فناوری نانو در تولید بتن و سیمان

فناوری نانو در تولید بتن و سیمان

مقدمه

وقتی صحبت از مقیاس نانو می شود، یعنی توانایی ساخت در مقیاس ابعاد اتم ها و تهیه مواد با دقت اتمی مورد نظر است . این توانایی به ما اجازه میدهد از محدودیتهای اندازه که به صورت طبیعی وجود دارد فراتر رفته و روی واحدهای ساختاری کار شود، جائیکه تعیین کننده خاصیت مواد است و با تغییر در آن، میتوان خواص مواد را تغییر داد.

نانو تکنولوژی یک رشته جدید نیست ، بلکه رویکردی جد ید در تمام رشته ها است

. فناوری نانو کاربردهای وسیعی در حوزه های مختلف از جمله صنایع غذایی ، داروئی،پزشکی،بیوتکنولوژی، الکترونیک و کامپیوتر وارتباطات و حمل ونقل و انرژی و محیط زیست و هوا فضا و ... دارد. تغییر مقیاس ساخت باعث تغییراتی اساسی در نحوه طراحی سیستم ها خواهد داشت ، زیرا در مقیاس نانو ، نیروهای بین مولکولی و نیروه ای دیگر مرتبط وارد

محاسبات می شوند . کنترل مواد در مقیاس نانو به معنای ساختن ساختارهای بنیانی در مقیاسی است که در آن اندازه ه ا خواص اساسی معین می شود (نانو آخرین مقیاس تولید ) وبنابراین کنترل خواص مواد حاوی ذرات نانو بهتر امکان پذیر می باشد .

اکنون اگرچه مطالعات و کنکاشهای مربوط به روش ه ای تولید به پایان رسیده است ، ولی معذلک پیش بینی میشود تا در سالهای 2010 تا 2015 ، دوره مناسبی برای پیشرفت نانوکارخانه ها باشد.سیستم ه ای ساخت قابل برنامه ر یزی و قابل عمل )نانو کارخانه ها)، تجارتو صنعت مرتبط با آن را دگرگون خواهد کرد  با توجه به اهمیت کنترل خواص مواد ساختمانی

سیمان و بتون در سالهای اخیر ،تحقیقات زیادی در راستای بکار گیری نانو ذرات در سیمان وبتون انجام شده است ، که در این کار مطالعاتی، بخش عمده ای از مجموعه مقالات مرتبط، گرد آوری و تنظیم شده است.

2 نانو سیمانها

در سالهای اخیر تحقیقات زیادی در خصوص افزودن نانو ذرات به سیمان انجام گرفته است

[ 4] نانو ذرات افزودنی به سیمان هم می تواند از نوع ترکیبات تشکیل دهنده خود سیمان(اکسید سیلیس،اکسیدآهن وآلومینا) باشند و هم از ترکیباتی دیگر( برای مثال کربونانوتیوب)، که در جهت ایجاد خواصی مشخص و معین در سیمان ، کاربرد دارند . به عنوان مثال، برای حصول به سیمانی با خواص مناسب جهت استفاده در چاه های نفت افزودن نانو ذرات

مناسب می باشد. در حال حاضر متخصصین پژوهشگاه صنعت نفت* به دانش فنی مورد نیاز برای ساخت نانو افزودنی مناسبی برای کنترل خواص سیمان کاری جداره چاههای نفتی دست یافته اند[ 5]. هدف اصلی استفاده از نانو افزودنی ها در سیمان جداره چاههای نفتی مقابله با وجود مشکلاتی از لحاظ پایین بودن فشار مخزن و ضرورت ایجاد فشار لازم توسط سیمان

استفاده شده می باشد.

