کاربردهای فناوری‌نانو در صنعت بتن‌های سبک

فناوری‌نانو، توانمندي توليد مواد، ابزارها و سيستم‌هاي جديد با كنترل ابعاد در محدوده 100-1 نانومتر و استفاده از خواصی است كه در این 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 فناوری‌نانو در صنايع مختلف، توجه به كاربردهای اين علم، درصنعت بتن منجر به پیشرفت‌هایی در این زمینه نیز گردیده است.

 

 

 

بتن در مفهوم بسیار وسیع، به هر ماده یا محصولی که از یک ماده چسبنده با خاصیت سیمانی شدن تشکیل شده باشد، اطلاق می‌شود. بتن از نظر وزن مخصوص به سه دسته‌ی، بتن سنگین، بتن معمولی و بتن سبک تقسیم می‌شود.

بتن سنگین- وزن مخصوص این بتن حدود 1/5 تا 2/5 برابر وزن مخصوص بتن معمولی است و معمولا از سنگ‌دانه های سنگین در ساخت آن استفاده می‌شود.

بتن معمولی- این بتن دارای وزن مخصوصی بین 2200 تا 2500 کیلوگرم بر متر مکعب است، که این تفاوت در وزن مخصوص، ناشی از جنس دانه‌ها و تراکم بتن است.

بتن سبک- بتنی است که وزن مخصوص آن نسبت به بتن معمولی خیلی کمتر می‌باشد و در ساخت آن از       سیمان، آب، سنگ‌دانه‌های سبک و مواد افزودنی استفاده شده است.

استفاده از بتن سبک و مصالح سبک وزن به روم باستان بر می‌گردد. رومیان در احداث معبد پانتئون[1] و ورزشگاه کلوزیوم[2] از پومیس[3] که نوعی مصالح سبک است استفاده کرده‌اند. بتن سبک اغلب به‌عنوان جایگزینی مناسب و مکمل برای بتن معمولی و به‌منظور کاهش وزن سازه به‌کار می‌رود، هرچند مقاومت فشاری آن در مقایسه با بتن معمولی کمتر می‌باشد.

اصول اولیه و روش پایه برای دستیابی به بتن‌ سبک، ایجاد تخلخل در بتن است. بنابراین برای ایجاد تخلخل و سبکی در بتن از روش‌های زیر استفاده می‌شود:

• استفاده از سنگ‌دانه‌های متخلخل و سبک در بتن
• ایجاد تخلخل در خمیر سیمان بتن
• ایجاد تخلخل و فضای خالی در بتن از طریق حذف ریزدانه‌ها

هنگامی که از سنگ‌دانه‌های سبک در بتن استفاده می‌شود، چون سنگ‌دانه‌ها به‌طور ذاتی مقاوم نیستند، موجب کاهش استحکام و مقاومت بتن می‌شوند. بنابراین مهم‌ترین عیب بتن سبک مقاومت کم آن است. كم بودن مقاومت بتن سبك عامل مهمی در محدود نمودن دامنه كاربرد این نوع بتن و بهره‌گیری از امتیازات آن بوده است. یکی از کاربردهای فناوری ‌نانو در صنعت بتن افزایش مقاومت و استحکام بتن سبک است.  با کمک نانوذرات و با تغییر در واکنش‌های شیمیایی هیدراتاسیون‌های[4] سیمان می‌توان بتن سبک با مقاومت بالا تولید کرد که کاربردی سازه‌ای داشته باشد. در ادامه به توضیح بیشتری در این خصوص پرداخته می­شود.

کاربرد‌های بتن سبک نانو

بتن سبک نانویی به‌دلیل خواص فیزیکی منحصر به فرد به عنوان بتنی سبک با مقاومت لازم و کیفیت مطلوب، قابل استفاده در کاربردهای مختلفی می‌باشد.

