كاربرد مواد نانو ساختار در صنعت ساختمان
خلاصه
مواد نانو (Nanoparticular) به موادي گفته مي شود كه حداقل يكي از ابعاد آن (طول , عرض , ضخامت ) زير 100nm باشد . مواد نانو ساختار با توجه به رفتارهاي بارزي كه از خود نشان داده اند مورد توجه بخش صنعت و دانشگاه در دهه هاي اخير قرار گرفته اند . در اين ميان صنعت ساختمان با توجه به نيازهاي خود چه از نظر استحكام , مقاومت و دوام و نيز كارايي بالا از استفاده كنندگان مهم مواد نانو ساختار (Nanostructure Materials ) به شمار مي رود .
مقدمه :
مواد نانو به عنوان موادي كه حداقل
يكي از ابعاد آن (طول ، عرض ، ضخامت ) زير 100nm باشد تعريف شده اند ، يك نانومتر يك هزارم ميكرون يا حدود
100000 برابر كوچكتر از موي انسان است . به طور كلي ،در
يك تقسيم بندي عمومي ، محصولات نانو مواد را مي توان به صورت هاي زير بيان كرد : · فيلمهاي نانو لايه ( Nano Layer Thin Films ) براي كاربردهاي عمدتاً الكترونيكي · نانو پوششهاي حفاظتي (Nano Coating ) براي افزايش مقاومت در برابر خوردگي ، حفاظت در مقابل عوامل مخرب
محيطي · نانو
ذرات به عنوان پيش سازنده (Precursor)
يا اصلاح ساز (Modifier) پديده
هاي شيميايي و فيزيكي · نانو
لوله ها (Nanotubes) منظور از يك ماده نانو ساختار
يا واضح تر يك بدنه نانو ساختار (
Nanostructured Solid ) جامدي است كه در آن انتظام اتمي ،
اندازه كريستالهاي تشكيل دهنده و
تركيب شيميايي در سراسر بدنه در مقياس چند نانو متري گسترده شده باشد .
خواص فيزيكي و شيميايي مواد نانو (در شكل و فرمهاي متعددي كه وجود
دارند از جمله ذرات ، الياف ، گلوله و .
. . ) در مقايسه با مواد ميكروسكوپي تفاوت اساسي دارند .
تغييرات اصولي كه وجود دارد نه تنها از نظر كوچكي اندازه بلكه از نظر خواص جديد آنها در سطح مقياس نانو مي باشد .
هدف نهايي از بررسي مواد در مقياس نانو ، يافتن طبقه جديدي از مصالح ساختماني
با عملكرد بالا مي باشد ، كه آنها را مي توان به عنوان
مصالحي با عملكرد بالا و چند منظوره اطلاق نمود . منظور از عملكرد چند منظوره ، ظهور خواصي جديد و متفاوت
نسبت به خواص مواد معمولي مي باشد به گونه اي كه مصالح
بتوانند كاربردهاي گوناگوني را ارائه نمايند .
در مطالب بعدي كه خواهد آمد مواد
نانو ساختاري معرفي خواهند شد كه با توجه به نوظهور بودن چنين موادي مي توانند تحولي شگرف در صنعت ساختمان
سازي و صنايع وابسته به آن ايجاد كنند . 2. مواد
نانو كمپوزيت :
مواد نانو كمپوزيت بر پايه
پليمر (ماتريس پليمري ) اولين بار در سالهاي 70 معرفي شده اندكه از تكنولوژي سول- ژل(Sol-Gel) جهت
انتشار (Disperse) دادن ذرات نانو كاني درون ماتريس پليمر استفاده شده است .
هرچند تحقيقات انجام شده در دو دهه گذشته براي توسعه
تجاري اين مواد توسط شركت تويوتا در ژاپن در اواخر سالهاي 80 صورت گرفته است ، ولي رشته نانو كمپوزيت پليمر هنوز در مرحله جنيني و در آغاز راه
مي باشد .
در اين
شرايط نانو آلومينا ، بهترين ساختار نانوئي است كه افق جديدي را در صنعت سراميك نويد مي دهد . زيرا كاربرد اين مواد
پديده اي است كه از نظر مكانيكي ، الكتريكي و خواص
حرارتي به طور مناسب داراي تعادل بوده و در رشته هاي مختلف كاربرد دارد . از جمله مي توان به چند نمونه اشاره كرد :
· تكنولوژي نانو فلز آرتونايد كه اخيراً به طور تجاري
، الياف نانويي آلومينا ، انقلابي در رشته سراميك بوجود آورده است . · ذرات نانويي غير فلز مانند : نانو سيليكا ، نانو زيركونيا و
مواد ديگر اصلاح كننده سراميك
ها مي باشد .
3. بتن با عملكرد بالا ([1]HPC)
:
يكي از چالشهايي كه در رشته مصالح ساختماني بوجود آمده است ، بتن با عملكرد بالا(HPC ) مي باشد
. اين نوع بتن مقاوم از نوع مصالح كامپوزيت بوده و
از نظر دوام جزو مصالح كامپوزيت و چند فازي مركب و پيچيده مي باشد . خواص ، رفتار و عملكرد بتن بستگي به نانو
ساختار ماده زمينه بتن و سيماني دارد كه چسبندگي ، پيوستگي و يكپارچگي را بوجود مي آورد .
