کاربرد مواد نانو ساختار در صنعت ساختمان

عنوان :

کاربرد موادنانو ساختار در صنعت ساختمان

کلید واژهها : بتون,ساختمان,مصالح ساختمانی,نانوکمپوزیت

نویسندگان :دکتر ارژنگ صادقی,رحیم هاشم زاده

نکات برگزیده

به دلیل نو بودن این نوع مصالح زمینه های فراوانی برای کارهای نظری وعملی در دانشگاههای کشور وجود دارد که امید است که با معرفی مصالح با ساختار نانوراه برای گامهای بلندتر در این زمینه باز شود

هدف نهایی از بررسی مواد در مقیاس نانو ، یافتن طبقه جدیدی از مصالحساختمانی با عملکرد بالا می باشد ، که آنها را می توان به عنوان مصالحی با عملکردبالا و چند منظوره اطلاق نمود

خلاصه

مواد نانو (Nanoparticular) به موادی گفته می شود که حداقل یکی ازابعاد آن (طول , عرض , ضخامت ) زیر ۱۰۰nm باشد . مواد نانو ساختار با توجه بهرفتارهای بارزی که از خود نشان داده اند مورد توجه بخش صنعت و دانشگاه در دهه هایاخیر قرار گرفته اند . در این میان صنعت ساختمان با توجه به نیازهای خود چه از نظراستحکام , مقاومت و دوام و نیز کارایی بالا از استفاده کنندگان مهم مواد نانوساختار (Nanostructure Materials ) به شمار می رود

مقدمه:

مواد نانو به عنوان موادی کهحداقل یکی از ابعاد آن (طول ، عرض ، ضخامت ) زیر ۱۰۰nm باشد تعریف شده اند ،یک نانومتر یک هزارم میکرون یا حدود ۱۰۰۰۰۰ برابر کوچکتر از موی انسان است . به طورکلی ،در یک تقسیم بندی عمومی ، محصولات نانو مواد را می توان به صورت های زیر بیانکرد : · فیلمهای نانو لایه ( Nano Layer Thin Films ) برای کاربردهای عمدتاًالکترونیکی · نانو پوششهای حفاظتی (Nano Coating ) برای افزایش مقاومت در برابرخوردگی ، 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 تشکیلدهنده 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 ازجمله ذرات ، الیاف ، گلوله و . . . ) در مقایسه با مواد میکروسکوپی تفاوت اساسیدارند . تغییرات اصولی که وجود دارد نه تنها از نظر کوچکی اندازه بلکه از نظر خواصجدید 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 توانبه عنوان مصالحی با عملکرد بالا و چند منظوره اطلاق نمود . منظور از عملکرد چندمنظوره ، ظهور خواصی جدید و متفاوت نسبت به خواص مواد معمولی می باشد به گونه ای کهمصالح بتوانند کاربردهای گوناگونی را ارائه نمایند .

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

۲٫ مواد نانو کمپوزیت :

مواد نانو کمپوزیت برپایه پلیمر (ماتریس پلیمری ) اولین بار در سالهای ۷۰ معرفی شده اندکه از تکنولوژیسول- ژل(Sol-Gel) جهت انتشار (Disperse) دادن ذرات نانو کانی درونماتریس پلیمر استفاده شده است .

هرچند تحقیقات انجام شده در دو دهه گذشته برایتوسعه تجاری این مواد توسط شرکت تویوتا در ژاپن در اواخر سالهای ۸۰ صورت گرفته است، ولی رشته نانو کمپوزیت پلیمر هنوز در مرحله جنینی و در آغاز راه می باشد .

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

۳٫ بتن با عملکرد بالا ([۱]HPC) :

یکی از چالشهایی که در رشته مصالحساختمانی بوجود آمده است ، بتن با عملکرد بالا(HPC ) می باشد . این نوع بتنمقاوم از نوع مصالح کامپوزیت بوده و از نظر دوام جزو مصالح کامپوزیت و چند فازیمرکب و پیچیده می باشد . خواص ، رفتار و عملکرد بتن بستگی به نانو ساختار مادهزمینه 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 ساختمانیجدید و کاربرد آنها بسیار حائز اهمیت می باشد . روش معمولی برای توسعه بتن باعملکرد بالا اغلب شامل پارامترهای مختلفی از جمله طرح اختلاط بتن معمولی و بتن مسلحبا انواع مختلف الیاف می باشد . در مورد بتن به طور خاص ، علاوه بر عملکرد با دوامو خواص مکانیکی بهتر ، بتن با عملکرد بالای چند منظوره (MHPC) خواص اضافهدیگری را دارا می باشد ، از جمله می توان به خاصیت الکترو مغناطیسی ، و قابلیت بهکار گیری در سازه های اتمی (محافظت از تشعشعات ) و افزایش موثر بودن آن در حفظانرژی ساختمانها و … را نام برد .