همچنین استفاده از کربن نانوتیوب به عنوان نانو افزودنی در سیمان پتانسیل فوق العاده
قوی(سیمان سخت ) ایجاد می کند چون هم یک ماده تقویت کننده ایده ال می باشد و هم قطر آن شبیه اندازه کلسیم -سیلیکات-هیدرات است از دیگر کاربردهای کربن نانوتیوب در صنعت ساختمان استفاده ازآن به عنوان اجز اء ساختاری و عامل انتقال حرارت می باشد به نحوی کهیکی از کاربردهای آن، به کار گیری برای گرم کردن ساختمان ها می باشد

در حال حاضر در کشور چین ، بیشترین تحقیقات در جهت بررسی خواص نانو سیمانه ا، انجام
شده است و لذا بسیاری از مقالات معتبر در خصوص بررسی خواص نانو سیمانها مربوط به
دانشگاه های این کشور ، است

به طور کلی مهمترین عامل درکنترل خواص نانو سیمانه ا، علاوه بر خواص نانو ذرات، اختلاط مناسب نانو ذرات و سیمان می باشد . نانو سیمانها به دلیل مقاومت بالا و خواص ساختاری بهبود یافته، کاربرد های زیادی دارند برای مثال، از این نوع سیمانها، برای ساخت آسمان خراشها، ساختمان های ریاست جمهوری ونظامی (ضد گلوله ) و در مناطقی که خورندگی زیاد است، استفاده می شود.

در ادامه انواع نانو سیمانه ای، خواص آنهامقایسه خواص آنه ا با سایر سیمانها و مزای ای تولید هر کدام از آنها، مورد بررسی قرار می گیرد

-2 نانو سیمانهای حاوی نانو سیلیس

مهمترین ترکیب پوزولانه سیلیکا آمورف و یا سیلیس شیشه ای است که در نتیجه واکنش آنها با هیدروکسید کلسیم، سیلیکات کلسیم هیدراته شده ، تولید می شود. سرعت واکنش و واکنش پذیری پوزولان ه ا ، بستگی به مقدار سطح مقطع آنها دارد ، هرچه سطح مقطع واکنش دهنده ه ا بیشتر باشد سرعت انجام واکنش ، بیشتر می شود. بنابراین بدیهی است که نانو سیلیس ها بدلیل سطح مقطع بیشتر از اهمیت خاصی برخودار باشند.

تحقیقات انجام شده نشان داده است که مقاومت فشاری 7 روزه و 28 روزه سیمانهای حاوی scanning نانو سیلیس بیشتر از سیمانهای حاوی میکرو سیلیس می باشد. علاوه بر این ، آزمایشات و سرعت تغییرات حرارتی ، نشان Ca(OH) و با قیمانده مقدار 2 electron microscope(SEM) دهنده افزایش واکنش پذیری سیمانهای حاوی نانو سیلیس می باشد.

استفاده از نانو سیلیس در سیمان ، نه تنها به علت خاصیت پرکنندگی منافذ باعث بهبود ساختار می شود، بلکه واکنشهای پوزولانی را فعالتر می نماید

. جهت بررسی خواص سیمانهای حاوی نانو سیلیس و مقایسه خواص آن با سیمانهای حاوی دوده سیلیس، تحقیقاتی انجام شده است .

مشخصات شیمیایی و فیزیکی نانو سیلیس و دوده سیلیس مورد استفاده برای انجام این تحقیقات در جدول 1 آورده شده است. مشخصات سنگدانه مورد استفاده در جدول 2 آورده شده است،بعلاوه در ساخت همه مخلوط سیمانهای مورد آزمایش از پلی کربوکسیلات ساخت کشور کره با نانو XRD ودیاگرام (SEM) 1 ، بعنوان روانساز استفاده شد. در شکل 1 و 2 نیز / دانسیتیه 60 سیلیس و دوده سیلیس نشان داده شده است.

*پوزولان:مواد سیلیس یا سیلیسی آلو مینای هستند که در حالت معمولی با آب واکنشی ندارند لیکن
در مجاورت آهک و یا سیمان پرتلند ایجاد واکنش شیمیایی می کنند و ژل سیلیکات کلسیم می
شود.