• کف‌سازی طبقات: کف‌سازی طبقات از مهم‌ترین و وسیع‌ترین کاربردهای بتن سبک است. با جایگزینی بتن سبک به‌جای پوکه معدنی حدود 30 کیلو گرم سبک سازی در هر متر مربع صورت می‌گیرد. همچنین با استفاده از این بتن سه برابر عایق بندی حرارتی وصوتی بیشتر در کف طبقات صورت می‌پذیرد.
• پرکننده حفرها : بتن سبک به‌دلیل داشتن روان یابی بالا، در پر نمودن حفره‌ها و پایدارسازی آن‌ها در روی انواع لوله‌ها، تونل‌ها، مخازن و نقاطی که نیاز به پرکننده سبک به‌عنوان جایگزین خاک باشد، کاربرد دارد.
• دیوارهای یکپارچه : با سیستم قالب بندی بتن سبک، می‌توان خانه‌ها ودیوارهای یکپارچه را با سرعت بالا و قیمت ارزان تولید نمود.
• شیب‌بندی پشت بام : بتن سبک نانویی به‌دلیل مقاومت بالا و عدم نفوذ حرارت و رطوبت بهترین روش برای شیب‌بندی و سبک‌سازی پشت بام می‌باشد.

تاثیر استفاده از بتن سبک نانو در ساختمان

اگر در سقف یک ساختمان از بتن سبک نانو استفاده کنیم، در مقایسه با بتن معمولی، سقف در هر مترمربع حدود 120 کیلوگرم سبک‌تر خواهد شد که در یک سازه هزار مترمربعی، استفاده از این نوع بتن حدود 120 تن وزن سازه را سبک‌تر خواهد کرد. طبق یک قانون کلی هرچه وزن یک سازه بیشتر باشد آن سازه دربرابر زلزله آسیب‌پذیرتر خواهد بود. در نتیجه استفاده از نانوبتن باعث سبک­سازی بنا و مقاومت بیشتر آن در برابر زلزله خواهد شد. همچنین، استفاده از نانوبتن سبک در ساختمان از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است زیرا به‌علت کاهش جرم، بار مرده ساختمان ( وزنی که خود سازه دارد) ، ابعاد ستون‌ها، تیرها و ضخامت سقف‌ها کاهش می‌یابد، که این امر باعث صرفه‌جویی در مصرف مصالح ساختمانی مانند سیمان و فولاد می‌شود.

 

 

 

 

 

 

مزیت استفاده از بتن سبک نانو در ساختمان‌سازی

 

بتن سبک به‌راحتی تولید شده و به‌دلیل روان‌یابی بالا احتیاجی به ویبره ندارد و تنها پس از 7 الی 10 ساعت می‌توان قالب‌ها را باز نمود و عملیات برش را انجام داد. بتن سبک با قیمتی 20 درصد کمتر از بتن معمولی، در کاهش هزینه نهایی ساختمان تاثیرگذار است.

بتن سبک نانویی عایقی مناسب در مقابل گرما، سرما و صدا است، که‌دلیل آن وجود تخلخل‌های بسیار ریز در این بتن است. میزان عایق‌سازی صوتی و حرارتی این بتن به‌گونه‌ای است که در اکثر موارد نیاز به‌ استفاده از لایه‌های اضافی جهت عایق‌بندی جزیی یا کلی نخواهد بود، و این امر از لحاظ اقتصادی مقرون به‌صرفه است.

                     بتن سبک حداقل 10 برابر بتن معمولی عایق صوت و حرارت است.

 

• نتیجه آزمایشات نشان می‌دهد در شرایط کامل یکسان، دیواری با ضخامت یك دهم متر از بتن سبك با فناوری نانو معادل دیواری با ضخامت یك متر از بتن معمولی در برابر انتقال حرارت مقاومت خواهد داشت.
• در بتن سبک به‌دلیل وجود تخلخل، انرژی ذرات هوا که در اثر صوت به‌داخل تخلخل‌ها می‌رود و از آن خارج می‌شود، در اثر ایجاد اصطکاک مستهلک شده و به گرما تبدیل می شود. میزان افت صدا در دیوار ساخته شده از بلوک سبک به ضخامت 15 سانتی‌متر برابر با ۴۸ دسی‌بل است.

