فناوری نانو از فناوریهای پیشرفتهی چند دههی اخیر است. فناوری که حدود نیم قرن پیش به دنیا معرفی شد و طی دو دههی گذشته، پیشرفت و توسعهی چشمگیری را تجربه کرده است. فناوری نانو عبارت است از ترکیب ذرات بسیار ریز برای خلق مواد جدید. در حقیقت، فناوری نانو با ترکیب و پیوند ریز ذراتی موسوم به نانوذرات، فرایند تولید مصالح نانو و کاربرد آنها سروکار دارد.
سیمان و نقش فناوری نانو در آن
در حالت کلی سیمان را به عنوان مادهای چسبنده میشناسند که میتواند قطعات جامد مواد را به یکدیگر متصل کرده و از آنها، تودهای فشرده و با دوام بسازد. در مهندسی ساختمان، واژه سیمان، معمولا به مواد پایه آهکی اطلاق میشود که نقش اصلی آنها، چسباندن قطعات سنگی (ریزدانه و درشتدانه) به یکدیگر است. کاربرد انواع سیمان در حوزههای مختلف ساختمانسازی به اندازهای فراگیر است که شاید نتوان بدون وجود این مادهی کمنظیر، بسیاری از فرایندهای ساختوساز را انجام داد. در سازههای پرمقاومت، سازههای بزرگ، سازههایی که در معرض آب هستند، بتن و ملاتهای سیمانی، سنگهای مصنوعی و… معمولا اثری از سیمان بهچشم میخورد. میکروحفرههای درونی سیمان که ابعاد آنها از چند نانومتر تا چند میلیمتر تغییر میکند، نقش اساسی و بنیادی در ویژگیها و کیفیت مواد پایه سیمانی دارند. بسیاری از مشخصات مواد پایه سیمانی، بهوسیلهی ریزساختارهای نانو مقیاس، بهویژه ماده بسیار متغییر کلسیم- هیدرات- سیلیکات(C-H-S) تعیین میشود. مواد مبتنی بر سیمان خواص مکانیکی ضعیفی دارند و نسبت به آب و سایر مواد شیمیایی مهاجم بسیار نفوذپذیرند، این مسئله سبب کاهش ماندگاری و دوام این مواد میشود. همچنین صنعت سیمان یکی از منابع مهم منتشرکننده دیاکسیدکربن است، بهطوریکه 5 تا 6 درصد از انتشار سالانه دیاکسیدکربن درجهان مربوط به این صنعت است.
فناوری نانو و استفاده از نانومواد مختلف میتواند سبب بهبود خواص سیمان شود. فناوری نانو این پتانسیل را دارد که با ورود به صنعت سیمان، چالشهایی مانند انتشار دیاکسیدکربن، مقاومت کم در برابر ترکخوردگی، زمان عملآوری طولانی، استحکام کششی کم، جذب زیاد آب، قابلیت چکشخواری کم و بسیاری از عملکردهای مکانیکی دیگر را هدف قرار دهد. باترکیب نانوموادی مثل نانو ذرات Al2O3، ZnO2، SiO2،TiO2 ، نانولولههای کربنی، نانورسها، نانوفیبرهای کربنی و … با مواد سیمانی، بهبود قابل توجهی در خواص فیزیکی و مکانیکی سیمان ایجاد میشود. در زیر به توضیح مختصری در خصوص استفاده و کاربرد برخی از این نانومواد در سیمان پرداخته شده است.
نقش نانوذرات در ارتقای کیفی سیمان
ابعاد ذرات سیمان معمولی در حد میلیمتر و میکرومتر هستند. نانو ذرات سیمان برای بهبود عملکرد سیمان پیشنهاد میشوند. یکی از فواید کریستالهای نانو مقیاس که با استفاده از نانو ذرات تشکیل شده است، پر شدن فضاها و حفرات خالی ماتریس سیمان است، با افزایش ذرات کوچک جامد با اندازههای متفاوت، تخلخل و نفوذپذیری سیمان کاهش و مقاومت تراکمی افزایش مییابد. نانوذراتی که به خوبی در ساختار ماتریس سیمان توزیع شده باشند، سبب افزایش کندروانی (ویسکوزیته) فاز مایع میشوند، همچنین دانههای سیمان و سنگدانهها بهخوبی در مایع معلق مانده، از تهنشینی آنها و جداشدن سنگدانهها پیشگیری شده و کارپذیری خمیر سیمان بیشتر می شود.
