کاربرد نانو فناوری در بتن (2)
افزودنی ها موجود برای بتن همیشه تمامی مشخصات بتن را بهبود نمی بخشد. نانو فناوری نشان داده است که قابلیت بهبود عملکرد بتن را به صورت همه جانبه دارد. در این جا با تعدادی از کاربرد های نانو فناوری در بتن آشنا می شویم. ذرات نانو با توجه به ابعادشان می توانند نقش پر کننده حفرات را بازی کنند. همچنین می توانند با تشکیل نانو کریستال ها مشخصات بتن را ارتقا بخشند. میکرو سیلیس از جمله افزودنی های پرمصرف امروزی است با این حال مشاهده شده که استفاده از نانو سیلیس تاثیر بهتری روی رفتار بتن دارد. در ادامه بتن خود تمیز شونده، خود پایش، نانو مسلح کننده های بتن و نانو پوشش های بتنی معرفی می شوند.

نانو ذرات سیمان:
یکی از فواید کریستال های نانو مقیاس که با استفاده از نانو ذرات تشکیل شده است، پر شدن فضا ها و حفرات خالی ماتریس سیمان است. اضافه کردن نانو ذرات که منجر به تشکیل نانو کریستال ها می شود، باعث افزایش مقاومت فشاری، کششی و برشی می شود [1].
سیمان در صنعت به صورت پودر تولید و مصرف می شود. ابعاد ذرات سیمان معمولی عموما در حد میلی و میکرو هستند. اخیرا نانو ذرات سیمان برای بهبود عملکرد سیمان پیشنهاد شده است. دو روش برای ساخت نانو ذرات سیمان پیشنهاد شده است:1) خرد کردن ذرات سیمان معمولی به وسیله آسیاب های پر قدرت (کل به جزء) و 2) ترکیبات شیمیایی (جزء به کل). چسب های سیمانی که با استفاده از نانو ذرات سیمان به وجود می آیند، زمان عمل آوری کمتر و مقاومت فشاری اولیه بالاتری نسبت به سیمان های معمولی دارند [2].

نانو رس ها:
استفاده از ذرات نانو رس باعث بهبود رفتار مکانیکی مثل مقاومت در مقابل نفوذ کلرید ها، ایجاد بتن خود متراکم، کاهش نفوذ پذیری و کاهش افت در بتن می شود. رس و مشخصات رس که در ترکیب با سیمان تاثیر گذار می باشد در مقیاس نانو وجود دارد. ابعاد ذرات رس در طبیعت در حد میکرو و ریز تر از میکرو است. ساختار رس شامل لایه های کریستالی فیلوسیلیکات آلومینیوم با ضخامت تقریبی در حد یک نانو متر است.
تاثیر رس بر روی سیمان موضوع جدیدی نیست و در اکثر کاربرد ها از رس کلسینه(Calcined clay) شده استفاده می شود. با این حال در بازبینی های اخیر تمرکز بر روی امکانات مهندسی نانو در رس قرار گرفته است. اکثر این تحقیقات بر روی رس طبیعی (کلسینه نشده) انجام می شود. به دلیل آب دوست بودن (Hydrophilic) ذرات رس، کنترل مقدار آب مورد نیاز در کامپوزیت های رس-سیمان با اهمیت است [3].

