فناوری نانو در بتن

اصلی ترین عاملی که فناوری نانو را برای طراحی های آینده انتخاب می کند پتانسیل بالقوه فناوری نانو در ساخت مصالحی است که با استفاده از آن می توان به بالاترین حد رفع نیازهای انسان رسید ، که از این میان می توان به تأثیر این فناوری بر صنعت بتن اشاره کرد.
فناوری نانو:
کاربرد فناوری نانو در تحول سایر فناوری ها، تأثیر بسزایی بر سلامت و آسایش مردم دارد. امروزه کشورهای مختلف با بهره گیری از فناوری نانو و تلفیق آن با سایر تخصص ها به دستاوردهایی رسیده اند که از آن جمله می توان به هزینه های تولید و نگهداری کمتر، مصرف انرژی پایین و طول عمر بیشتر اشاره کرد.

رابطه فناوری نانو و معماری:

در دنباله معماری ارگانیک فرانک لوید رایت که در آن هدف خلق ساختارهایی در سازگاری با طبیعت بود، امروزه این مسأله در قالب معماری پایدار و افق جدید آن یعنی نانو تکنولوژی مطرح و مورد بحث و بررسی قرار می گیرد. از آنجا که با استفاده از دستاوردهای فناوری نانو یک ساختمان در زمان ها و مکان های مختلف می تواند رفتارهای متفاوتی از خود نشان دهد، سخت و غیر قابل انعطاف و یا نرم و سیال- تئوری های شناخت مواد به طور کلی دگرگون می شوند. در واقع مصالح، هویت ثابت خود را از دست می دهند و دیگر معماری در زمان و مکان محدود نخواهد شد. مدرک بی واسطه و مستدل برخورد مستقیم فناوری نانو با معماری، مصالح (تولیدات فیزیکی) هستند که عموماً کاربری های گوناگونی به ساختمان ها می بخشند. چنین مصالحی امکانات تازه ای را برای تکمیل و بهبود شئی معماری و اندیشیدن درباره شکل جدیدی از زندگی، بوجود می آورند.

نانو تکنولوژی در بتن:

