یکی از مزایای پیشنهادی نانو تکنولوژی در بتن و سیمان، استفاده بالقوه از مواد حاشیه ای و بازیافتی است. محققان دریافتند که نانو تکنولوژی می تواند سیستم هایی را برای پوشش یا اصلاح مواد مشکل ساز ارائه دهد، و آن ها را در ساخت و ساز بتن قابل استفاده کرده و به طور بالقوه قابلیت اقتصادی آن را افزایش دهد. مزیت پیشنهادی دیگر، توانایی نانو تکنولوژی برای جلوگیری از ترک و کاهش انقباض در بتن است. نانو تکنولوژی ممکن است ابزارهایی را برای اصلاح انقباض سیستم های سیمانی هیدراته، کاهش نیاز به اتصالات، به حداقل رساندن پیچش در اثر تغییرات دما و کاهش تاب برداشتن به دنبال از دست دادن رطوبت ارائه دهد.
سومین مزیت پیشنهادی کاهش بالقوه در نفوذپذیری است. اگر فناوری نانو بتواند نفوذ ناپذیری را در بتن ایجاد کند، قادر خواهد بود که به طور قابل توجهی عمر روسازی ها و سازه های بتنی را افزایش دهد. استفاده از ابزارها و مواد مبتنی بر فناوری نانو برای نظارت و اصلاح نفوذ پذیری می تواند به سازه‌های بتنی با دوام تر منجر شود.
نانوتکنولوژی را می توان به عنوان اکتشاف، مشاهده و تغییر در رفتار و عملکرد مواد در مقیاس نانو، علمی و مهندسی توصیف کرد. تمرکز نانوتکنولوژی درک و دست کاری ماده در سطح مولکولی است که بر خواص توده ای مواد تأثیر می گذارد. در حوزه مهندسی عمران، فناوری نانو در رشته های مختلف گسترش یافته است و همکاری میان مهندسان، دانشمندان، مبتکران و محققان توسعه پایدار را تقویت می‌کند.
این پیشرفت ها اکنون کاربردهایی در مهندسی عمران و صنعت معماری، به ویژه در افزایش خواص سیمان و بتن پیدا کرده اند. اگرچه سیمان و بتن قرن هاست که مورد استفاده قرار گرفته اند، اما چالش ها همچنان ادامه دارد. به طور سنتی، موادی مانند سیمان و بتن ابتدا توسعه یافتند و کاربردهای بالقوه بعداً مورد بررسی قرار گرفت. با این حال، فناوری نانو امکان طراحی متمرکز مواد را برای اهداف خاص فراهم می کند. مهندسان می توانند محصول نهایی مورد نظر را تعریف کنند و سپس موادی را که به بهترین وجه برای دستیابی به آن مناسب است، طراحی نمایند.
پشرفت های نانوتکنولوژی در بتن
حجم خالص تولید جهانی بتن، با 2.31 میلیون تن سیمان در سال 2005 (انجمن سیمان پرتلند 2007)، نیاز به تمرکز بر پایداری برای کاهش اثرات زیست محیطی دارد. بتن نه تنها باید نیازهای فعلی را برآورده کند، بلکه باید از انتظارات برای بهبودهای بلند مدت نیز فراتر رود. ادغام فناوری نانو در بتن و سیمان مزایای متعددی دارد. نانوتکنولوژی ابزارهایی را برای افزایش تولید سیمان، بهبود خواص بتن و ایجاد انقلابی در نظارت بر عملکرد در اختیار محققان قرار می دهد.
نانو تکنولوژی همچنین می تواند خواص سخت شدن بتن، به ویژه مقاومت فشاری آن را افزایش دهد. استفاده از نانو لوله ها در افزایش مقاومت فشاری نوید بخش است و نانو تکنولوژی می تواند پیوند خمیر سنگدانه را برای افزایش بیشتر این استحکام بهبود بخشد. همچنین تلاش هایی برای افزایش مقاومت کششی بتن با استفاده از فناوری نانو در حال انجام است. بهبود استحکام کششی ضعیف می تواند توانایی سازه ها و روسازی ها را در تحمل بارهای دینامیکی افزایش داده و عمر مفید آن ها را افزایش دهد. با قابلیت تأثیرگذاری بر خواص بتن در مقیاس نانو، پرداختن به جنبه های مشکل ساز در ترکیب سازه های بتنی می تواند منجر به بهبود بسیاری از خواص سخت شده بتن شود.
فراتر از خواص مکانیکی، نانو تکنولوژی می تواند استفاده از بتن را با افزایش فرآیند های ساخت و ساز بهبود بخشد. استفاده از نانو تکنولوژی در بتن اکسپوز، این پتانسیل را دارد که ساخت و ساز را ساده کند، مشکلات مرتبط را کاهش داده و نتایج یکنواخت تر را ارتقا دهد. استفاده از فناوری نانو در تولید بتن مزایای مختلفی دارد. روش های نوآورانه بچینگ و نظارت پیشرفته بر تنوع مواد تشکیل دهنده، نوید بخش بهینه سازی فرآیند تولید و در نتیجه ساخت سازه های بتنی برتر است.