نانو سیلیس:
میکروسیلیس یکی از موادی است که در دهه های اخیر استفاده از آن در بتن به طور جدی مورد توجه مهندسین ساختمان قرار گرفته است. به دلیل خصوصیات بارز پوزولانی میکروسیلیس، استفاده از ان جهت بهبود خواص مکانیکی و افزایش دوام بتن در کشور های پیشرفته رو به افزایش است. استفاده از ان در بتن دارای فواید بسیار زیادی از جمله : کاهش ترکهای ناشی از هیدراتاسیون سیمان، دوام بهتر در مقابل آسیب های سولفات ها و آب های اسیدی و دست یافتن به مقاومت های نهایی بالا با استفاده از انواع سوپر روان کننده های بتن می باشد. از دیگر مزایای مصرف میکروسیلیس کاهش تحرک یون های کلر و در نتیجه کاهش عمق نفوذ کلر در بتن بویژه در نواحی ساحلی جنوب ایران می باشد. از موارد مصرف آن می توان در بتن ریزی های مربوط به ساخت اسکله های دریائی، شمع ها، ستون ها و قطعات پیش ساخته، فونداسیون ماشین آلات و کلیه سازه های بتنی که در معرض حملات شیمیایی بویژه یون کلر و سولفات ها قرار دارند نام برد.
در سال های اخیر مطالعات بر روی نانو ذرات سیلیس متمرکز شده، با این هدف که بتوان با استفاده از این ماده، مشخصات بتن را بیش از پیش افزایش داد. افزودن نانو سیلیس به بتن موجب افزایش مقاومت فشاری، کششی و خمشی، کاهش زمان گیرش و کاهش نفوذ پذیری آب درون بتن و همچنین مقاومت بالاتر در برابر حمله های شیمیایی می شود. آزمایشاتی که بر روی نانو سیلیس انجام شده، نشان داده اند که این ذرات نتنها برای محیط زیست مشکل ساز نیستند بلکه نتایج بهتری در مقایسه با میکرو سیلیس ارائه می کنند [4]. تحقیقات نشان داده است که اضافه کردن نانو سیلیس بیشتر از میکرو سیلیس باعث افزایش مقاومت در بتن می شود [5]. نانو سیلیس مخلوط شده با بتن در دراز مدت باعث حفظ سلامت کارگران، بتن و محیط زیست می شود. نانو سیلیس همچنین می تواند باعث کاهش مصرف سیمان، بهبود کیفیت بتن و افزایش کارایی آن شود [4,6,7].
اضافه کردن 10 درصد نانو سیلیس باعث افزایش 26 درصدی مقاومت فشاری بتن گردید در حالی که همین مقدار میکروسیلیس افزایش 15 درصدی مقاومت فشاری بتن در را در بر داشت [6]. حتی اضافه کردن مقدار اندک 25/0 درصدی نانو سیلیس باعث 10 درصد افزایش مقاومت فشاری و 25 درصد افزایش مقاومت خمشی می گردد [8].

نانو ذرات اکسید آهن:
مشاهده شده است که استفاده از نانو ذرات اکسید آهن در ملات سیمان باعث افزایش مقاومت فشاری و خمشی و همچنین عامل ایجاد قابلیت خود-پایش (هوشمند بودن)(Self-sensing capabilities ) بتن می گردد [6]. توده ملات سیمان که با نانو ذرات اکسید آهن مخلوط گردیده است، تحت اثر بارگذاری های مختلف، مقاومت الکتریکی متفاوتی نشان می دهد. وجود این قابلیت فوق العاده گرانبهاست و به خصوص برای سازه هایی که از حس گر های مدفون داخل سازه بهره مند نیستند قابل استفاده است. با توجه به این خاصیت منحصر به فرد همچنین می توان عملکرد حس گر های سنجش تنش را بهینه سازی کرد.

دی اکسید تیتانیوم:
خود تمیز شوندگی فوتو کاتالیتیک، یکی از مهم ترین موارد استفاده از نانو تکنولوژی در صنعت ساختمان است. آلودگی های طبیعی و صنعتی مثل NOx، مونوکسید کربن، VOCها، کلروفنول ها و آلدهید های ناشی از اتومبیل ها و پساب های صنعتی، در اثر فوتوکاتالیزر و به کمک کاتالیزر بسیار فعال نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم تجزیه می شوند[9]. برای فعال شدن اثر خود تمیز شوندگی در اکسید تیتانیوم، نور طبیعی روز، رطوبت هوا و اکسیژن مورد نیاز است. نحوه فعالیت فوتو کاتالیکتیک های بر پایه دی اکسید تیتانیوم را به صورت جامع می توان در مقاله [10] مطالعه نمود. هم اکنون محصولات خود تمیز کننده و ضد آلاینده بتنی توسط شرکت های مختلف برای استفاده در نمای ساختمان ها و کف پوش های جاده ها تولید می شود و در اروپا و ژاپن بسیار استفاده شده اند که برای مثال می توان از کلیسای جوبلی در رم ایتالیا نام برد. محققان همچنین نشان داده اند که استفاده از نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم علاوه بر خاصیت خود تمیز کنندگی، باعث افزایش سرعت هیدارسیون و کاهش زمان گیرش [11] و همچنین باعث افزایش مقاومت خمشی و فشاری بتن نیز می شوند [12,13]. یکی از معایب این روش کاهش کارایی تجزیه کنندگی آن با گذشت زمان است [14].