۴٫ نانو سیلیس آمورف :

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

محصولمعمولی همان سلیکیافیوم یا میکرو سیلیکا می باشد که دارای قطری در حدود ۱/۰ تا ۱میلی متر می باشد و دارای اکسید سیلیس حدود ۹۰% می باشد . می توان گفت که میکروسیلیکا محصولی است که در محدوده بالای اشل اندازه نانو متر جهت افزایش عملکردکامپوزیت مواد سیمانی به کار برده می شود .

محصول نانو سیلیس متشکل از ذراتیهستند که دارای شکل گلوله ای بوده و با قطر کمتر از ۱۰۰nm یا بصورت ذرات خشکپودر یا بصورت معلق در مایع محلول قابل انتشار می باشند ، که مایع آن معمول تریننوع محلول نانو سیلیس می باشد ، این نوع محلول در آزمایشات مشخص در بتن خودتراکم([۲]SCC) به کار گرفته شده است . نانو سیلیس معلق کاربردهای چندمنظوره 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 ) باهیدرواکسید کلسیم در مقایسه با میکرو سیلیکا بسیار سریع تر انجام گرفته و مقداربسیار کم این مواد همان تاثیر پوزالانی مقدار بسیار بالای میکرو سیلیکا را در سنیناولیه دارا می باشد .

تمام کارهای انجام یافته بر روی کاربرد مواد نانو سیلیسکلوئیدی (Colloidal Nano Silica ) در بخش اصلاح خواص ریولوژی ، کار پذیری ومکانیکی خمیر سیمان بوده است . آنچه که در اینجا مطرح است نتایج اولیه محصولات نانوسیلیس با قطری در محدوده ۵ تا ۱۰۰ نانومتر می باشد .

۵٫ نانو لوله ها : (NANOTUBES)

همان گونه که در مقدمه مقالهمطرح شد معمولاً الیاف برای مسلح کردن و اصلاح عملکرد مکانیکی بتن بکار برده میشوند . امروزه از الیاف فلزی ، شیشه ای ، پلی پروپلین ، کربن و . . . در بتن برایمسلح 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 مسلحکردن بوسیله نانو لوله ها استفاده کرد .
نانو لوله کربنی توسطLIJIMA درسال ۱۹۹۱ کشف شده است و کارهای بسیاری بر روی ساختار نانو در بخش فیزیک کوانتومانجام یافته است بطوری که تحقیقات نوین بر روی تکنولوژی و مهندسی نانو در سطح جهانینقش اساسی و اصلی بازی می کند . کربن ۶۰ و نانو لوله های نوین دارای ساختاری هستندکه آنها را از فولاد قوی تر و بسیار سبک می کند بطوریکه می توانند خمیدگی و کشش رابدون شکستن تحمل نمایند و در آینده جایگزین الیاف کربن خواهند شد که در کامپوزیت هابه کار برده می شوند .
نانو لوله ها با توجه به تحقیقات انجام شده در مرکزتحقیقات بتن( وابسته به موسسه ACI شاخه ایران ) ، دارای مقاومت کششی بیش از هر نوعالیاف بتنی شناخته شده می باشند و نیز نانو لوله ها خواص ویژه قابل ملاحظه حرارتی والکتریکی از خود نشان می دهند ، بطوریکه هادی بودن حرارت آنها بیش از دو برابرالماس و هادی بودن الکتریکی آنها در حدود ۱۰۰۰ برابر فلز مس می باشد .

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

۶٫ نتیجه گیری :

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

۷٫شکر و قدردانی :

از زحمات و مساعدت های استادگرانقدرم جناب آقای دکتر صادقی که در طول نوشتن مقاله از هیچ کوششی در کمک به بندهدریغ نکردند کمال تشکر و قدردانی می شود

[۱] High Performance Concrete

[۲] Self Compacting Concrete

منبع : www.nano.ir