بررسی کاربردهای فناوری نانو در بتن و سازه‌های بتنی

فناوری نانو، توانمندي توليد مواد، ابزارها و سيستم‌هاي جديد با كنترل ابعاد در محدوده 100-1 نانومتر و استفاده از خواصی است كه در آن سطوح ظاهر مي‌شود. در مقیاس نانومتری، نانو‌ذرات، خواص شیمیایی و فیزیکی ویژه‌ای از خود نشان می‌دهند.

در چند سال گذشته استفاده از علم نانو بسیار فراگیر شده و به‌سرعت درحال پیشرفت و گسترش است. همگام با توسعه فناوری نانو در صنايع مختلف، توجه به كاربردهای اين علم، درصنعت بتن منجر به پیشرفت‌هایی در این زمینه گردیده است.

هدف نهایی از بررسی بتن در مقیاس نانو، یافتن نسلی جدید از مصالح ساختمانی با عملکرد بالا و با خواصی جدید و متفاوت نسبت به خواص مصالح معمولی است.

بتن از پر کاربرد ترین مصالح ساختمانی است. ویژگی اصلی بتن ارزان بودن و در دسترس بودن مواد اولیه آن است. نانو مواد توانسته‌اند خواص مکانیکی و فیزیکی بتن را ارتقا دهند. این مواد با توجه به خصوصیات خود در سطوح بسیار ریز می‌توانند دنیای بتن را کاملا متحول کنند. استفاده از فناوری نانو در صنعت بتن به چند سال اخیر برمی‌گردد.

بتن ماده‌ای با ساختار نانو، چند فازی و با اجزا مختلف است. این ساختار شامل فازهای نامنظم کریستالی از ابعاد میکرومتر تا نانومتر می‌باشد. فاز غیر‌بلوری و نانوساختار کلسیم-سیلیکات-هیدرات (C-H-S) در بتن باعث ایجاد چسبندگی اجزاء بتن می‌شود.

شکل 1- ساختار نانو مقیاس از کریستال C-H-S

 

کاربرد فناوری نانو در بتن:

به‌طور کلی کاربرد فناوری نانو در بتن به ‌دو هدف انجام می‌گیرد:‌

• اندازه‌گیری 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 تکنیک‌های پیشرفته توصیف و مدل‌سازی، مربوط به سطوح اتمی یا ملکولی.
• تکنیک‌های دست‌کاری ساختار در مقیاس نانومتری به‌منظور ایجاد نسل جدید و مناسب کامپوزیت‌های سیمانی با رفتار مکانیکی ایده‌ال و حتی ایجاد خواص جدیدی مثل مقاومت الکتریکی پایین، هوشمند بودن، خود تمیز شونگی، خود ترمیم کنندگی در بتن.

در این نوشتار به تعدادی از کاربردهای فناوری نانو در بتن پرداخته شده است.

  

• نانو ذرات سیلیس:

میکروسیلیس یکی از موادی است که در دهه‌های اخیر استفاده از آن در بتن به طور جدی مورد توجه مهندسین ساختمان قرار گرفته است. به دلیل خصوصیات بارز پوزولانی[1] میکروسیلیس، استفاده از آن جهت بهبود خواص مکانیکی و افزایش دوام بتن در کشورهای پیشرفته رو به افزایش است. تحقیقات نشان داده است که اضافه کردن نانو ذرات سیلیس در بتن باعث افزایش مقاومت بیشتر نسبت به میکرو ذرات سیلیس می‌شود.

مهمترین دلیل افزایش مقاومت فشاری بتن به‌کمک نانوذرات سیلیس، نقش پرکنندگی این ذرات در بین منافذ خمیر سیمان است. ذرات نانوسیلیس به‌علت ریزدانگی بسیار بالا و چسبندگی سطحی، در بین ذرات ژل C-S-H قرار گرفته و فواصل خالی را پر می‌کنند. این امر موجب یکپارچگی ژل و افزایش دوام آن می‌شود. با استفاده از نانوذرات سيليس مي‌توان ميزان تراكم ذرات را در بتن افزايش داد كه اين مسئله به افزايش چگالی ميكرو و نانوساختارهای تشكيل دهنده بتن و در نتيجه بهبود ويژگی‌های مكانيكي می‌انجامد.

