کاربرد نانو در عمران

کاربرد نانو فناوری در بتن:
یکی از جنبه های اصلی نانو تکنولوژی ماهیت میان رشته ای آن است. تعامل این علم با علم بتن می تواند نقطه عطفی در صنعت ساخت و ساز ایجاد کند. هدف نهایی از بررسی بتن در مقیاس نانو، یافتن نسلی جدید از مصالح ساختمانی با عملکرد های بالا و با خواصی جدید و متفاوت نسبت به خواص مصالح معمولی است. اولین گام برای ورود به این عرصه، شناخت بتن است: تاریخچه، کاربرد ها، محاسن و معایب بتن، روش های سنتی اصلاح بتن، مزایا و معایب این روش ها و در نهایت شناخت نقاط ضعف و قوت بتن، سپس وارد دنیای نانو می شویم، بتن از دیدگاه نانو مشاهده می شود، ترکیبات، ساختارها و فرایند ها بازبینی می شوند سپس امکاناتی که این علم تا به امروز فراهم آورده بررسی می گردند و آینده نانو بتن ها ترسیم می شوند.

 معرفی:

بتن در مفهوم وسیع، به هر ماده یا ترکیبی که از یک ماده چسبنده با خاصیت سیمانی شدن تشکیل شده باشد گفته می ‌شود. این ماده چسبنده عموما حاصل فعل و انفعال سیمان های هیدرولیکی و آب می‌ باشد. بتن از پر کاربرد ترین مصالح ساختمانی است. ویژگی اصلی بتن ارزان بودن و در دسترس بودن مواد اولیه آن است. کاربرد بتن را می توان در تمامی کارهای عمرانی از قبیل ساختمان، مخازن و نیروگاه ها، سازه های دریایی مثل اسکله ها، جاده ها و راهها، مسیر های انتقال آب و سدها و … مشاهده کرد. تاکنون مطالعات زیادی در زمینه بهبود کیفیت بتن انجام شده است که اکثر آنها تغییر در ترکیب بتن (که به آن طرح اختلاط بتن گفته می شود) را بررسی کرده اند، با این حال استفاده از افزودنی ها و همچنین جایگزین کردن مصالح متداول مورد استفاده در بتن با مصالح جدید همیشه مورد توجه بوده است. یکسری از مواد جدید که توانسته اند خواص مکانیکی و فیزیکی بتن را ارتقا دهند، نانو مواد ها هستند. نانو مواد ها با توجه به خصوصیات شان در سطوح بسیار ریز میتوانند دنیای بتن را کاملا متحول کنند.
در این گردآوری سعی برآن شده که دید کلی از بتن نمایانده شود، تاریخچه ای در مورد این صنعت آورده شده، سپس مواد تشکیل دهنده بتن و از جمله افزودنی های متداول معرفی می شوند. برای ورود به عرصه نانو لازم است ساختار نانویی این ماده بررسی شود. همچنین در بخش نانو تکنولوژی در بتن، دو مسیر در تحقیقات نانو در بتن معرفی می شوند سپس آینده متصور شده برای نانو بتن ها ترسیم می شود و در نهایت چالش هایی که علم نانو در صنعت بتن مواجه است معرفی می شوند.

شکل ۱- صنعت بتن

تاریخچه:

کلمه “بتن” از ترجمه کلمه “concrete” و از ریشه لاتین “concertus” به معنای “متراکم و فشرده ” آمده است. رومی ها نوعی خاکستر آتشفشانی با نام پوزالان را با آهک مخلوط و ملاتی با مقاومت بالا تولید می کردند. بررسی های امروزی نشان داده است که مقاومت فشاری بتن های باستانی در مقایسه با بتن های امروزی تفاوت زیادی ندارند ولی مقاومت کششی آن ها بسیار کمتر است. بعد از روم باستان به نظر میرسد که راز ساخت بتن برای ۱۳ قرن مسکوت ماند تا در اوایل قرن ۱۶ میلادی دوباره مورد استفاده قرار گرفت. ترکیب دیگری شبیه بتن با نام ساروج از ابتکارات معماران ایرانی در دوران بسیار کهن است که جهت ساختن حوض، پل، آب انبار، برکه گرمابه و بنای خانه و سد کاربرد داشته ‌است. قدمت سازه های ساروجی تا ۷۰۰ سال تخمین زده شده است.
استفاده از نانو تکنولوژی در صنعت بتن به چند سال اخیر برمیگردد. از حدود ۸۰ سال پیش تاکنون استفاده از سیلیکا در ابعاد میکرون به صورت گسترده ای در بتن های پایه سیمانی مورد استفاده قرار گرفته است. ثابت شده است که استفاده از ذرات ریزتر از میکرو سیلیس باعث افزایش مقاومت فشاری بتن گردیده است، با این حال کمبود دانش و درک ضعیف از اثر ذرات فوق ریز و نانو ذرات در تکنولوژی بتن، تحقیقات فراوانی را در این زمینه می طلبد.

شکل ۲- معبد پانتئون رم به عنوان یکی از بزرگترین گنبدهای جهان جزو شگفتی‌های دنیای معماری، نمونه ای از سازه بتنی رومیان باستان.ضخامت گنبد ۱٫۵ متر و ارتفاع آن ۴۳٫۲ متر است.

شکل ۳- پل تاریخی سی وسه پل، در قسمت پی این پل از ساروج استفاده شده است.

