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.
همگام با توسعه فناوری نانو در صنايع مختلف، توجه به كاربردهای اين علم، در صنعت بتن منجر به پیشرفتهایی در این زمینه گردیده است. هدف اصلی که دانشمندان و مصالحشناسان به کمک نانومواد درصدد آن هستند، افزایش مقاومت بتن و تولید بتنهای فوقتوانمند است که در کاربردهای گوناگون ساختمانسازی امروزی، به لازمهای غیرقابل اجتناب تبدیل شدهاند. بتن الیافی، بتن خودمتراکم، بتن هوشمند گرمازا و … مثالهایی از کاربرد فناوری نانو در بتن و تولید بتنهای توانمند است. در این نوشتار به برخی از کاربردهای فناوری نانو در بتن پرداخته شده است.
- نانو بتن هوشمند گرمازا
برفروبی و باز کردن جادهها، پلها و باندهای فرودگاه مسدود شده در اثر بارش برف در زمستان، یکی از چالشهای بزرگ در زمینهی نگهداری مسیرهای ارتباطی در کشورهای سردسیر و برفخیز است که هزینههای زیادی را به سازمانهای راهداری تحمیل میکند. روشهای قدیمی که اغلب مبتنی بر پخش کردن نمک در سطح راه بهمنظور ذوب کردن برف است، هزینهبر، زمانبر و دارای آثار سوء زیست محیطی هستند. 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.
نانوبتن هوشمند گرمازا طبق فناوری نانو طراحی شده و از این محصول برای بستر راهها و باند فرودگاهها استفاده میشود. نانو بتن هوشمند گرمازا میتواند در هر لحظه اطلاعات دقیقی از درجه حرارت و تغییرات آن به سیستم کنترل کننده مرکزی ارسال کند. در این سیستم در صورتی که دما در هر منطقه از سطح مورد نظر به حدود دمای یخبندان برسد، دستگاه کنترل کننده به صورت اتوماتیک اقدام به گرم کردن آن بخش کرده و برف و یخ موجود روی سطح را تخلیه میکند. در نتیجه معبر، جاده یا باند فرودگاه همواره خشک و ایمن باقی می ماند.
شکل1: اجزا ی تشکیل دهنده نانو بتن هوشمند گرمازا
ویژگیهای نانوبتن هوشمند گرمازا:
- این بتن، از قابلیت رسانش حرارتی عالی برخوردار است و میتواند حرارت ایجاد شده در خود بتن را به راحتی به سطحش منتقل کند.
- با استفاده از حسگرهای حرارتی پیشبینیشده در نزدیکی سطح بتن، دما تحت بررسی دایمی قرار دارد. ابزار تولیدکنندهی حرارت در عمق بتن و حسگرهای حرارتی سنجش دما در نزدیکی سطح بیرونی بتن قرار میگیرند. حسگرهای حرارتی پیشبینی شده برای این نوع بتن، بهگونهای طراحی شدهاند که دمای سطح بتن را هر 30 ثانیه یکبار اندازهگیری می کند. خطای نشان داده شده در آزمایشها، حدود یک درصداست. از آنجا که رسانش حرارتی بتن معمولی حدود 3kcal/mhr˚c است، میتوان گفت که خطای ابزار پیشبینی شده حدود 03kcal/mhr˚c است]20[.
| نانوذرات TiO2، Al2O3، Fe2O3و پارافین حاوی نانوکپسولهای پلیمری، نامزدهای استفاده در بتنهای هوشمند گرمازا هستند. |
- بهدلیل اینکه هدایت حرارتی این نوع بتن بسیار مهم است، در طرح اختلاط، از سنگدانههای کوارتز (که در میان سنگدانههای معمول، بیشترین ضریب رسانایی حرارتی را دارند) استفاده میشود. 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. از الیاف فلزی نیز بهمنظور توزیع یکنواخت و همگن حرارت در بتن استفاده میشود. این رشتههای فلزی هم عهدهدار انتقال حرارت هستند، هم تنشهای حرارتی را جذب میکنند و هم بر مقاومت کششی بتن میافزایند.