استفاده از نانوذرات سیلیس در سیمان علاوه‌بر نقش پرکنندگی منافذ، باعث استحکام ساختار بتن می‌شود و همچنین واکنش‌های پوزولانی ( واکنش بین هیدروکسید‌کلسیم و دی‌اکسید سیلیسیم) را سریع‌تر و فعال‌تر می‌کند.

مزایای استفاده از نانو ذرات سیلیس در بتن

• افزایش مقاومت فشاری، کششی و خمشی
• کاهش ترکهای ناشی از هیدراتاسیون سیمان
• دوام بهتر در مقابل آسیب‌های ناشی از سولفات ها و آب‌های اسیدی
• کاهش تحرک یون‌های کلر و در نتیجه کاهش عمق نفوذ کلر در بتن به‌ویژه در نواحی ساحلی

 

مثال: بررسی مقاومت فشاری در نمونه ای از بتن با عملکرد بالا، با استفاده از میکرو سیلیس و نانو سیلیس

برای این منظور بخشی از سیمان پرتلند با مقادیر مختلف از میکروسیلیس (10%)، نانو سیلیس (2% ) و مخلوطی از این دو (10% + 2% ) جایگزین شد. نمودار مقاومت فشاری بر حسب تعداد روز در شکل زیر نشان داده شده است. همان‌طور که در شکل مشاهده می‌شود افزودن 2% نانوسیلیس در بتن مقاومت فشاری بیشتری نسبت به افزودن 10% میکروسیلیس ایجاد می‌کند. همچنین هنگامی که همزمان از نانوذرات سیلیس و میکروذرات سیلیس استفاده می‌شود، مقاومت فشاری در بتن به مقدار حداکثر می‌رسد.

شکل1 : بررسی مقاومت فشاری بتن با استفاده از نانو ذرات و میکرو ذارت سیلس]2[.

 

• 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[2])  بتن می‌گردد. توده ملات سیمان که با نانوذرات اکسیدآهن مخلوط گردیده است، تحت اثر بارگذاری‌های مختلف، مقاومت الکتریکی متفاوتی نشان می‌دهد. وجود این قابلیت فوق‌العاده گرانبهاست و به‌خصوص برای سازه‌هایی که از حس‌گر های مدفون داخل سازه بهره مند نیستند، قابل استفاده است. با توجه به این خاصیت منحصر به فرد همچنین می‌توان عملکرد حس‌گر های سنجش تنش را بهینه سازی کرد.

 

مثال: بررسی مقاومت فشاری و کارایی بتن در هنگام استفاده از نانوذرات اکسیدآهن

نانوذرات اکسید آهن(Fe₂O₃) با اندازه متوسط 15 نانومتر و با درصدهای وزنی متفاوت (0.5%, 0.1% 1.5% ,2.0%) تهیه شده و پس از مخلوط شدن با سیمان، تاثیر آن‌ها در مقاومت فشاری و کارایی بتن[3] مورد بررسی قرار گرفت.

• بررسی مقاومت فشاری

 

جدول 1: بررسی مقاومت فشاری بتن با استفاده از مقادیر مختلف نانوذرات اکسیدآهن]3[.

نمونه	نانو ذرات Fe2O3 (%)	مقاومت فشاری (Mpa)
		7 روزه	28 روزه	90 روزه
C0	0	27.3	36.8	42.3
N1	0.5	30.1	41	44.5
N2	1	31.2	42.5	46.1
N3	1.5	31	41.9	45.2
N4	2	28.1	38.9	43.8

 

افزایش مقاومت فشاری در بتن به‌دلیل مصرف سریع هیدروکسید ‌کلسیم Ca(OH)₂ است که در طی هیدراتاسیون سیمان، خصوصا در مراحل اولیه که واکنش‌پذیری نانوذرات بالا است، تشکیل می‌شود.

نانوذرات به‌دلیل سطح مؤثر و واکنش‌پذیری بالا می‌توانند با کریستال های هیدروکسید کلسیم واکنش داده و باعث جلوگیری از توسعه کریستال‌های Ca(OH)₂ و در مقابل افزایش حجم ژل سیلیکات کلسیم هیدراته (C-S-H، مهم‌ترین عامل ایجاد مقاومت در بتن) شوند. با کاهش مقدار بلورهای هیدروکسید اتصال خمیر سنگ‌دانه در بتن بهبود یافته و مقاومت بتن افزایش می‌یابد.