بتن از پرکاربردترین مصالح ساختمانی است. این ماده مصنوعی بیشترین تولید سالیانه را دارد. همچنان می توان مصالح سیمانی وبتنی را از پرمصرف ترین مصالح ساختمانی دانست ، بنابراین بتن مانند موتور صنعت ساختمان می باشد. ویژگی برجسته بتن به علت ارزان بودن ومصرف کم انرژی دارای ویژگی های خاص خود می باشد. بیش از۹۰درصد پوسته اصلی زمین اکسید سیمان است و می توان گفت منبعی غنی ازمواد اولیه در دسترس است. تمام تحولات ساختمانی سالانه بر روی بتن به تقریب ۱۰۰ میلیارد دلاراست. متخصصان پیوسته در حال انجام آزمایش برروی کیفیت روزافزون این مصالح هستند. درصورتی که مشخصه و ویژگی های ذاتی این مصالح مانند مقاومت با دیگرمصالح کم به نظر می رسد. ازویژگی بتن این است که در دمای اتاق این سیال به ماده ای جامد و صلب تبدیل می شود و در این فرایند ده ها ماده شیمیایی وارد چرخه واکنش شیمیایی می شوند. برخلاف هرنوع ماده دیگر با گذشت زمان خاصیت تداوم ومقاومت بتن را بیشترمی کند.
این ماده پرکاربرد دارای مقیاس چندگانه است. سنگدانه های مورداستفاده دربتن درحد میلیمتری هستند و نکته حایز اهمیت اینکه این مواد و مصالح با مقیاسهای متفاوت درکنار هم عمل می کنند تا بتن تشکیل شود. بتن ماده ای ویسکوالاستیک است واین به دلیل وجودفاز C-H-S است . باشناخت ساختار نانو مقیاس می توان دریافت که دلیل خزش بتن در مقیاسهای مختلف چیست وحتی دیگرویژگی های بتن را می توان به کمک تفحص در مقیاس نانو درک کرد.
با اینکه فناوری نانو اندکی دیربه قلمرو بتن وارد شد این تاخیر را می توان به دو عامل نسبت داد: یکی نداشتن درک ودانش کامل ازترکیبات شیمیایی و فیزیکی بتن، و دیگری نحوه بهبود وارتقای کیفی در ماده ای مانند بتن که ماده ای مایع و جامد است.تاثیرات آینده فناوری نانو دربتن که باید این اوصاف موردبررسی قرارگیرد:
۱-ریزدانه ها
۲-خمیرسیمان
۳-محدوده گذر بین سطحی ITZ: محدوده ای که خمیرسیمان ،سنگدانه درشت رادربرمی گیرد. البته ابعاد سنگدانه ها ۳ تا ۴ برابربزرگتر ازوسعت محدوده ITZ است اما میکرو ساختاربتن رفتارهای مکانیکی بحرانی خودرا در این زمینه ودر مقیاس گوناگون به اجرا می گذارد.برای شناخت بتن وخاصیتهای آن باید به بررسی وتجزیه وتحلیل ITZ پرداخت،بنابراین این ناحیه درنقش ضعیف ترین ناحیه اتصال دربتن عمل می کند و بیشترین میکروترکها دراین ناحیه بروز می کند.
با بوجود آمدن نگرش هایی که بر پایه نانو فناوری است پتانسیلی برای مصالح شناسان فراهم شد تا بتوانند به تغییرات اساسی در ساختار این مواد به وجود آورند. می توان گفت همه ویژگی های بتن و دیگر مصالح پایه سیمانی ، ناشی از فرایند هیدراسیون آن است درک بهتررفتار وساختاربتن در مقیاس نانو به ما کمک خواهد کرد تا ویژگی مطلوب بتن بهبود یابد. افزایش دوام ، کاهش شکنندگی (تردی) و افزایش مقاومت کششی خاصیت هایی هستند که می توان با افزودنی های خاص آنها را برای بتن بدست آورد. افزودن مواد نانو به سیمان ویژگی های عملکردی آن را افزایش می دهد ، مثلا نانو سیلیس ها می تواند به نحو مطلوبی بر مقاومت فشاری بتن تاثیر بگذارد. دوغابی که از نانوسیلیس آمورف سبب افزایش مقاومت بتن نمای خود متراکم در برابر جدایی سنگدانه ها می شود وعلاوه براین می توان افزون مقادیر ناچیزی ازنانو لوله ای کربنی می تواند سبب افزایش مقاومت فشاری و خمشی بتن شود. ترک خوردگی یکی از مهمترین عواملی است که باعث نگرانی مهندسان در سازه بتنی می باشد. با استفاده از پلیمرهای معالج بتن اثر ترک خوردگی را می توان کمتر کرد که شامل کپسولهای ریز متشکل از عامل درمانی بتن و ماده محرک شیمیایی است در صورت ایجاد ترک این ماده آزاد شده و با ماده محرک تماس پیدا می کند. بعد از انجام این تماس پلیمر ریزاسیون آغاز شده و دو طرف ترک به هم می چسبند این روش مستلزم تزریق اپوکسی که هزینه زیادی دارد می شود . قرارگیری حسگرهای میکرو و نانو الکترومکانیکی متخصصان را قادر کرده تا بتوانند ویژگی ها و عکس العمل های بتن را در مراحل مختلف آمیختن، ریختن ، گیرش و بارگذاری بررسی کنند. این حسگرها درک ما را از فرایند هیدراسیون بتن و نابود شدن احتمالی وترکها ارتقاء می دهد وعلاوه بر این ازهیدروژل های فعال محیطی در بتن استفاده می شود که امکان حسگری و واکنش دهی نسبت به محرک های محیطی نظیر رطوبت و دما را فراهم می کند.