 

 

مزایای اقتصادی بتن سبک

 

 

جدول 1: مقایسه وزن مخصوص، مقاومت کششی و مقاومت فشاری بتن معمولی و بتن سبک

بررسی مشخصات فنی بتن	بتن معمولی	بتن سبک سازه‌ای رایج	بتن سبک سازه‌ای نانو
محدوده وزن مخصوص (gr/cm3 )	5/2-4/2	2- 8/1	5/1- 25/1
محدوده مقاومت کششی (Kg/cm2)	20-7	9- 5	17- 8
محدوده مقاومت فشاری (Kg/cm2)	600-150	250-150	500-200

 

ایجاد مقاومت در بتن سبک با افزودن نانو‌ذرات

به‌طور معمول، برای توصیف ویژگی‌های بتن، یکی از سه اجزای زیر بررسی می‌شود:

 

• سنگ‌دانه‌ها
• خمیر سیمان هیدراته
• محدوده گذر بین سطحی [5]( محدوده‌ای که در آن، خمیر سیمان، سنگ‌دانه‌ها را در بر می‌گیرد.)

 

محدوده گذر بین سطحی در نقش ضعیف‌ترین ناحیه اتصال در بتن عمل می‌کند و دارای سختی و مقاومت کمتری نسبت به خمیر سیمان هیدراته است، بنابراین این ناحیه، عامل بسیاری از نارسایی‌های بتن بوده و نخستین میکروترک ها از این ناحیه بروز می‌کنند.

مهمترین جزءِ تشکیل‌دهنده بتن، اکسید کلسیم (آهک) است که حدود 63% سیمان را تشکیل می‌دهد. در اثر واکنش اکسیدکلسیم با آب هیدروکسید ‌کلسیم Ca(OH)₂ تشکیل می‌شود، که به‌این فرایند هیدراتاسیون (آبگیری سیمان، ترکیب شیمیایی سیمان با آب) گفته می‌شود. پس از آغاز واكنش هيدراسيون ذرات سيليس   )   SiO2، یکی از اجزای تشکیل دهنده سیمان( موجود در بتن با Ca(OH)₂ قابل انحلال وارد واكنش شده و سيليكات كلسيم هيدراته(C-S-H) توليد مي كند. ژل سیلیکات کلسیم هیدراته اصلی‌ترین محصول فرایند هیدراتاسیون است. این ‌ژل متخلخل بوده ، ساختاری لایه‌ای در مقیاس نانو دارد و مهم‌ترین عامل ایجاد مقاومت در بتن می‌باشد. نانوذرات به‌دلیل سطح مؤثر و واکنش‌پذیری بالا می‌توانند با کریستال های هیدروکسید کلسیم که در محدوده گذر بین سطحی قرار دارند واکنش داده و باعث جلوگیری از توسعه کریستال‌های Ca(OH)₂ و در مقابل افزایش حجم ژل سیلیکات کلسیم هیدراته (C-S-H) ‌شوند، بنابراین این ذرات با انجام واکنش‌های شیمیایی هیدروکسید کلسیم آزاد شده موجود در بتن را مصرف می‌کنند و از خاصیت قلیایی آن می‌کاهند. با کاهش مقدار بلورهای هیدروکسید اتصال خمیر سنگ‌دانه در بتن بهبود یافته و مقاومت بتن افزایش می‌یابد. همچنین نانوذرات به‌دلیل ابعاد ریز، راحت­تر حفره‌ها وفضاهای خالی بتن سبک را پر می‌کنند و باعث چسبندگی بهتر خمیر سیمان و سنگ‌دانه‌ می‌شوند.