به سبب ساختارکریستالی منظمی که تیتانیا و آلومینا دارند، درآزمایشها نتیجه بهتری نسبت به نانوذرات اکسیدآهن نشان دادهاند.
شکل 2: تصویر میکروسکوپی نانوذرات مختلف فلزی در بتن
شکل 3: اثر افزودن درصدهای مختلف نانو ذرات در حرارت ایجاد شده]3[.
مزایای نانوبتن هوشمند گرمازا:
- عدم نیاز به نمکپاشی و به وجود نیامدن مشکلات زیستمحیطی
- تخلیه برف و یخ به صورت اتوماتیک از سطح جادهها و معابر
- کاهش هزینههای برفروبی و نگهداری راه
- کاهش ترافیک در فصل سرما
- کاهش تصادفات و خسارتهای مالی و جانی و افزایش ایمنی جادهها
- دوام و پایایی بالاتر نانوبتن نسبت به نمونههای آسفالتی
- نانوذرات الکتروسینتیک و کاهش خوردگی فولاد مسلح کننده بتن
خوردگی فولاد مسلح کننده بتن، یکی از بزرگترین مشکلات دوام بتن است. عامل اصلی این خوردگی، کلریدهای نفوذ کننده در بتن هستند.
دلایل اصلی ایجاد کلرید در بتن:
- استفاده از نمکهای یخزدا (کلریدسدیم) به بتن برای سرعت بخشیدن به روند آب شدن برف و یخ در مناطق در معرض یخزدگی
- قرار گرفتن بتن در نواحی دریایی و ساحلی (چه به شکل تماس مستقیم بتن با آب دریا و چه بر اثر برخورد یونهای کلری که بهطور طبیعی در هوا وجود دارند).
زمانیکه نمکهای یخزدای حاوی کلریدسدیم (NaCl) بر روی بتن پاشیده میشود، یوهای Cl– به درون بتن نفوذ کرده و با فولاد مسلح کنندهی بتن واکنش نشان میدهد و موجب خوردگی آن میشود. اولین نتیجه خوردگی فولاد، کاهش سطح مقطع موثر میلهگردهاست. گسترش حجم خوردگی، سبب افزایش تنش بر بتن مجاور فولاد شده و موجبات بروز ترک کششی و در نهایت نقصهای سازهای و کاهش عمر مفید بتن را فراهم خواهد کرد. در روش قدیمی که بهمنظور مقابله با این اثر نامطلوب در پیش گرفته میشد، سعی بر آن بود تا بتنی متراکمتر و توپرتر و با تخلخل کمتر بسازند، با این امید که ضریب پخش کلریدها در بتن به حداقل برسد. اما متاسفانه بتنی که با این فرمولاسیون ساخته میشد تمایل بیشتری به ترک خوردن داشت. بعد از این، روشهای دیگری مانند روش استخراج الکتروشیمیایی کلرید ( ECE)[1]نیز ابداع شد که موفقیت آمیز نبود. با کمک فناوری نانو روش جدیدی ابداع شده است که در آن پس از استخراج یونهای کلر، نانوذرات پوزولانی به بتن اضافه میکنند. این روش بسیار مفیدتر و کارآمدتر از روش ECE است. این روش شامل تزریق الکتروسینتیک نانوذرات پوزولان یا نانوذرات سیلیکا-آلومینا ( با ابعادی در حدود 24 نانومتر) در بتن است. نانوذرات با نفوذ در خللوفرجو حفرههای ریز درون ساختار بتن، در نقش سد کنندهی حفرهها عمل کرده و از ورود مجدد یونهای کلرید به درون بتن پیشگیری موثر و قابل قبولی بهعمل میآورند. این نانوذرات پس از وارد شدن به ساختار درونی بتن، دستخوش واکنش هیدروکسید کلسیم موجود در بتن میشوند. محصول این واکنش، کلسیم-هیدرات- سیلیکات (C-H-S) است که سبب افزایش مقاومت بتن و کاهش نفوذپذیری آن میشود. کاهش نفوذپذیری خود، منجر به پیشگیری از نفوذ بیشتر کلریدها به بتن خواهد شد.