شکل 1- کلیسای جوبلی، رم، ایتالیا.

در نمای این سازه از بتن با ترکیب نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم استفاده شده است.

نانو ذرات اکسید آلومینیوم:
اضافه کردن نانو ذرات اکسید آلومینیوم به مخلوط بتن باعث افزایش قابل ملاحظه در مدول الاستیسیته بتن می گردد. مشاهده شده است که با افزودن 5 درصد نانو اکسید آلومینیوم، مدول الاستیسیته بتن تا 143 درصد افزایش پیدا کرده است ولی تاثیر قابل ملاحظه ای روی مقاومت بتن نداشته است[15]. تاکنون ویژگی خاص دیگری از این ماده در بتن گزارش نشده است.

نانو الیاف ها:
نانو لوله های کربنی (CNTs) و نانو رشته های کربنی (CNFs) به عنوان گزینه های اصلی نانو تکنولوژی برای مسلح کردن مصالح پایه سیمانی معرفی می شوند. مدول الاستیسیته و مقاومت بسیار بالای این نانو مواد ها ( در حدود ترا پاسکال TPa) در کنار مقاومت کششی عالی (در حدود گیگا پاسکال GPa) و مشخصات منحصر به فرد الکتریکی و شیمیایی، پتانسیل بالای نانو لوله ها/رشته های کربنی را در ایجاد نسل جدید مصالح پایه سیمانی نشان می دهد. استفاده از این نانو مواد ها باعث بهبود مشخصات مکانیکی، مقاومت در برابر پخش ترک ها، محافظت در برابر امواج الکترومغناطیس و ایجاد قابلیت خود- پایش در مصالح پایه سیمانی می گردد. نسبت طول به عرض این نانو مواد ها بسیار زیاد است (1000 و بیش تر) و می توان آن ها را به مانند یک زنجیر طولانی فرض نمود. نانو لوله های کربنی تک جداره (SWCNTs) و چند جداره (MWCNTs) و نانو رشته های کربنی از گرافین های زنجیر وار با ساختارهای بسیار منظم و با مساحت بسیار زیاد تشکیل شده اند.

