نانو هوا است. با این حال، برای ادعای استفاده از فناوری نانو در بتن، باید بتوانیم میزان و مکان این نانومواد در داخل محصولات نهایی را کنترل کنیم.
اگر بتوانیم ابزارهای شیمیایی یا مکانیکی برای کنترل منافذ در مقیاس نانو و قرار دادن محصولات هیدراتاسیون کلسیم سیلیکات ایجاد کنیم، بتن به محصولی از فناوری نانو تبدیل می‌شود. ادغام ذرات بسیار ریز در خمیر سیمان پرتلند در مخلوط بتن مطابق با رویکرد از بالا به پایین فناوری نانو، با کاهش فضای خالی بین سیمان و سنگدانه‌ها، خواص و عملکرد بتن را تغییر می‌دهد. این امر استحکام، دوام، انقباض و اتصال به میلگردهای تقویت کننده فولادی را بهبود می‌بخشد.
رویکردهای فناوری نانو در بتن
رویکرد «بالا به پایین» که در آن ساختارهای بزرگ‌تر به مقیاس نانو کاهش می‌یابند در حالی که خواص اصلی خود را بدون کنترل سطح اتمی حفظ می‌کنند، رویکردی هستند که ساختارهای بزرگ‌تر را به قطعات کامپوزیتی کوچک‌تر خود تجزیه می‌کنند. رویکرد «از پایین به بالا» که «نانو فناوری مولکولی» یا «ساخت مولکولی» نیز نامیده می‌شود که در آن مواد از اتم‌ها یا اجزای مولکولی از طریق فرآیند مونتاژ می‌شوند.
بنابراین مفهوم اصلی پشت اصلاح نانو مواد، مهندسی از پایین به بالا است که با تغییرات مهندسی شده در ساختار مولکولی با هدف تأثیرگذاری بر خواص توده‌ای مواد شروع می‌شود. از نظر مفهومی، این فناوری صرفاً یک تقلید از طبیعت است. در عمل، معرفی فناوری نانو نشان دهنده انقلابی است که امکان توسعه محصولات و فرآیندهای با کارایی بالا و طولانی مدت را در چارچوب ایده آل توسعه پایدار فراهم می‌کند.
اهمیت فناوری نانو در بتن
- توسعه سیمان و مصالح بتن با کارایی بالا بر اساس خواص مکانیکی و دوام آنها
- توسعه مصالح و سازه‌های بتنی پایدار از طریق مهندسی برای محیط‌های نامطلوب مختلف، کاهش مصرف انرژی در طول تولید سیمان و افزایش ایمنی.
- توسعه بتن هوشمند از طریق ادغام مواد خود حسگر و مبتنی بر فناوری نانو و فناوری‌های زیرساخت سایبری.
- توسعه مواد بتن جدید از طریق پردازش نوآورانه سیمان و خمیر سیمان مبتنی بر فناوری نانو
- توسعه مدل‌های چند مقیاسی اساسی برای بتن از طریق خصوصیات و مدل سازی پیشرفته بتن در مقیاس نانو، میکرو و کلان
- توانایی کنترل یا در دستکاری مواد در مقیاس اتمی
فواید فناوری نانو در بتن
مزایای استفاده از تکنولوژی نانو در بتن عبارتند از:
- بتن قوی‌تر، سبک‌تر و بادوام‌تر
- بتن با کارایی خوب
- هزینه کمتر برای هر سایت ساختمانی
- توقف آلودگی ناشی از ذرات جامد میکرو سیلیس
- بتن با مقاومت فشاری و کششی اولیه و نهایی بالا
- توقف استفاده از فوق روان کننده
- توقف خطر سیلیکوزیس
- اثربخشی هزینه و بهینه کردن هزینه‌های ساخت و ساز
- بهبود خواص حجمی مواد
- مقاومت بالاتر در مقایسه با بتن معمولی
- بهبود کارایی در بتن
- صرفه جویی در سیمان تا 35 درصد
- پر کردن فضای خالی میکرو
- افزایش فرآیند هیدراتاسیون (به دست آوردن زمان گیرش سریع‌تر)
معایب فناوری نانو در بتن
تکنولوژی نانو ممکن است جوانب منفی زیر را داشته باشد:
- در دسترس بودن نادر نانو مواد مورد استفاده در نانو بتن
- در دسترس بودن نادر تجهیزات برای تولید نانو بتن
نحوه ساخت نانو بتن
برای اطمینان از کامل بودن اختلاط برای ایجاد نانو بتن، میکسر باید قدرت اختلاط کل را به مخلوط 30 تا 600 وات در هر کیلوگرم مخلوط اعمال کند. این اختلاط باید به اندازه کافی ادامه یابد تا یک انرژی خالص صرف شده بر روی مخلوط حداقل 5 هزار ژول در هر کیلوگرم مخلوط حاصل شود و ممکن است به 30 تا 80 کیلوژول در هر کیلوگرم افزایش یابد.