شکل 4:سازوکار تزریق الکتروسینتیک نانوذره در ماتریس سیمان با هدف کلرزدایی]3[.
شکل5:سامانه تزریق نانوذرات الکتروسینتیک درون بتن]4[.
شکل 6: تفاوت مشهود بین بتن معمولی در معرض یون کلرید (سمت راست) و بتن یونزدایی شده به روش تزریق الکتروسینتیک نانوذرات پوزولانی (سمت چپ)]4[.
مزایای استفاده از نانوذرات جهت کلرزدایی بتن:
- بازدهی بالا در خروج یونهای کلرید از بتن
- پیشگیری از نفوذ مجدد یونهای کلر
- بتنهای خودتمیزشونده
امروزه استفاده گستردهای از بتن در بخشهای مختلف زیرساختی و روساختی شهری به چشم میخورد، جادهها و بزرگراهها، پلها، ساختمانها و دیگر عرصههای ساختوساز همگی نیازمند بتن هستند، بنابراین آلودگی و کثیفی سطوح بتنی سبب بدمنظره شدن چشماندازهای شهری خواهد شد. غالب نگرشهای متداول در زمینهی پیشگیری از آلوده شدن سطوح بتنی، مبتنی بر استفاده از مواد محافظ است، حال آنکه در سالیان اخیر، ظهور و پیدایش پوششهای نوینی که از ویژگیهای خودتمیزشوندگی و آسانتمیزشوندگی برخوردارند، بر کیفیت، دوام و زیبایی ظاهری و کاهش مصرف انرژی و نیروی انسانی در جهت تمیزنگهداشتن این سطوح، شرایط مطلوبی را برای معماران و مهندسان ساختمان تصویر کرده است.
پوششهایهای قدیمی که برای بتن استفاده میشود، برای اینکه بتوانند در برابر آثار ناشی از هوازدگی و سایش، از مقاومت کافی برخوردار باشند، ضخامت زیادی داشته، در برابر تابش پرتوهای فرابنفش خورشید مقاوم نبوده و با گذر زمان دچار تجزیه میشوند.
با کمک فناورینانو، بتنهای نسل جدید را بهگونهی فتوکاتالیتیک[2] طراحی میکنند. اثر خودتمیزشوندگی فتوکاتالیتیک، یکی از پرکاربردترن عبارتهای در ارتباط با فناوری نانو در صنعت ساختمان است. مصالح فتوکاتالیتیک، برای ارائهی عملکرد مناسب، نیازمند اشعهی فرابنفش، اکسیژن و رطوبت هوا هستند. میزان معمول پرتوهای فرا بنفش موجود در نور روزانه، برای فعال کردن واکنشهای فتوکاتالیتیک کافی است. آلودگیهای طبیعی چسبیده بر روی سطوح، در اثر فتوکاتالیز و به کمک یک کاتالیزور از انواع اکسید فلزات فعال تجزیه میشوند. دیاکسید تیتانیوم (TiO2) ازطریق واکنشهای فوتوکاتالیستی قوی قادر به شکستن وتجزیه آلایندههای آلی، ترکیبات آلی فرار و غشای باکتریایی است و به همین دلیل برای ایجاد خاصیت ضدعفونیکنندگی به رنگها، سیمانها و شیشهها اضافه میگردد. چنانچه از TiO2در سطوح بیرونی سازهها استفاده شود، قادر است غلظت آلایندههای موجود در هوا را کاهش دهد. TiO2مادهای آبدوست است و با اضافه شدن به سطح، موجب ایجاد خاصیت خود تمیزکنندگی در آن میگردد. بتن تولید شده با این ذرات هم اکنون در پروژههایی در سرتاسر دنیا در حال استفاده است، این عمل به واسطهی لحاظ کردن نانوذرات فعال در طرح اختلاط بتن و آمیختهشدن آنها با دیگر مواد اصلی و بنیادی بتن ممکن میشود. این بتن دارای رنگ سفید ودرخشندگی خاصی است که سفیدی ودرخشندگی خود را بهطور موثری حفظ میکند، این درحالی است که سازههای ساخته شده با بتن معمولی فاقد چنین ویژگی هایی هستند.