شکل2: با افزودن نانوذرات به ماتریس سیمان فضای خالی بین ذرات سیمان کاهش یافته و سرعت فرایند هیدراسیون افزایش مییابد]3[.
مزایای استفاده از نانوذرات در محصولات سیمانی
- نانوذرات، فاصله موجود بین ذرات سیمان را پر کرده و باعث بیحرکت شدن آب آزاد درون خمیر سیمان میشوند.
- نانوذرات دارای توزیع یکنواخت، بهعنوان مرکز بلورسازی هیدراتهای سیمان عمل کرده و بر سرعت فرایند هیدراسیون میافزایند.
- با حضور نانوذرات، شکلگیری کریستالهای کوچک مانند (Ca(OH)2) و خوشههای همسان کوچک C-H-Sامکانپذیر خواهد شد.
- نانوذرات، ساختار منطقهی تماس سنگدانهها را ارتقا داده و سبب چسبندگی[1] بهتر و بیشتر بین سنگدانهها و خمیر سیمان میشوند.
- نانوذرات، سبب توقف گسترش ترک شده و صفحات افقی را به هم قفل کرده و مانع از سرخوردن آنها از روی هم میشوند که در نهایت، زمینهساز سختی بیشتر و افزایش مقاومت کششی و خمشی مصالح پایه سیمانی میشوند.
معرفی برخی از نانومواد استفاده شده در سیمان
نانولولههای کربنی
در حالت کلی، مواد پایه سیمانی را با ویژگی شبهشکننده[2]میشناسند، که مقاومت کششی اندکی از خود نشان میدهند. مسلحسازی معمول سیمانها و مواد پایه سیمانی که در مقیاس میلیمتر یا میکرون انجام میشود، مبتنی بر استفاده از میکروالیاف است. با این حال، این مصالح باز هم ضعفها و کاستیهایی در مقیاس نانو از خود نشان میدهند. پیدایش نانورشتههایی همچون نانولولههای کربنی، امکان مسلحسازی مصالح سیمانی را در مقیاس نانو فراهم نموده است.
شکل1: پیوند نانولولههای کربنی با سیمان و تشکیل کامپوزیت سیمانی. نانولولههای کربنی بهسبب ساختار الیافی خود، افزایش مقاومت خمشی حدود 25 درصد را نشان دادهاند]2[.
نانوذرات سیلیکا:
نانوذرات سیلیکا بهطورفزایندهای به عنوان جایگزین میکروسیلیکا درصنعت سیمان بهکار میروند. به دلیل ابعاد بسیار ریز و واکنشپذیری بالا، این نانوذرات معمولاً در مخلوط بتن با مقادیر زیاد بهکار میروند، که این امر به انتشار کمتر دیاکسیدکربن و آلودگی کمتر محیط زیست میانجامد. ترکیب نانوذرات سیلیکا با دوغاب سیمان موجب بهبود خواص مکانیکی و کاهش تخلخل و نفوذپذیری میشود، این پارامترها عوامل اساسی در افزایش ماندگاری سیمان هستند. نانوذرات سیلیکا سبب تثبیت و تقویت فعالیتهای پوزولانی خمیر سیمان میشوند. استفاده از نانوذرات سیلیکا سبب افزایش مقاومت فشاری و خمشی بین 20 تا 40 درصد میشود. نانوذرات سیلیکا نیز به عنوان عامل تغییردهندهیکندروانی ( ویسکوزیته) خمیر سیمان کاربرد دارند.
شکل 3: تغیرات مقاومت فشاری 3، 7، 28، 56 و 180 روزه سیمان به ازای مقادیر مختلف نانوذرات سیلیکا. با توجه به شکل بیشترین مقاومت فشاری مربوط به افزودن 25/1% نانوذرات به ماتریس سیمان است]4[.
نانوذرات اکسیدآهن:
نانوذرات اکسیدآهن، همانند نانوذرات سیلیس، باعث افزایش ویژگیهای مطلوب ملاتهای سیمانی میشوند. مقاومت فشاری و خمشی ملاتهای شامل این نانوذرات، افزایش خوبی نسبت به ملاتهای معمولی دارند.