• نانو ذرات سیلیس

 

میکروسیلیس یکی از موادی است که در دهه‌های اخیر استفاده از آن جهت بهبود خواص مکانیکی و افزایش دوام بتن به‌طور جدی مورد توجه قرار گرفته 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 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[6] ( واکنش بین هیدروکسید‌کلسیم و دی‌اکسید سیلیسیم) را سریع‌تر و فعال‌تر می‌کند.

مزایای استفاده از نانوذرات سلیس در بتن سبک

• افزایش مقاومت خمشی
• افزایش مقاومت فشاری
• افزایش مقاومت در برابرمواد شیمیایی
• کاهش نفوذپذیری آب درون بتن

 

 

 

 

شکل 1: مقایسه مقاومت فشاری، الف) بتن فاقد نانوذرات سیلیس، ب) بتن حاوی نانوذرات سیلیس

نمودار 1 : بررسی مقاومت فشاری بتن، در بتن سبک با فناوری نانو از نانوذرات سیلیس استفاده شده است.

 

• نانو‌ذرات دی‌اکسیدتیتانیم

به‌دلیل واکنش‌پذیری بالای نانوذرات دی‌اکسیدتیتانیوم (TiO₂)، نانوذرات با هیدروکسید‌کلسیم موجود در سیمان به‌سرعت واکنش داده و ژل سیلیکات کلسیم هیدراته تشکیل می‌شود. همان‌طور که قبلا بیان شد این ژل باعث کم شدن فضای خالی بتن و افزایش مقاومت بتن سبک می‌شود.

نمودار 2: نحوه قرار گرفتن نانوذرات دی‌اکسیدتیتانیم در خلل‌و فرج موجود در بتن

جدول 3. بررسی مقاومت کششی بتن حاوی مقادیر مختلف نانوذرات دی‌اکسیدتیتانیوم بعد از گذشت زمان‌های مختلف

افزودن مقادیر مختلف نانوذرات TiO2 (%)	مقاومت کششی (Kg/cm2)  7 روزه	مقاومت کششی (Kg/cm2)  28 روزه	مقاومت کششی (Kg/cm2)  90 روزه
0	27	4/35	8/39
5/0	3/31	43	2/43
1	8/32	7/45	8/45
5/1	9/35	1/48	6/48
2	1/38	9/49	3/50

 

 

 

آینده فناوری‌نانو در صنعت بتن

 

در مقایسه با کشورهای پیشرفته، بیشتر پروژه‌های ساخت‌و‌ساز در کشور ما بصورت سنتی انجام می‌شود و در حال حاضر تنها تعدادی از شرکت‌های ساختمانی از فناوری‌های روز و شیوه های نوین در پروژه های خود استفاده می کنند. بنابراین با استفاده از کاریردهای فناوری نانو و توسعه آن در صنعت ساخت‌و ساز کشور، از جمله صنعت بتن، می‌توان شاهد پیشرفت‌هایی در این زمینه باشیم.

شرکت‌ تولید‌کننده بتن سبک نانو

 

 

 

 

 

 

 

 

 

منابع

 

[1] www.nano.ir

[2] www.cementechnology.ir

[3] F. soleymani, effects of TiO₂ nanoparticles on increasing split tensile strength of lightweight concrete, Journal of American Science,2012.

[4] S. H. Hashemi, I. MirzaeiMoghadam,Influence of Nano-silica and Polypropylene Fibers on Bond Strength of Reinforcement and Structural Lightweight Concrete, IJE TRANSACTIONS B: Applications Vol. 27, No. 2, (February 2014) 261-268.

نظرلت و پیشنهادات

مقاله اصلاح کامل شده و آماده چاپ است.

[1] Pantheon

[2] Colosseum

[3] Pumice 

[4] hydration

[5] Interfacial transition zone

 

[6] Pozzolan