• بررسی کارایی بتن

بتن با کیفیت بالا باید دارای کارایی قابل قبول ارتفاع فرونشستن[4] حدود 5/6 سانتی‌متر باشد.

با توجه به شکل، برخلاف مقاومت فشاری، با افزودن نانوذرات اکسیدآهن به مخلوط، کارایی بتن کاهش یافته است. دلیل این امر این است که در اثر استفاده از نانوذرات و افزایش سطح پودر، آب بیشتری برای خیس شدن ذرات سیمان لازم است. پس افزودن نانوذرات اکسیدآهن تاثیر مثبتی بر کارایی بتن نخواهد داشت. بنابراین با افزودن نانوذرات اکسیدآهن مقاومت فشاری بتن بهبود می‌یابد اما کارایی آن کاهش می‌یابد.

شکل 2: بررسی کارایی بتن با استفاده از مقادیر مختلف نانوذرات اکسیدآهن]3[

 

 

 

• نانو‌ذرات دی‌اکسیدتیتانیم

دی‌اکسید تیتانیوم (TiO₂) از طریق واکنش‌های فوتوکاتالیستی قوی قادر به شکستن و تجزیه آلاینده‌های آلی، ترکیبات آلی فرار و غشای باکتریای‌ها است و به‌همین دلیل برای ایجاد خاصیت ضد عفونی‌کنندگی به رنگ‌ها، سیمان‌ها و شیشه‌ها اضافه می‌گردد. چنانچه از TiO₂ در سطوح بیرونی سازه‌ها استفاده شود، قادر است غلظت آلاینده‌های موجود در هوا را کاهش دهد. TiO₂ ماده‌ای آب دوست است و با اضافه شدن به سطح، موجب ایجاد خاصیت خود تمیز کنندگی در آن می‌گردد. بتن تولید شده با این ذرات هم اکنون در پروژه‌هایی در سرتاسر دنیا در حال استفاده است، این بتن دارای رنگ سفید و درخشندگی خاصی است که سفیدی و درخشندگی خود را به‌طور موثری حفظ می‌کند، این در حالی است که سازه‌های ساخته شده با بتن معمولی فاقد چنین ویژگی هستند.

در فرایند تولید بتن خودتمیز شونده و آلاینده‌زا،  ذرات دی‌اکسید تیتانیوم در فرم آناتاز (یکی از سه فرم معدنی دی‌اکسید‌تیتانیوم) مخلوط شده و زمینه‌ساز شکل‌گیری فرایند فتوکاتالیتیک می‌شوند که سرانجام منجر به اکسید شدن و تجزیه کثیفی‌ها و دیگر مواد آلاینده نشسته بر سطح بتن و تبدیل آن‌ها به مواد بنیادین غیرآلاینده می‌شوند. پس از تجزیه آلودگی‌ها، بر اثر ریزش باران یا آب حاصل از شستشو، به‌دلیل خاصیت آب‌دوستی سطح بتن، لایه‌ای نازک از مولکول های آب تشکیل داده و مواد برجای مانده از تجزیه آلودگی ها را شسته و با خود می‌برند. 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. محققان همچنین نشان داده اند که استفاده از نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم علاوه بر خاصیت خود تمیز کنندگی، باعث افزایش سرعت هیدراسیون و همچنین باعث افزایش مقاومت خمشی و فشاری بتن نیز می شوند.

شکل3 : بتن خودتمیز شونده به‌کار رفته در نمای ساختمان شهر موسیقی و هنرهای زیبا در فرانسه

 

• نانو الیاف ها:

نانو لوله‌های‌کربنی (CNTs) و نانو الیاف کربنی (CNFs) به عنوان گزینه‌های اصلی فناوری نانو برای مسلح کردن مصالح پایه سیمانی معرفی می‌شوند. مدول الاستیسیته و مقاومت بسیار بالای این نانو مواد (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 لوله‌ها/الیاف‌های کربنی را در ایجاد نسل جدید مصالح پایه سیمانی نشان می‌دهد. استفاده از این نانو مواد باعث بهبود مشخصات مکانیکی، مقاومت در برابر پخش ترک‌ها و محافظت در برابر امواج الکترومغناطیس می‌گردد.