بنابراين ، مطالعات بتن و خمير سيمان در مقياس
نانو براي توسعه مصالح ساختماني جديد و كاربرد آنها بسيار حائز اهميت مي باشد . روش معمولي براي توسعه بتن با
عملكرد بالا اغلب شامل پارامترهاي مختلفي از جمله طرح
اختلاط بتن معمولي و بتن مسلح با انواع مختلف الياف مي باشد . در مورد بتن به طور خاص ، علاوه بر عملكرد با دوام
و خواص مكانيكي بهتر ، بتن با عملكرد بالاي چند
منظوره (MHPC) خواص اضافه ديگري را دارا مي
باشد ، از جمله مي توان به خاصيت
الكترو مغناطيسي ، و قابليت به كار گيري در سازه هاي اتمي (محافظت از تشعشعات ) و افزايش موثر بودن آن در حفظ انرژي ساختمانها و ... را نام
برد .
4. نانو سيليس آمورف :
در صنعت بتن ، سيليس يكي از معروفترين
موادي است كه نقش مهمي در چسبندگي و پر كنندگي بتن با عملكرد بالا (HPC) ايفا مي كند .
محصول معمولي همان سليكيافيوم يا ميكرو سيليكا مي باشد كه داراي قطري در حدود 1/0 تا 1
ميلي متر مي باشد و داراي اكسيد سيليس حدود 90% مي باشد
. مي توان گفت كه ميكرو سيليكا محصولي است كه در محدوده بالاي اشل اندازه نانو متر جهت افزايش عملكرد
كامپوزيت مواد سيماني به كار برده مي شود .
محصول نانو سيليس متشكل از ذراتي هستند كه داراي شكل گلوله اي بوده و
با قطر كمتر از 100nm يا بصورت ذرات خشك پودر يا
بصورت معلق در مايع محلول قابل انتشار
مي باشند ، كه مايع آن معمول ترين نوع محلول نانو سيليس مي باشد ، اين نوع محلول در آزمايشات مشخص در بتن خود
تراكم([2]SCC)
به كار گرفته شده است . نانو سيليس معلق كاربردهاي چند منظوره از خود نشان مي دهد مانند :
- خاصيت ضد سايش
- ضد لغزش
- ضد حريق
- ضد انعكاس سطوح
آزمايشات نشان داده اند كه واكنش مواد نانو سيليس (Colloidal Silica ) با هيدرواكسيد
كلسيم در مقايسه با ميكرو سيليكا بسيار سريع تر انجام گرفته و مقدار بسيار كم اين مواد همان تاثير پوزالاني
مقدار بسيار بالاي ميكرو سيليكا را در سنين اوليه
دارا مي باشد .
تمام كارهاي انجام يافته بر روي كاربرد مواد نانو سيليس كلوئيدي (Colloidal
Nano Silica ) در بخش اصلاح خواص ريولوژي ، كار پذيري و مكانيكي خمير سيمان بوده است . آنچه كه
در اينجا مطرح است نتايج اوليه محصولات نانو سيليس با
قطري در محدوده 5 تا 100 نانومتر مي باشد .
5. نانو لوله ها : (NANOTUBES)
همان گونه كه در مقدمه مقاله مطرح شد
معمولاً الياف براي مسلح كردن و اصلاح عملكرد مكانيكي بتن بكار برده مي شوند . امروزه از الياف فلزي ، شيشه اي
، پلي پروپلين ، كربن و . . .
در بتن براي مسلح
كردن استفاده مي شود و ليكن تحقيقات روي بتن مسلح شده توسط نانو لوله كربني (Carbon Nanotubes ) انتشار نيافته است تا بتوان از
نتايج آن براي مسلح كردن
بوسيله نانو لوله ها استفاده كرد .
نانو لوله كربني توسط LIJIMA در سال 1991
كشف شده است و كارهاي بسياري بر روي ساختار نانو در بخش فيزيك كوانتوم انجام يافته است بطوري كه تحقيقات نوين
بر روي تكنولوژي و مهندسي نانو در سطح جهاني نقش
اساسي و اصلي بازي مي كند . كربن 60 و نانو لوله هاي نوين داراي ساختاري هستند كه آنها را از فولاد قوي تر و بسيار
سبك مي كند بطوريكه مي توانند خميدگي و كشش را بدون
شكستن تحمل نمايند و در آينده جايگزين الياف كربن خواهند شد كه در كامپوزيت ها به كار برده مي شوند .
نانو لوله ها با توجه به تحقيقات انجام شده در مركز تحقيقات بتن( وابسته به موسسه ACI شاخه ايران ) ، داراي مقاومت كششي بيش از هر نوع الياف بتني شناخته شده مي باشند و نيز
نانو لوله ها خواص ويژه قابل ملاحظه حرارتي و الكتريكي
از خود نشان مي دهند ، بطوريكه هادي بودن حرارت آنها بيش از دو برابر الماس و هادي بودن الكتريكي آنها در
حدود 1000 برابر فلز مس مي باشد .
نانو لوله ها
طبقه جديدي از محصولات مي باشند كه انقلابي جديد در زمينه مصالح و مواد پيشرفته را بوجود آورده اند . يك نسل
جديد از نانو كامپوزيت هاي چند منظوره مي توانند
به عنوان نانو لوله هاي كربني در نقش الياف مسلح كننده مناسب آن مواد مورد استفاده قرار گيرند . بنابراين نانو
لوله هاي كربني از اجزاي كليدي بدست آوردن هدف اصلي ذكر
شده در فوق به عنوان مصالح ساختماني با عملكرد بالاي چند منظوره , بازي مي كنند .
6. نتيجه گيري :
منظور از مقاله ارائه
شده نشان دادن مصالح جديد ساختماني و بيان مزاياي استفاده از اين نوع مواد در صنعت ساختمان مي باشد ، البته به دليل
نو بودن اين نوع مصالح زمينه هاي فراواني براي
كارهاي نظري و عملي در دانشگاههاي كشور وجود دارد كه اميد است كه با معرفي مصالح با ساختار نانو راه براي گامهاي
بلندتر در اين زمينه باز شود .