حاصل از هیدراته شدن ، فازهای سیمان ژل سیلیکات کلسیم CH از واکنش سیلیس پوزولان باهیدراته تولید می شود .

با سخت شدن ژل فوق ،ملات ساخته شده با این مواد بتدریج افزایش مقاومت پیدا کرده و با کم شدن فضاهای داخلی و افزایش دانسیته کاهش نفوذ پذیری ملات و دوام آن در محیط های مختلف افزایش می یابد.
ماده پوزولانی مصنوعی بسیار فعال و محصول فرعی کوره های الکتریکی تولید سیلیسیم یا آلیاژ

: (Silica fume ) *دوده سیلیس

فرو سیلیس می باشد . این ماده در ایران تولید و با نام تجاری میکرو سیلیس در بازار وجود دارد.
حاصل از هیدراته شدن فازهای سیمان ، ژل سیلیکات کلسیم هیدراته تولید می شود .

بعد از  120 روز ، افزایش می یابد C-S-H نشان داد ، تغییرات کمی بعد از 7 روز رخ می دهد و تشکیل XRD نتایج حاصل از و تنها 75 % از دوده سیلیس در ملات سیمان بعد از گذشت 90 روز هیدراته می شود

کاربرد مواد نانو در صنعت بتن

مقدمه

مواد نانو به عنوان موادی که حداقل یکی از ابعاد آن (طول ، عرض ، ضخامت ) زیر 100nm باشد تعریف شده اند ، یک نانومتر یک هزارم میکرون یا حدود 100000 برابر کوچکتر از موی انسان است . به طور کلی ،در یک تقسیم بندی عمومی، محصولات نانو مواد را می توان به صورت های زیر بیان کرد:   ·

فیلمهای نانو لایه ( Nano Layer Thin Films ) برای کاربردهای عمدتاً الکترونیکی    · نانو پوششهای حفاظتی (Nano Coating ) برای افزایش مقاومت در برابر خوردگی ، حفاظت در مقابل عوامل مخرب محیطی    · نانو ذرات به عنوان پیش سازنده (Precursor) یا اصلاح ساز (Modifier) پدیده های شیمیایی و فیزیکی    · نانو لوله ها (Nanotubes) منظور از یک ماده نانو ساختار یا واضح تر یک بدنه نانو ساختار (Nanostructured Solid ) جامدی است که در آن انتظام اتمی ، اندازه کریستالهای تشکیل دهنده و ترکیب شیمیایی در سراسر بدنه در مقیاس چند نانو متری گسترده شده باشد .   

خواص فیزیکی و شیمیایی مواد نانو (در شکل و فرمهای متعددی که وجود دارند از جمله ذرات ، الیاف ، گلوله و . . . ) در مقایسه با مواد میکروسکوپی تفاوت اساسی دارند . تغییرات اصولی که وجود دارد نه تنها از نظر کوچکی اندازه بلکه از نظر خواص جدید آنها در سطح مقیاس نانو می باشد .

هدف نهایی از بررسی مواد در مقیاس نانو ، یافتن طبقه جدیدی از مصالح ساختمانی با عملکرد بالا می باشد ، که آنها را می توان به عنوان مصالحی با عملکرد بالا و چند منظوره اطلاق نمود . منظور از عملکرد چند منظوره ، ظهور خواصی جدید و متفاوت نسبت به خواص مواد معمولی می باشد به گونه ای که مصالح بتوانند کاربردهای گوناگونی را ارائه نمایند .

در مطالب بعدی که خواهد آمد مواد نانو ساختاری معرفی خواهند شد که با توجه به نوظهور بودن چنین موادی می توانند تحولی شگرف در صنعت ساختمان سازی و صنایع وابسته به آن ایجاد کنند

2. مواد نانو کمپوزیت

مواد نانو کمپوزیت بر پایه پلیمر (ماتریس پلیمری ) اولین بار در سالهای 70 معرفی شده اندکه از تکنولوژی سول- ژل(Sol-Gel) جهت انتشار (Disperse) دادن ذرات نانو کانی درون ماتریس پلیمر استفاده شده است .