نانو لوله‌های کربنی چند دیواره                                          نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره

یکی از برجسته‌ترین ویژگی‌های سیمان‌های مسلح شده با نانوالیاف کربنی، مقاومت بالای آن‌ها در برابر بروز ترک‌های ریز است.

شکل 4: برهم‌کنش بین نانوالیاف کربنی با ماتریس سیمان با هدف پیشگیری از گسترش ترک‌های ریز در ساختار سیمان]4[.

سطح مقاوم و بازداری از بروز ترک در مواد پایه سیمانی، قابلیت صیقل‌پذیری را برای این مواد پدید می‌آورد. بنابراین با استفاده از این مواد، می‌توان سرامیک‌ها و مواد کامپوزیت صیقل‌پذیری تولید کرد که از سیمان‌های مسلح شده با نانوالیاف کربنی ساخته شده باشند و به‌این ترتیب احتمال گسیختگی مواد پایه سیمانی و بتن را به حداقل می رساند.

آزمایش‌ها نشان داده است که افزودن نانوالیاف کربنی به سیمان باعث افزایش مقاومت فشاری از 2/256 به 1/1113 کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع شده است، یعنی افزایشی در حدود 440%]4[.

• نانو رس‌ها:

استفاده از ذرات نانو رس باعث بهبود رفتار مکانیکی مثل مقاومت در مقابل نفوذ کلرید‌ها، ایجاد بتن خود متراکم، کاهش نفوذ پذیری بتن می‌شود. ابعاد ذرات رس در طبیعت در حد میکرو و ریز‌تر از میکرو است. ساختار رس شامل لایه های کریستالی فیلوسیلیکات آلومینیوم با ضخامت تقریبی در حد یک نانومتر است.

شکل 3: نحوه قرارگیری نانوصفحات رس

تاثیر رس بر روی سیمان موضوع جدیدی نیست و در اکثر کاربرد‌ها از رس کلسینه شده استفاده می‌شود. با این حال در بازبینی‌های اخیر تمرکز بر روی استفاده از نانو ذرات رس در بتن مورد بررسی قرار گرفته است.

 

• نانوبتن هوشمند گرمازا:

برف‌روبی و بازکردن جاده‌ها، پل‌ها و باندهای فرودگاه مسدود شده در اثر بارش برف در زمستان، یکی از چالش‌های بزرگ در زمینه نگهداری مسیرهای ارتباطی در کشورهای سردسیر و برف‌خیز است که هزینه‌های زیادی را به سازمان‌های راهداری تحمیل می‌کند. در همین راستا و به کمک فناوری نانو، نوع جدیدی از بتن ابداع شده که به گونه‌ای هوشمندانه و خودکار، ایمنی راه‌های بتنی را مورد پایش قرار داده و در صورت لزوم مبادرت به یخ‌زدایی از سطح راه می‌کند. برای تولید انرژی گرمایی و همچنین افزایش قابلیت انتقال حرارتی بتن، از چهار نانوماده می‌توان استفاده کرد. نانومواد TiO₂، Al₂O₃، Fe₂O₃ و پارافین حاوی نانوکپسول‌های پلیمری، نامزدهای استفاده در بتن‌های حرارت‌زا هستند. البته تنها به استفاده از این نانوذرات در بتن بسنده نمی‌شود، بلکه از الیاف فلزی نیز به‌منظور توزیع یکنواخت و همگن حرارت در بتن استفاده می‌شود. الیاف فلزی کارکردی چند‌منظوره دارند یعنی، هم عهده‌دار انتقال حرارت می‌باشند، هم تنش‌های حرارتی را جذب می‌کنند و هم بر مقاومت کششی بتن می‌افزایند.