شکل 7: شمایی از عملکرد فرایند خودتمیزشوندگی در بتن و کاهش آلایندههای هوا
در فرایند تولید بتن خودتمیزشونده، ذرات دیاکسیدتیتانیوم در فرم آناتاز[3] مخلوط شده و زمینهساز شکلگیری فرایند فتوکاتالیتیک میشوند که سرانجام منجر به اکسید شدن و تجزیه کثیفیها و دیگر مواد آلایندهی موجود بر سطح بتن و تبدیل آنها به مواد بنیادین غیرآلایندهشان 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 شده و مواد برجای مانده از تجزیه آلودگیها را شسته و با خود میبرند. بر پایهی گزارشهای تخصصی منتشر شده از انجمنها و آزمایشگاههای تخصصی، این بتنها، علاوه بر قابلیت خودتمیزشوندگی از امکان کاهش آلایندههای موجود در هوا مانند، اکسیدهای نیتریک (NOx) نیز برخوردارند.
در آزمایشی که در سال 2002 میلادی در خیابان موراندی در سگراته میلان در ایتالیا[4] ( یکی از مسیرهای پر رفتوآمد شهر) انجام شده است، یک لایه از ملات فتوکاتالیز به طول 230 متر(مساحت 7000 متر مربع) بر سطح مسیر اعمال شد. نتیجهی آزمایشها بدین قرار بود که تا بیش از 60 درصد از میزان آلایندهها کاسته شد.
شکل8: استفاده از بتنهای خودتمیزشونده در سطوح خیابان
آینده وضعیت بتن:
بتن از پرکاربرد ترین و مهمترین مصالح در صنعت ساختمان است. ویژگی اصلی بتن ارزان بودن و در دسترس بودن مواد اولیه آن است. با استفاده از فناوری نانو و کاربرد نانومواد مختلف در بتن، میتوان بهصورت موثر به ساختن بتنی جدید و با قابلیتهای فوقالعاده دست یافت. نانومواد 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 بر میگردد و انتظار میرود با حمایت دولت و شرکتهای بزرگ در زمینه کاربرد فناوری نانو در بتن، در این صنعت رشد خوبی برای سالهای آینده مشاهده شود.
شکل 9: کاربرد فناوینانو در بخشهای مختلف صنعت ساختمان در آینده
منابع:
]1[ دکتر محمود گلابچی، دکتر کتایون تقیزاده، احسان سروشنیا، فناوری نانو در معماری و مهندسی ساختمان، انتشارات دانشگاه تهران، 1390
[2] Poursharifi J., Hashemi S.A.H., Shirmahamadi H., Feizi M., Intelligent exothermal nano concrete with high thermal conductivity and designing and performing the automatic road temperature monitoring system, 2009.
[3] Kupwade-Patil K., Gordon K., Xu K., Moral O., Cardenas H., Corrosion mitigation in concrete beams using electrokinetic nanoparticle treatment, 2008.
[4] Kupwade-Patil K., Gordon K., Xu K., Moral O., Cardenas H., Long-term durability of reinforced concrete rehabilited via electrokinetic nanoparticle treatment, 2008.
——————————————
[1]فرایند ECE به معنای زدودن یونهای کلرید از بتن بهوسیلهی اعمال یک جریان ثابت الکتریکی به مدت 4 تا 8 هفته بر بتن است.
[2]Photocatalytic
[3]آناتاز، یکی از سه فرم کریستالی دیاکسیدتیتانیوم است.
[4]Morandi street, segrate.Milan,Italia
———————————————————————
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]
====================================================================================