شکل 3- نمای شماتیک نانو لوله های کربنی تک جداره و چند جداره

نانو رشته های کربنی برخلاف نانو لوله ها بسیار راحت تر در مخلوط سیمان توزیع می شوند، همچنین فرآوری آن ها راحت تر است، به طور هم زمان هم مشخصات مکانیکی و هم مشخصات الکتریکی را بهبود می بخشد، به کار گیری آن ها راحت تر و هزینه نهایی آن ها برخلاف نانو لوله ها بسیار پایین تر (تا 100 برابر ارزان تر) و برای تولید انبوه بتن مفید است [3]. در تحقیقاتی که تاکنون انجام شده، استفاده از نانو لوله ها/رشته های کربنی در کامپوزیت های پلیمری به صورت گسترده ای مطالعه شده اند ولی درباره استفاده آن ها در بتن و سیمان، مطالعات محدودی انجام شده است. بیش تر تحقیقات انجام شده، بر روی مقایسه تاثیر CNTs و CNFs بر ملات سیمان متمرکز شده است. یکی از اشکالات اصلی این افزودنی ها، عدم توزیع یکنواخت آن ها در مخلوط سیمان است و یک دلیل عمده این مسئله، آب گریزی بسیار بالای آن ها و دلیل دیگر آن جاذبه درونی بالای این نانو مواد است. یکی دیگر از مشکلات این نانو لوله ها/رشته ها عدم چسبندگی مناسب بین CNTs/CNFs با خمیر سیمان است[16]. برای ایجاد یک مخلوط همگن و هم زمان چسبندگی عالی بین CNTs/CNFs و ملات سیمان تحقیقاتی انجام شده است. یکی از روش های مطرح شده، اضافه کردن CNTs/CNFs به صمغ عربی ( یک صمغ با قابلیت حل شدن در آب که به عنوان عامل پراکنده ساز استفاده شده است) و بعد، اضافه کردن آن به سیمان است. در یک تحقیق نشان داده شد که اضافه کردن SWCNTs و یا MWCNTs به بتن با استفاده از پیش پراکنش با صمغ عربی، می تواند سختی و مدول الاستیسته سیمان را افزایش دهد در حالی که اضافه کردن آن ها بدون استفاده از صمغ عربی باعث تضعیف مشخصات مکانیکی سیمان می شود [16]. یک روش دیگر برای توزیع یکنواخت نانو لوله های کربنی در خمیر سیمان، استفاده از انرژی فرا صوت و همچنین استفاده از سورفاکتنت ها ( موادی که اثر کشش سطحی را کاهش می دهند) است، در این حالت مشاهده شد که مقدار اندکی CNTs (048/0 و 08/0 درصد وزنی) تا 50% باعث افزایش مدول الاستیسیته سیمان می شود [17].
در زمینه مسلح کردن بتن با نانو الیاف بحث بسیار گسترده ای وجود دارد که از حوصله این مبحث خارج است، روش های اضافه کردن این مواد به بتن، مزایا و معایب هر روش، نتایج بدست آمده از تغییر در مقاومت و کارایی بتن، صرفه اقتصادی، نحوه پراکنش نانو مواد در بتن، اتفاقاتی که در مقیاس نانو در پیوندهای بین نانو مواد و ذرات سیمان می افتد و بسیاری مباحث دیگر همچنان در حال بررسی هستند.

نانو پوشش ها:
محافظت و یا تقویت ساختمان های موجود و یا جدید به وسیله اصلاح پلیمری سطح و یا پوشش دهی با سطوح نفوذ ناپذیر و آب گریز امکان پذیر است. جلوگیری از نفوذ آب و آلودگی به بتن باعث افزایش کارایی سازه ای بتن می شود. این عمل از نفوذ مواد مضر برای بتن و فولاد به درون بتن جلوگیری می کند. همچنین باعث افزایش مقاومت در برابر یخ زدگی می شود. با این حال همچنان می بایست دوام دراز مدت این مصالح و سازگار بودن آن ها با پوشش زیرین و تاثیر آن ها روی بقیه مشخصات مکانیکی بررسی شود. بر اساس فرمول بندی این مواد، این اصلاح ها مکانیزم های متفاوتی دارند. الف) پوشش دهی و عایق بندی روی سطح بتن که باعث ایجاد یک سد غیر قابل نفوذ می شود. (پلی اورتان، اکریلیک و رزین های اپوکسی )(Polyurethane, acrylic and epoxy resins). ب) مواد آب-گریزی که روی سطح حفرات بتن کشیده می شوند و مانع از نفوذ آب می شوند. (سیلان، سیلوگسان، پلیمر های فلئوریناته )(Silane, siloxane and fluorinated polymers). ج) پر کننده حفرات که درون بتن نفوذ می کند و حفرات را می بندد. (سیلیکات مایع و سیلیکو فلورایدهای مایع )(Liquid silicates and liquid silicofluorides)

بتن های خود ترمیم شونده:
یکی از نگرانی های مهندسین در مورد بتن، ترک خوردن آن است. ترک ها باعث نفوذ مواد مضر، کاهش عمر بتن و کاهش عملکرد سازه ای آن می گردد. اخیرا تحقیقاتی انجام شده که در آن ریز کپسول های حاوی پر کننده های ترک در مخلوط بتن قرار داده می شود. زمانی که در بتن ترک ایجاد می شود این کپسول ها شکسته شده و مواد داخل آن فضای ترک را پر می کند. برای آشنایی کامل در مورد این مواد می توانید [1] را مطالعه کنید.

شکل 4- نمونه هایی از فرایند های خود ترمیم شوندگی [1]