مواد تشکیل دهنده متداول بتن:
بتن در کاربرد متداول ساختمانی به ماده ای تشکیل شده از شن (سنگ دانه های درشت دانه از ۰٫۵تا ۲٫۵ سانتیمتر است)، ماسه (سنگ دانه های کوچک تر از ۵/۲سانتیمتر است)، سیمان که در بتن نقش اتصال سنگ دانه ها را دارد و در ارتباط مستقیم با مقاومت بتن است و آب در بتن نقش روان کردن بتن برای کارایی بهتر و انجام عملیات هیدراتاسیون را داراست. در اثر واکنش شیمیایی سیمان و آب روند سخت شدن ادامه یافته و در نتیجه دانه ها (ماسه و شن) را بصورت تودﮤ سنگ مانندی به یکدیگر می چسباند. در عین حال بعضی مواد به عنوان مواد افزودنی در مرحله مخلوط کردن به بتن اضافه می‌شوند. این افزودنی ها به منظور افزایش مقاومت، کارایی، دوام و تغییر خاصیت های ظاهری بتن به آن اضافه می شود. مواد افزودنی به دو گروه مواد افزودنی‌های شیمیایی و مواد افزودنی‌های معدنی تقسیم می‌شوند. انواع معمول مواد افزودنی بتن به شرح زیر است:
– شتاب دهنده سرعت هیدراتاسیون بتن (سخت شدن)
– کاهش دهنده سرعت گیرش بتن.
– افزودنی های حباب زا باعث ایجاد حباب های با هندسه کروی و بسیار ریز درون بتن می شوند.اﻓﺰودﻧﯽ های ﺣﺒﺎب زا ﻋﻤﺪا ﺑﺮاﯼ اﻳﺠﺎد و ﺗﺜﺒﻴﺖ ﺣﺒﺎب های ﻣﻴﮑﺮوﺳﮑﻮﭘﯽ هوا در ﺑﺘﻦ اﺳﺘﻔﺎدﻩ ﻣﯽ ﺷﻮد.
– روان ساز بتن که به منظور کاهش دهنده مقدارآب بتن استفاده میگردد.
– مواد افزودنی که شامل رنگدانه ها که می تواند برای تغییر رنگ بتن و زیبایی استفاده گردد.
هرکدام از این روش ها می توانند یکی از ویژگی های بتن را ارتقا بخشند با این حال معمولا در ویژگی های دیگر بتن اثر منفی می گذارند و کیفیت بتن را به طور یکنواخت افزایش نمی دهند اما فناوری نانو این مزیت مهم را دارد که با اصلاح ضعف ها، مشکلاتی در زمینه دیگر ویژگی های بتن ایجاد نمی کند.
ساختار بتن:
بتن ماده ای با ساختار نانو، چند فازی و با اجزا مختلف است. این ساختار شامل فازهای نامنظم کریستالی از ابعاد میکرومتر تا نانومتر می باشد. فاز غیر بلوری و نانوساختار کلسیم-سیلیکات-هیدرات (C-H-S) باعث ایجاد چسبی می شود که اجزا بتن را به هم می چسباند.

شکل ۴- ساختار نانو مقیاس از کریستال [C-H-S3]

بتن در مقیاس نانو شامل ملکول ها، سطوح (دانه ها و فیبرها) و پیوندهای شیمیایی است. مشخصاتی که این مقیاس را توصیف می کنند شامل: ساختارهای ملکولی، گروه های عمل گر سطحی(surface functional groups) ، طول پیوندها، مقاومت (انرژی) و دانسیته می باشد. ساختار غیر بلوری و فاز های کریستالی و محدوده های میان فازی، در این مقیاس به وجود می آیند. مشخصات و فرایندها در مقیاس نانو، تعامل بین ذرات و فازها در مقیاس میکرو و اثرات بارهای اعمالی و کلا محیط پیرامون در مقیاس ماکرو، را تعریف می کند. به عبارت دیگر تمامی مشخصات مهندسی در یک توده بتن به فرایندهایی مربوط است که در نانو مقیاس اتفاق می افتد.

نانو تکنولوژی در بتن:
علم نانو و مهندسی نانو که گاهی با عبارت بهسازی نانویی در بتن بیان می شوند ، عناوینی هستند که برای توصیف دو مسیر در تحقیقات نانو تکنولوژی در بتن استفاده می شوند.
علم نانو مربوط است به اندازه گیری 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 تکنیک های پیشرفته توصیف و مدل سازی مربوط به سطح اتمی یا ملکولی.
نانو مهندسی شامل تکنیک های دستکاری ساختار در مقیاس نانومتری به منظور ایجاد نسل جدید و مناسب کامپوزیت های سیمانی با رفتار مکانیکی ایده ال است و حتی میتوان بتن با خواص جدیدی مثل مقاومت الکتریکی پایین، هوشمند بودن، خود تمیز کننده، خود ترمیم کننده، شکل پذیری بالاو … به وجود آورد.
فعالیت های تحقیقاتی اخیر در زمینه نانو تکنولوژی در بتن شامل: بررسی ذاتی هیدراسیون در سیمان، تاثیر اضافه کردن نانو سیلیکا به بتن، اضافه کردن نانو ذرات به سیمان، بتن و پوشش های سیمانی و مشاهده تاثیرات آن ها بر رفتار و مشخصات ایجاد شده است.

شکل ۵- مقیاس اجزا مختلف بتن و یک کاربرد آن

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 ۶۰۰ 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، پوسته هایی با ضخامت چند میکرون و با شکل های مختلف همچون استوانه ایجاد کرد و در اجزا 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 برای 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. می توان 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 می توان پوشش هایی ساخت که حرارت کمتری تولید کنند و در نتیجه اصطکاک کاهش یابد. پوشش ها می توانند خود تمیز شونده و خود ترمیم کننده باشند. سطوح بودن ترک دیگر یک آرزوی دور از دسترس نیست. با تکنولوژی نانو، تصور ما از بتن متحول خواهد شد.