نقش نانو در بهبود کیفیت بتن:
یکی از عواملی که روشهای سنتی ساختار خمیر سیمان را منسوخ می کند فقدان نظم بلوری در این ماده است. دانشمندان توانسته اند شفافیتی بیشتر از ساختار اتمی آب سیمان را به تصویر بکشند. روشن ترین مسیری که در استفاده از نانو مواد در کیفیت بتن وجود دارد در مراحل تولید بتن یعنی ایجاد روشهای آسان در فرایند ساخت و هم چنین ویژگی نهایی بتن سخت شده است. اصولا اصلاح سنتی از ضعفهای بتن با تضعیف ویژگی مثبت دیگری توام بوده و استفاده از افزودنی در بتن دارای اشکالاتی می باشد اما فناوری نانو مزیت های بیشتری را به بتن اضافه می کند و می توان بتن را همچنان در سطح بهترین وبالاترین و با کیفیت ترین مصالح در نظر گرفت. افزودن نانو ذرات سیلیس به مصالح پایه سیمانی از تضعیف واکنش اصلی در ان می کاهد و همچنین از حجم حفره هایی که پس از سخت شدن می توانند در محلی تجمع کنند را کم می کند و به این ترتیب بر دوام بتن می افزاید. نانو سیلیکا که به عنوان مواد افزودنی به بتن به شکل گرد یا دوغاب مصرف می شود باعث جلوگیری ازجداشدن سنگدانه ها در بتن خود متراکم شونده و دوام بتن سخت شده می شود. خاکستر بادی از مصالحی است که می تواند در ارتقاء بخشیدن به مقاومت و پایداری زیست محیطی بتن را کمک کند. البته یکی از مهمترین ضعفی که بر استفاده از خاکستربادی است کاهش سرعت بتن در جذب مقاومت اولیه و زیاد شدن مدت زمان مراقبت از آن در مقایسه با بتن معمولی است. همچنین استفاده از نانو ذرات هماتیت علاوه بر افزایش مقاومت بتن با تغییر مقاومت الکتریکی توده بتن کارکرد را مناسب تر و پایش سطح تنش وارد شده به بتن را هموارتر می کند. نانو ذرات سیلیکا سبب رشد فرایند هیدراسیون بتن شده و مقاومت سه روزه را افزایش می دهد. نانو ذرات سیلیکا به عنوان پیشگیری کننده از رسوب زود هنگام در هسته مرکزی ظاهرشده و زمان گیرش را کم می کند و رفتار پوزولانی این نانو ذرات باعث می شود بر هم کنش بین سنگدانه وخمیر سیمان بهبود یابد. یکی دیگر از نانو ذرات که سبب ارتقای ویژگی بتن می شود دی اکسید تتانیوم است که این ماده به دلیل ویژگی های استریل کننده و واکنش پذیری کاتالیتیک قوی در سیمان رنگ وشیشه های پنجره نیز استفاده می شود و به دلیل رنگ سفید آن به شکل بارزی نسبت به رنگ بتن مورد توجه قرار می گیرد به طور کلی نانو ذرات به عنوان مراکز کریستال سازی عمل کرده که این ابعاد ریز نانو ذرات باعث می شود تا بتوان راحت تر حفره ها و فضاهای خالی را پر کند و به عنوان پرکننده تاثیر بیشتری بر خلل و فرج وچسبندگی بهتر بین خمیر سیمان وسنگدانه بر جای بگذارد و مقاومت فشاری آن را ارتقاء می دهد و از آثار مطلوب استفاده از ذرات نانو بنیان افزایش کندروانی خمیر بتن پیش از زمان گیرش است که موجب می شود حالت تعلیق سنگدانه بهترشده و کارپذیری بتن هم افزایش یابد.