تأثیر زیست محیطی نانوتکنولوژی بر تولید بتن، به ویژه در کاهش انتشار دی اکسید کربن (CO2) قابل توجه است. فرآیند تولید سیمان مقدار قابل توجهی از CO2 را به عنوان یک آلاینده تولید می کند و صنعت سیمان را به سهم عمده در سطوح CO2 جوی تبدیل می نماید. نانوتکنولوژی فرصتی برای کاهش این تاثیر و رسیدگی به نگرانی های جهانی در مورد انتشار CO2 ارائه می دهد. نانو تکنولوژی همچنین می‌تواند فرآیند پخت بتن را بهبود بخشد و چالش های رایج ناشی از زمان بندی ساخت و ساز یا دانش ناکافی را برطرف کند. نانو تکنولوژی با تامین رطوبت داخلی برای هیدراتاسیون، فرآیند پخت بتن را ساده کرده و به شیوه های ساخت و ساز موثرتر کمک می کند.
یکی دیگر از مزایای قابل توجه، پتانسیل نانو تکنولوژی برای افزایش طول عمر روسازی ها و سازه ها با پرداختن به مکانیسم های زوال مرتبط با مواد است. کنترل یا حذف واکنش های نامطلوب در مقیاس نانو می تواند دوام کلی سازه های بتنی را بهبود بخشد. از نظر اقتصادی تخمین زده می شود که ادغام فناوری نانو در بتن پیش ساخته صرفه جویی قابل توجهی را به همراه داشته باشد. با توجه به هزینه قابل توجه جایگزینی ساختارهای در حال فرسودگی، نانو تکنولوژی از نظر اقتصادی توجیه پذیر بوده و برای جلوگیری از خرابی های زودرس در ساخت و سازهای جدید ضروری است.
در حالی که نانو تکنولوژی بدون شک خواص بتن را بهبود می بخشد، تأثیر بالقوه آن بر مهندسی عمران بسیار فراتر است. کارشناسان تأثیر اجتماعی نانو تکنولوژی را با انقلاب صنعتی مقایسه می‌کنند و یک تغییر انقلابی را به سمت توسعه پایدار و با عملکرد بالا ارائه می‌کنند. نانوتکنولوژی با کاهش مصرف مواد خام و انرژی، افزایش بهره وری منابع و افزایش طول عمر سازه های حمل و نقل به پایداری کمک می کند. ارزیابی های چرخه حیات را افزایش داده و ردپای زیست محیطی جاده ها و پل ها را کاهش می دهد.
ماهیت انقلابی فناوری نانو این پتانسیل را دارد که ساختار بتن و کل رشته مهندسی عمران را تغییر دهد. هدف نانو تکنولوژی که به عنوان دستکاری مواد در سطح اتمی و مولکولی تعریف می شود، درک و کنترل ماده در مقیاس مولکولی است که در نتیجه بر خواص مواد در سطح کلان تأثیر می گذارد. برخلاف فرآیند های سنتی که با مواد موجود آغاز می شوند و به دنبال استفاده های کاربردی هستند، فناوری نانو امکان توسعه مواد متناسب با فرآیند های خاص را فراهم می کند و این پیشرفت، امکانات بی شماری را با تأثیر اجتماعی بالقوه مشابه انقلاب صنعتی به وجود آورده است.
رویکرد اصلی نانوتکنولوژی در بتن
- رویکرد «بالا به پایین» که در آن ساختارهای بزرگ تر به مقیاس نانو کاهش می یابند در حالی که خواص اصلی خود را بدون کنترل سطح اتمی حفظ می‌کنند (مثلاً کوچک سازی در حوزه الکترونیک) یا از ساختارهای بزرگ تر به قطعات کامپوزیتی کوچک تر تجزیه می شوند.
- رویکرد «پایین به بالا» که «نانو فناوری مولکولی» یا «ساخت مولکولی» نیز نامیده می شود که در آن مواد از اتم ها یا اجزای مولکولی از طریق فرآیند مونتاژ یا خود آرایی مهندسی می شوند، بنابراین مفهوم اساسی پشت اصلاح نانو مواد همان مهندسی از پایین به بالا است که با تغییرات مهندسی شده در ساختار مولکولی با هدف تأثیرگذاری بر خواص توده ای مواد شروع می شود.