شکل 4: تغیرات مقاومت فشاری 3، 7، 28، 56 و 180 روزه سیمان به ازای مقادیر مختلف نانوذرات اکسیدآهن]4[
شکل 5: تغیرات مقاومت فشاری 3، 7، 28، 56 و 180 روزه سیمان به ازای مقادیر مختلف مخلوط نانوذرات اکسیدآهن و نانو ذرات سیلیکا در ماتریس سیمان. با توجه به شکل با افزودن نانوذارت، بهبود مقاومت فشاری روند افزایشی دارد.
نانوذرات اکسیدروی:
افزودن نانوذرات اکسیدروی در ماتریس سیمان باعث افزایش مقاومت فشاری، مقاومت کششی و استحکام خمشی میشود. افزودن%5- 4 این نانوذرات در ماتریس سیمان باعث کمترین میزان جذب آب و کاهش میزان تخلخل میشود. این نانوذرات مقاومت در برابر پیرشدگی سیمان را افزایش میدهند.
نانوذرات کربنات کلسیم:
نانوذرات کربنات کلسیم باعث کاهش نفوذ یون کلرید و افزایش نرخ هیدراسیون میشوند. با افزودن این نانوذرات به ماتریس سیمان، مقاومت فشاری و خمشی افزایش و انقباضهای ناشی از خشک شدن کاهش مییابد. افزودن نانوکربناتکلسیم به کامپوزیت آبی سیمان سبب بهبود سختی و مقاومت در برابر فرسایش بتن میشود. استحکام فشاری کامپوزیت دارای نانوکربنات کلسیم حداقل تا 25 درصد بیشتر از کامپوزیت سیمانی بدون نانوکربناتکلسیم است.
افزودن نانوذرات کربنات کلسیم به ماتریس سیمان و بررسی مقاومت خمشی در نمونههای 7 و 28 روزه. نمونه حاوی 1% نانوذرات کربنات کلسیم دارای بیشترین مقاومت میباشد]4[.
نانوذرات آلومینا:
افزودن نانوذرات آلومینا، باعث افزایش استحکام فشاری و مدول الاستیسیته ماتریس سیمان در سنین اولیه میشود. همچنین این نانوذرات باعث افزایش مقاومت در برابر شوک حرارتی و قابلیت تحمل تغییرات سریع دمایی در سیمان میشوند.
نانوذرات تیتانیا :
نانوذرات تیتانیا بهعلت پایداری شیمیایی و سمیت کم، بهخوبی شناخته شدهاند. نانوذرات تیتانیا مقاومت در برابرخوردگی، مقاومت در برابر شعله و مقاومت در برابر سایش سیمان را افزایش میدهند. این نانوذرات بهعنوان ترکیب اصلی در ملات سیمان برای تجزیه فوتوکاتالیستی اکسیدهای نیتروژن و سایر آلایندهها بهکار میروند. بتن دارای نانوذرات تیتانیا خاصیت خودتمیزشوندگی موثری از خود نشان میدهد و موجب تصفیه هوا و کاهش آلودگیها میشود.
شکل 6: بتن خودتمیز شونده بهکار رفته در نمای ساختمان شهر موسیقی و هنرهای زیبا در فرانسه
لازم به ذکر است که استفاده از انواع نانوذرات یادشده، بر خلاف افزایش مقاومت در سنین اولیه سیمان، در پارهای موارد سبب کاهش مقاومت بلند مدت آن میشود. البته با افزودن فوقروانکنندهها میتوان بر این مشکل غلیه کرد. به عنوان مثال، بر اساس نتایج آزمایشها، در ملاتهای فوقروان با درصدی از نانوذرات سیلیکا، بین 15 تا 20 درصد افزایش مقاومت فشاری مشاهده شد و مقاومت فشاری 90 روزه خمیر این سیمان به 8/144 مگاپاسکال رسید]1[.
نمونهای از محصولات تجاری شده
هماکنون محصولات تجاری پتنت شدهای مانند Alpol، Huber Crete، Cor-Tuf،Nycon-G Nano و سایر محصولات ، در زیر به توضیح مختصری داده شدهاند، در بازار موجود هستند.
- Alpol: استفاده از نانومواد افزودنی برای افزایش چسبندگی و استحکام سیمان]5[
- Huber Crete: استفاده از نانوذرات کربناتکلسیم به منظور افزاش مقاومت، کاهش نفوذپذیری و بهبود کارایی سیمان]6[
- Cor-Tuf: استفاده از نانومواد مختلفی، مانند سیلیکا، بهمنظور افزایش استحکام و سختی سیمان]7[
- Nycon-G Nano: استفاده از نانوالیاف و نانوذرات کربنات کلسیم بهمنظور کاهش ترکخوردگی، افزایش مقاومت در برابر ضربه، سازگار با محیط زیست]8[.