آینده بتن:

در دنیای امروز بتن بعد از آب پر استفاده ترین ماده در جهان محسوب می شود. با استفاده از ویژگی های منحصر به فرد این ماده مثل: عمل آوری در دمای معمولی، خزش کم، قابلیت شکل گیری در قالب های پیچیده، مقاومت حرارتی تا دمای 600 درجه سلسیوس، همساز بودن با انواع رشته ها و فیبرهای موجود، قابلیت استفاده با نانو مواد های موجود مثل نانو سیلیکا و مشخصات غیر سمی بتن، می توان به صورت موثر برای ساختن ماده ای جدید با قابلیت های فوق العاده به کار رود. به عنوان مثال می توان با نانو سیمان های فرآوری شده، پوسته‌هایی با ضخامت چند میکرون و با شکل های مختلف همچون استوانه ایجاد کرد و در اجزای الکترونیکی و سنسورهای حرارت بالا به کار برد. همچنین می توان از نانو لوله های کربنی هم برای افزایش مقاومت بتن و هم برای شکل دهی مدار های الکترونیکی استفاده کرد. یکی از کاربردهای مهم این مواد جدید در پوشش بتن است، پوشش های پایه سیمانی موجود می بایست ضخیم بوده و برای بهبود چسبندگی آن ها نیاز به افزودن مواد پلیمری است. نانو سیمان ها یک الگوی جدید در این حیطه ارائه خواهند داد. می‌توان با مواد و تکنیک های جدید، پوشش های نانو متری با مشخصه های خاص مثل مقاومت در برابر سایش، مقاومت در برابر حرارت و پوشش ها با خاصیت الکتریکی تولید کرد، همچنین می‌توان پوشش هایی ساخت که حرارت کمتری تولید کنند و در نتیجه اصطکاک کاهش یابد. پوشش‌ها می‌توانند خود تمیز شونده و خود ترمیم کننده باشند. سطوح بدون ترک دیگر یک آرزوی دور از دسترس نیست.

وضعیت بتن در ایران:

در شرایط فعلی تنوع محصولات در تولید انواع بتن های سبک رایج شده است. این محصولات از قابلیت‌های فنی بسیار خوبی برای گسترش و توسعه کمی و کیفی برخوردارند اما به دلایل گوناگون و از جمله محدودیت‌های فنی و عدم ترویج کافی هنوز بصورت گسترده مورد استفاده قرار نگرفته‌اند. در این راستا انسجام و وجود یک تشکل فراگیر و کشوری جهت هم افزائی و همنوایی برای رفع موانع موجود می‌تواند حائز اهمیت بالائی باشد. این تشکل با عنوان انجمن صنفی تولید کنندگان بتن سبک سلولی ایران در اواخر سال 1390 تأسیس گردید. زیرساخت های لازم در این انجمن صنفی برای اهداف بلند تحقیقاتی و تجاری به‌وجود آمده است و یقیناً حضور شرکت‌های بزرگ و معتبر می‌تواند خدمتی شایسته برای توسعه این صنعت در کشور عزیزمان باشد و باعث ارتقاء توان فنی و اداری انجمن و لازمه کسب نتایج پربار شود.

اسامی برخی از شرکت‌های فعال داخلی:

نام شرکت	محصولات	وبسایت
شرکت نانوبتن سپاهان	ترمیم‌کننده‌های بتن فوق روان کننده‌های بتن مقاوم‌کننده‌های سیلیس‌دار و…	www.nanobeton.ir
نانوبتن امین	بتن خودتراکم بتن سبک	www.nanobetonamin.com
نانوپارسه	آب‌بند کننده بتن فوق روان‌ساز بتن نانو سنگ پارسه	www.nanoparse.com

 

[1] Pozzolanic

Self-sensing capabilities [2]

 workability [3]

[4]slump height

 

————————————————-

منابع:

 

[1] www.nano.ir

[2] Mostafa Jalal, Esmaeel Mansouri, Mohammad Sharifipour, Ali Reza Pouladkhan, Materials and Design, 2012.

[3] Ali Nazari*, Shadi Riahi, Shirin Riahi, Seyedeh Fatemeh Shamekhi and A. Khademno, Journal of American Science,2010.

[4] Abdullah Keyvani, Huge opportunities for industry of nanofibrous concrete Technology,2007.

[5] www.google.com/patents/US7666327

 

—————————————————

ترویج صنعتی فناوری های نانو و میکرو

 ====================================================================================

(توجه: جهت دسترسی به گزارش نهایی محصولات و شرکتهای دارای گواهی نانومقیاس ستاد توسعه فناوریهای نانو و میکرو به «کتب مرجع محصولات و تجهیزات نانو و صنعت» به نشانی (INDnano.ir/category/book) مراجعه کنید)

همچنین برای دسترسی به فایل PDF کلیه گزارشات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید.

 ====================================================================================