هرچند تحقیقات انجام شده در دو دهه گذشته برای توسعه تجاری این مواد توسط شرکت تویوتا در ژاپن در اواخر سالهای 80 صورت گرفته است ، ولی رشته نانو کمپوزیت پلیمر هنوز در مرحله جنینی و در آغاز راه می باشد .

در این شرایط نانو آلومینا ، بهترین ساختار نانوئی است که افق جدیدی را در صنعت سرامیک نوید می دهد . زیرا کاربرد این مواد پدیده ای است که از نظر مکانیکی ، الکتریکی و خواص حرارتی به طور مناسب دارای تعادل بوده و در رشته های مختلف کاربرد دارد . از جمله می توان به چند نمونه اشاره کرد:· تکنولوژی نانو فلز آرتوناید که اخیراً به طور تجاری ، الیاف نانویی آلومینا ، انقلابی در رشته سرامیک بوجود آورده است . · ذرات نانویی غیر فلز مانند:نانو سیلیکا ، نانو زیرکونیا و مواد دیگر اصلاح کننده سرامیک ها می باشد .

3. بتن با عملکرد بالا ([1]HPC)

یکی از چالشهایی که در رشته مصالح ساختمانی بوجود آمده است ، بتن با عملکرد بالا(HPC ) می باشد . این نوع بتن مقاوم از نوع مصالح کامپوزیت بوده و از نظر دوام جزو مصالح کامپوزیت و چند فازی مرکب و پیچیده می باشد . خواص ، رفتار و عملکرد بتن بستگی به نانو ساختار ماده زمینه بتن و سیمانی دارد که چسبندگی ، پیوستگی و یکپارچگی را بوجود می آورد .

بنابراین ، مطالعات بتن و خمیر سیمان در مقیاس نانو برای توسعه مصالح ساختمانی جدید و کاربرد آنها بسیار حائز اهمیت می باشد . روش معمولی برای توسعه بتن با عملکرد بالا اغلب شامل پارامترهای مختلفی از جمله طرح اختلاط بتن معمولی و بتن مسلح با انواع مختلف الیاف می باشد . در مورد بتن به طور خاص ، علاوه بر عملکرد با دوام و خواص مکانیکی بهتر ، بتن با عملکرد بالای چند منظوره (MHPC) خواص اضافه دیگری را دارا می باشد ، از جمله می توان به خاصیت الکترو مغناطیسی ، و قابلیت به کار گیری در سازه های اتمی (محافظت از تشعشعات ) و افزایش موثر بودن آن در حفظ انرژی ساختمانها و ... را نام برد .

4. نانو سیلیس آمورف

در صنعت بتن ، سیلیس یکی از معروفترین موادی است که نقش مهمی در چسبندگی و پر کنندگی بتن با عملکرد بالا (HPC) ایفا می کند .

محصول معمولی همان سلیکیافیوم یا میکرو سیلیکا می باشد که دارای قطری در حدود 1/0 تا 1 میلی متر می باشد و دارای اکسید سیلیس حدود 90% می باشد . می توان گفت که میکرو سیلیکا محصولی است که در محدوده بالای اشل اندازه نانو متر جهت افزایش عملکرد کامپوزیت مواد سیمانی به کار برده می شود .