سپس یک فوق روان کننده به مخلوط فعال شده اضافه می‌شود که بعداً می‌تواند با سنگدانه‌ها در یک میکسر بتن معمولی مخلوط گردد. در فرآیند HEM، اختلاط شدید سیمان و آب با یا بدون ماسه در شرایط جریان آرام، شماره رینولدز 20 تا 800 باعث اتلاف و جذب انرژی توسط مخلوط شده و تنش‌های برشی روی سطح ذرات سیمان را افزایش می‌دهد.
در نتیجه دمای مخلوط 20 تا 25 درجه سانتیگراد و بیشتر افزایش می‌یابد. این اختلاط شدید به تعمیق فرآیند هیدراتاسیون در داخل ذرات سیمان کمک می‌کند. تشکیل هیدرات کلسیم سیلیکات کلوئیدی (C-S-H) در اندازه نانو در مقایسه با اختلاط معمولی چندین برابر افزایش یافت. بنابراین، بتن معمولی به نانو بتن تبدیل می‌شود.
با فرآیند طبیعی اولیه هیدراتاسیون سیمان با تشکیل گلبول‌های کلوئیدی با قطر حدود 5 نانومتر به عنوان انرژی صرف شده برای مخلوط، در کل حجم ماتریس سیمان به آب پخش می‌شود. مخلوط فعال مایع را می‌توان به تنهایی برای ریخته گری جزئیات کوچک معماری و اقلام تزئینی مورد استفاده قرار داد یا با افزودنی‌های تشکیل دهنده گاز برای ساخت نانو بتن هوادهی HEM به عنوان یک بتن سبک استفاده کرد.
نانو بتن HEM در شرایط دمای پایین و زیر صفر سخت می‌شود زیرا فاز مایع داخل نانو منافذ ژل C-S-H در دماهای 8- تا 42- درجه سانتی گراد منجمد نمی‌شود. افزایش حجم ژل باعث کاهش مویینگی در مواد جامد و متخلخل می‌شود.
دود سیلیس در مقیاس نانو برای بهبود عملکرد بتن
مشخص شده است که سیلیس کلوئیدی آمورف بسیار ریز برای بهبود عملکرد مانند نفوذ پذیری و متعاقباً دوام بسیار کارآمدتر از سیلیس با اندازه میکرون است. علاوه بر این، مقدار کاهش یافته حدود 15 تا 20 کیلوگرم نانو سیلیس، مقاومتی برابر با 60 کیلوگرم سیلیس معمولی یا میکرو را ارائه می‌دهد.
مطالعات واکنش قلیایی سیلیکات (ASR)
واکنش قلیایی سیلیکات منجر به تشکیل ژل قلیایی و سیلیکا می‌شود که منبسط شده و باعث آسیب م قابل توجهی خواهد شد. ژل به دلیل واکنش بین قلیایی سیمان و شکل واکنشی سیلیس از سنگدانه‌ها یا افزودنی‌های مکمل تشکیل می‌شود. محققان FHWA (مدیریت بزرگراه‌های فدرال آمریکا) از طیف سنجی پراکندگی نوترون و نابودی پوزیترون برای اندازه گیری تغییرات در مقیاس نانو در ریزساختار ژل به عنوان تابعی از شیمی ژل، دما و رطوبت نسبی استفاده می‌کنند.
ویژگی‌های واکنش پذیری خاکستر بادی
محققان FHWA همچنین یک مطالعه تحقیقاتی را برای بررسی تعاملات بین خاکستر بادی و ساختار نانو ژل سیمان پرتلند تأمین می‌کند. پراکندگی نوترون با زاویه کوچک برای تعیین کمیت تغییرات در مقیاس نانو به عنوان تابعی از زمان و ترکیب خاکستر بادی استفاده می‌شود.
سینتیک هیدراتاسیون سیمان
روش‌های تحلیلی مرسوم قادر به ارائه مدل دقیقی برای سرعت واکنش سیمان با آب به عنوان تابعی از دما، نسبت آب به سیمان و اندازه دانه نیستند، زیرا واکنش‌ها در منافذ نانومقیاس ژل سیمان رخ می‌دهند.
بنابراین، دانشمندان مرکز تحقیقات نوترون سرد موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) و FHWA از روش‌های پراکندگی نوترون برای اندازه گیری حرکات و واکنش‌های آب در مقیاس نانو استفاده می‌کنند. این مطالعه انتظار داشت که اثرات عوامل مختلف بر سرعت توسعه ساختار نانومقیاس فراکتالی سیمان را توضیح دهد.
نانو لوله‌های کربنی
در نانو لوله‌های کربنی ساخته شده با گرافیت، دو نوع نانو لوله کربنی وجود دارند.
- نانو لوله‌های کربنی تک جداره
- نانو لوله‌های کربنی چند جداره
کلام آخر
نانو بتن شکلی از بتن است که حاوی ذرات سیمان پرتلند است که بیش از 100 میکرومتر و ذرات سیلیس بیشتر از 500 میکرومتر نیست که در غیر این صورت فضاهای خالی را پر می‌کند که در بتن معمولی ایجاد می‌شود. به طور قابل توجهی فناوری نانو استحکام مواد را افزایش می‌دهد. همچنین این محصولی از اختلاط پرانرژی (HEM) سیمان، ماسه و آب معمولی است که رویکردی از پایین به بالا در فناوری نانو در بتن است.
منابع:
ثبت ديدگاه