نانوذرات که با قطر متوسط در مقیاس نانو مشخص می شوند (1 نانومتر تا 1000 نانومتر)، انواع مختلفی مانند نانو سیلیس، نانوذرات SiO2، نانورس و نانوسیمان را در بر می گیرند. نانو سیلیس و نانو SiO2 هر دو محصولاتی هستند که معمولاً با روش سل-ژل ایجاد می شوند، به عنوان افزودنی در خمیر سیمان و پرکننده استفاده شده و در نهایت هیدراتاسیون را تحریک کرده و به عنوان نانو پوشش عمل می کنند. نانورس ها که از خاک های با خالص سازی بالا به دست می آیند، تأثیر قابل توجهی در بتن های خود یکپارچه برای سنگ فرش های لغزشی نشان داده اند. نانو سیمان، با قطر متوسط حدود 100 نانومتر، در بتن‌های پودری راکتیو (RPC) کاربرد دارد.
نانو الیاف و نانو لوله ها به عنوان الیاف و لوله در مقیاس نانو تعریف می شوند. طول تقریبی نانو الیاف 200 نانومتر و نانولوله ها 20 نانومتر می باشد. نانو الیاف کربن و نانو لوله ها تنها الیاف و لوله های موجود در مقیاس نانو هستند. آن ها خواص مکانیکی بسیار خوبی از خود نشان می دهند و موضوع تحقیقات زیادی در مورد کاربردهای احتمالی آن ها بوده است. آن ها در سیمان و بتن برای بهبود مقاومت فشاری و کششی سیمان و بتن با جلوگیری از تشکیل نانو ترک استفاده می شوند. ثابت شده است که نانو الیاف و نانو لوله ها در بهبود خواص بتن دگرگون کننده هستند. اهمیت ویژه نانوتگنولوژی در بتن، افزایش سطح بسیار زیاد ذرات در مقیاس نانو است. با افزایش سطح به ازای هر جرم یک ماده، مقدار بیشتری از ماده می تواند با مواد اطراف تماس پیدا کند و در نتیجه بر واکنش پذیری تأثیر می گذارد. به طور کلی افزودنی بتن در فناوری نانو انواع مختلفی دارند، که برخی از آن ها عبارتند از:
- نانو ذرات سیمان
- نانو سیلیس ها SiO2
- نانو ذرات رس
- دی اکسید تیتانیا TiO2
- نانو ذرات اکسید آهن
- نانو الیاف ها
- نانو ذرات اسید آلومینیوم
- نانو پوشش ها
استفاده از ذرات نانو و به کارگیری نانوتکنولوژی در بتن تغییرات قابل توجهی در خصوصیات این ماده ساختمانی ایجاد می‌کند، که از جمله مهم ترین آن ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:
- هنگامی که مقداری از ذرات نانو به صورت یکنواخت در ملات سیمان پخش می شوند، این ذرات به عنوان هسته های محکم به سیمان هیدراته شده چسبیده و به دلیل فعالیت شدید، زمان هیدراتاسیون سیمان را افزایش می‌دهند که این امر برای مقاومت ملات سیمان بسیار مطلوب است.
- ذرات نانو در میان مواد حاصل از هیدراتاسیون قرار گرفته و از رشد و بزرگ شدن بلورهای اترینگایت و هیدروکسید کلسیم جلوگیری می‌کنند.
- ذرات نانو به عنوان یک ماده پرکننده، حفره های سیمان را پر کرده و مانند دوده سیلیس، مقاومت بتن را افزایش می دهد.
- استفاده از درصد کمی از نانوسیلیس در بتن، به افزایش چشم گیری در مقاومت فشاری آن منجر می شود.
- روند افزایش مقاومت فشاری با گذر زمان با استفاده از ذرات نانو در بتن افزایش می یابد.
- استفاده از نانوسیلیس در بتن، بهبود در ریز ساختارهای آن و کاهش اندازه تخلخل‌ها را ایجاد می کند.
- با به‌کارگیری ذرات نانو در بتن، می توان به بتنی با نفوذ پذیری بسیار کم دست یافت که این خود در ساخت سازه هایی که نشت آب در آن ها حائز اهمیت است، مانند مخازن آب شرب، ضروری به نظر می رسد.
- استفاده از ذرات نانو، دوام بتن را افزایش داده و به عبارتی مقاومت در برابر نفوذ مواد مهاجم نظیر یون کلر و خطر کربناسیون را کاهش می دهد.
نانوذرات که نتیجه فناوری نانو هستند، با اعمال در صنعت مصالح سیمانی، توانسته اند ساختار آن ها را بهبود بخشیده و تحت تأثیر قرار دهند. با وجود تحقیقات گسترده در زمینه نانوتکنولوژی در رشته های مختلف از جمله تانوتکنولوژی در بتن، متأسفانه، این تکنولوژی هنوز به درستی توسط طراحان و مجریان در صنعت بتن درک نشده اگر چه تا کنون بودجه و تلاش زیادی برای توسعه فناوری نانو به کار گرفته شده است. با وجود اینکه سیمان و بتن ممکن است تنها بخش کوچکی از این تلاش کلی را تشکیل دهند، تحقیقات در این زمینه می تواند سود بسیار زیادی در زمینه پیشرفت های تکنولوژیکی و مزایای اقتصادی داشته باشد.
بدون دیدگاه