محصول نانو سیلیس متشکل از ذراتی هستند که دارای شکل گلوله ای بوده و با قطر کمتر از 100nm یا بصورت ذرات خشک پودر یا بصورت معلق در مایع محلول قابل انتشار می باشند ، که مایع آن معمول ترین نوع محلول نانو سیلیس می باشد ، این نوع محلول در آزمایشات مشخص در بتن خود تراکم([2]SCC) به کار گرفته شده است . نانو سیلیس معلق کاربردهای چند منظوره از خود نشان می دهد مانند:

خاصیت ضد سایش

ضد لغزش

ضد حریق

ضد انعکاس سطوح  

آزمایشات نشان داده اند که واکنش مواد نانو سیلیس (Colloidal Silica ) با هیدرواکسید کلسیم در مقایسه با میکرو سیلیکا بسیار سریع تر انجام گرفته و مقدار بسیار کم این مواد همان تاثیر پوزالانی مقدار بسیار بالای میکرو سیلیکا را در سنین اولیه دارا می باشد .

تمام کارهای انجام یافته بر روی کاربرد مواد نانو سیلیس کلوئیدی (Colloidal Nano Silica ) در بخش اصلاح خواص ریولوژی ، کار پذیری و مکانیکی خمیر سیمان بوده است . آنچه که در اینجا مطرح است نتایج اولیه محصولات نانو سیلیس با قطری در محدوده 5 تا 100 نانومتر می باشد .

5. نانو لوله ها(NANOTUBES)

همان گونه که در مقدمه مقاله مطرح شد معمولاً الیاف برای مسلح کردن و اصلاح عملکرد مکانیکی بتن بکار برده می شوند . امروزه از الیاف فلزی ، شیشه ای ، پلی پروپلین ، کربن و  . . . در بتن برای مسلح کردن استفاده می شود و لیکن تحقیقات روی بتن مسلح شده توسط نانو لوله کربنی (Carbon Nanotubes  ) انتشار نیافته است تا بتوان از نتایج آن برای مسلح کردن بوسیله نانو لوله ها استفاده کرد .

نانو لوله کربنی توسط LIJIMA در سال 1991 کشف شده است و کارهای بسیاری بر روی ساختار نانو در بخش فیزیک کوانتوم انجام یافته است بطوری که تحقیقات نوین بر روی تکنولوژی و مهندسی نانو در سطح جهانی نقش اساسی و اصلی بازی می کند . کربن 60 و نانو لوله های نوین دارای ساختاری هستند که آنها را از فولاد قوی تر و بسیار سبک می کند بطوریکه می توانند خمیدگی و کشش را بدون شکستن تحمل نمایند و در آینده جایگزین الیاف کربن خواهند شد که در کامپوزیت ها به کار برده می شوند .

نانو لوله ها با توجه به تحقیقات انجام شده در مرکز تحقیقات بتن( وابسته به موسسه ACI شاخه ایران ) ، دارای مقاومت کششی بیش از هر نوع الیاف بتنی شناخته شده می باشند و نیز نانو لوله ها خواص ویژه قابل ملاحظه حرارتی و الکتریکی از خود نشان می دهند ، بطوریکه هادی بودن حرارت آنها بیش از دو برابر الماس و هادی بودن الکتریکی آنها در حدود 1000 برابر فلز مس می باشد . 

نانو لوله ها طبقه جدیدی از محصولات می باشند که انقلابی جدید در زمینه مصالح و مواد پیشرفته را بوجود آورده اند . یک نسل جدید از نانو کامپوزیت های چند منظوره می توانند به عنوان نانو لوله های کربنی در نقش الیاف مسلح کننده مناسب آن مواد مورد استفاده قرار گیرند . بنابراین نانو لوله های کربنی از اجزای کلیدی بدست آوردن هدف اصلی ذکر شده در فوق به عنوان مصالح ساختمانی با عملکرد بالای چند منظوره , بازی می کنند .

6. نتیجه گیری

  منظور از مقاله ارائه شده نشان دادن مصالح جدید ساختمانی و بیان مزایای استفاده از این نوع مواد در صنعت ساختمان می باشد ، البته به دلیل نو بودن این نوع مصالح زمینه های فراوانی برای کارهای نظری و عملی در دانشگاههای کشور وجود دارد که امید است که با معرفی مصالح با ساختار نانو راه برای گامهای بلندتر در این زمینه باز شود .