فناوری نانو و بتن های ویژه:
۱- بتن الیافی
۲- بتن خودمتراکم
۳- نانوبتن هوشمند گرمازا
علم نانو و مهندسی نانو که گاهی با عبارت بهسازی نانویی در بتن بیان می شوند، عناوینی هستند که برای توصیف دو مسیر در تحقیقات نانو تکنولوژی در بتن استفاده می شوند. استفاده از نانو تکنولوژی در صنعت بتن به چند سال اخیر برمی گردد. از حدود ۸۰ سال پیش تاکنون استفاده از سیلیکا در ابعاد میکرون به صورت گسترده ای در بتن های پایه سیمانی مورد استفاده قرار گرفته است. ثابت شده است که استفاده از ذرات ریزتر از میکرو سیلیس باعث افزایش مقاومت فشاری بتن گردیده است. علم نانو مربوط است به اندازه گیری و توصیف ساختار مواد پایه سیمانی در مقیاس نانو و میکرو برای درک بهتر رفتار در مقیاس بزرگ (ماکرو) و عملکرد آن از طریق استفاده از تکنیک های پیشرفته توصیف و مدل سازی مربوط به سطح اتمی یا ملکولی. نانو مهندسی شامل تکنیک های دستکاری ساختار در مقیاس نانومتری به منظور ایجاد نسل جدید و مناسب کامپوزیت های سیمانی با رفتار مکانیکی ایده آل است و حتی می توان بتن با خواص جدیدی مثل مقاومت الکتریکی پایین، هوشمند ، خود تمیز کننده، خود ترمیم کننده، شکل پذیری بالا و … به وجود آورد.
فعالیت های تحقیقاتی اخیر در زمینه نانو تکنولوژی در بتن شامل: بررسی ذاتی هیدراسیون در سیمان، تاثیر اضافه کردن نانو سیلیکا به بتن، اضافه کردن نانو ذرات به سیمان، بتن و پوشش های سیمانی و مشاهده تاثیرات آنها بر رفتار و مشخصات ایجاد شده است.

بهبود خواص سیمان و بتن:
بتن از جمله مواد و مصالح ساختمانی است که فناوری امید بخش نانو، قدری دیرتر به قلمرو آن نفوذ کرده است. افزودن مواد نانو مقیاس به سیمان، می تواند ویژگی های عملکردی آن را ارتقا دهد. روشن ترین مسیری که در استفاده از نانو مواد در بهبود بتن وجود دار؛ در مراحل ساخت خود بتن یعنی ایجاد سهولت در فرایند ساخت و همچنین ویژگی های نهایی بتن سخت شده است. فناوری نانو این مزیت را دارد که با اصلاح ضعف ها، مشکلاتی در زمینه دیگر ویژگی های بتن ایجاد نمی کند. تحقیقات انجام گرفته نشان می دهد که بهره گیری از ذرات در مقیاس نانو باعث بهبود خواص مکانیکی و افزایش کیفیت بتن می شود. به عنوان مثال «نانو سیلیس سبب بهبود تراکم ذرات می شود، استحکام بتن را افزایش می دهد و … . استفاده از دی اکسید تیتانیوم سبب ایجاد خاصیت خود تمیز شوندگی و ضد عفونی کنندگی بتن می شود و رنگ سفید و درخشندگی به بتن می دهد». «نانو آلومینیوم نیز محصولی است که مقاومت فشاری بتن را تا حدودی افزایش می دهد و با مقاومت بیشتر سازه در برابر بارهای وارده، پایداری بنا را افزایش می دهد. نانو تیتانیوم از نفوذ پذیری یون کلر در بتن و تخریب و خوردگی آرماتور جلوگیری کرده و عمر ساختمان را افزایش می دهد». از سوی دیگر استفاده از روکش های مبتنی بر فناوری نانو می تواند به حفاظت بیشتر از بتن در برابر شرایط محیطی خورنده همچون دریا کمک شایانی نماید. علاوه بر این موارد می توان به بتن با عملکرد بالای چند منظوره، ویژگی های دیگری را اضافه نمود که از این میان می توان به خاصیت الکترومغناطیسی، قابلیت به کارگیری در سازه های اتمی و افزایش موثر بودن آن در حفظ انرژی ساختمان اشاره کرد.

بتن با عملکرد بالا:
یکی از چالشهایی که در بخش مصالح ساختمانی بوجود آمده است، بتن با عملکرد بالا (High Performance Concrete) می باشد. این نوع بتن مقاوم از نوع مصالح کامپوزیت بوده و از نظر دوام جزء مصالح کامپوزیت و چند فازی مرکب و پیچیده می باشد. خواص، رفتار و عملکرد بتن بستگی به نانو ساختار ماده زمینه بتن و سیمان دارد که چسبندگی، پیوستگی و یکپارچگی را بوجود می آورد. بنابراین مطالعات بتن و خمیر سیمان 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.منبع: ویکی پدیا