بنابراین استحکام کششی، مقاومت در برابر خوردگی، مقاومت در برابر ترک، مقاومت حرارتی و سایر خواص مکانیکی این مواد سیمانی بهصورت قابلتوجهی بهبود یافته است. همچنین فناوری نانو میتواند با کاهش انتشار دیاکسیدکربن، این مواد را با محیط زیست سازگارتر کند و ماندگاری آنها را افزایش دهد.
پتنت
سیمان یکی از پرکاربردترین مواد در صنعت ساختوساز است. درسال 2011 کل تولید جهانی برای سیمان 3400 میلیون تن بود. چین با 2 میلیارد تن تولید، بزرگترین تولید کننده است. هند و آمریکا به ترتیب با تولید 210 و 68 میلیون تن سیمان، در ردههای دوم و سوم قرار دارند.
با تحلیل پتنتهای مربوط به کاربردهای فناوری نانو در صنعت سیمان، 390 پتنت بهدست آمد. نخستین پتنت در زمینه سیمان توانمند شده با نانو در سال 1996 میلادی منتشر شد و از آن زمان به بعد فعالیت ثبت پتنت بهطور پیوسته افزایش یافته است، بهطوری که بعد از سال 2007 یک افزایش نمایی را شاهد هستیم. افزایش سریع در تعداد پتنتهای ثبت شده از سال 2007 به بعد، نشان از موفقیت در تجاریسازی کاربرد مواد نانومقیاس درترکیب مواد سیمانی است. چین با در اختیار داشتن 41 درصد پتنتهای جهان در این زمینه بیشترین سهم را داراست، کره جنوبی، ایالات متحده امریکا، روسیه و آلمان، سایر کشورهای پیشرو در این زمینه هستند. اگرچه کاربرد فناوری نانو درصنعت سیمان یک عرصه درحال ظهور است، روند ثبت پتنتها حاکی از آن است که تجاریسازی این فناوری قبلاً شروع شده و در آینده نزدیک، سیمان توانمندشده با فناوری نانو تا حد زیادی صنعت سیمان را در اختیار خواهد گرفت. در شکل زیر روند مربوط به تعداد پتنتها در زمینه کاربردهای فناوری نانو در صنعت سیمان تا سال 2012 نشان داده شده است]9[.
شکل7: نمودار ثبت زمانی پتنت در خصوص کاربرد فناوری نانو در صنعت سیمان
| نانومواد | تعداد پتنتهای ثبت شده |
| نانوسیلیکا | 125 |
| نانولوله های کربنی | 70 |
| نانوکامپوزیتهای پلیمر-رس | 62 |
| نانوکربناتکلسیم | 42 |
| نانوتیتانیا | 38 |
| نانوآلومینا | 32 |
| نانواکسیدروی | 16 |
| نانوسلولز | 5 |
جدول 1: تعداد پتنتهای ثبت شده برای نانو مواد مختلف بهکار رفته در سیمان
منابع
]1[ دکتر محمود گلابچی، دکتر کتایون تقیزاده، احسان سروشنیا، فناوری نانو در معماری و مهندسی ساختمان، انتشارات دانشگاه تهران، 1390
[2] Shengwei Sun, Xun Yu, Baoguo Han, Jinping Ou, in situ growth of carbon nanotubes/carbon nanofiberson cement/mineral admixture particles: A review, Construction and Building Material (2013)835.
[3] Gerrit Land, Dietmar Stephan, Controlling cement hydration with nanoparticles, Cement and Concrete Composites (2015) 64.
[4] Alaa M. Rashad,Effects of ZnO2, ZrO2,Cu2O3, CuO, CaCO3, SF, FA, cement and geothermalsilica waste nanoparticles on properties of cementitious materials –A short guide for Civil Engineer,Construction and Building Material (2013) 1120.
[5] www.alpol.pl
[7] www.google.com/patents/US20100221465
[8] www. nycon.com
[9] www.nanowerk.com
—————————————-
[1] Adherence
[2]Quasi-brittle
———————————————————————
بخش ترویج صنعتی فناوری های نانو و میکرو
====================================================================================
[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 دانلود فایل PDF کلیه گزارشات بهمراه جزئیات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی رسانه تخصصی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید]
====================================================================================
