کاربرد فناوری نانو در صنعت سیمان

به رغم اینکه سیمان کاربردهای زیادی دارد، مواد مبتنی بر سیمان خواص مکانیکی ضعیفی دارند و نسبت به آب و سایر مواد شیمیایی مهاجم بسیار نفوذ پذیرند. این مسئله سبب کاهش ماندگاری و دوام آنها می شود. همچنین صنعت سیمان یکی از منابع مهم منتشر کننده دی اکسید کربن است. به طوری که ۵ تا ۶ درصد از انتشار سالانه دی­اکسید کربن در جهان مربوط به این صنعت است.

فناوری نانو می تواند نقش مهمی در صنعت ساخت و ساز ایفا کند به طوری که برحسب مهمترین کاربردهای فناوری نانو در صنایع، صنعت ساخت و ساز در رده هشتم قرار دارد. نانو مهندسی مواد مبتنی بر سیمان می تواند سبب ایجاد خواص برجسته یا هوشمند(Smart Properties) شود. فناوری نانو این پتانسیل را دارد که با ورود به صنعت سیمان، چالش هایی مثل انتشار دی اکسید کربن، مقاومت کم در مورد ترک خوردگی، زمان عمل آوری طولانی، استحکام کششی کم، جذب آب زیاد، قابلیت چکش خواری کم و بسیاری از عملکرد های مکانیکی دیگر را هدف قرار دهد. با ترکیب نانو موادی مثل نانو ، ، ، ، نانو لوله های کربنی، نانو رس ها، نانو فیبرهای کربنی و سایر نانو مواد با مواد سیمانی بهبود قابل توجهی در خواص مکانیکی و ماندگاری این مواد ایجاد شود.

۱-معرفی بتن

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 عموماً حاصل فعل و انفعال سیمان های هیدرولیکی و آب می‌ باشد. بتن از پرکاربردترین 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 راه ها، 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. در این گردآوری سعی برآن شده که دید کلی از بتن نمایانده و تاریخچه ای در مورد این صنعت آورده شود، 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.

۲-تاریخچه بتن

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 می رسد که راز ساخت بتن برای ۱۳ قرن مسکوت ماند تا در اوایل قرن ۱۶ میلادی دوباره مورد استفاده قرار گرفت.

Inside the Pantheon ("to every god") temple in Rome, Italy. Natural light enters the oculus (eye) in the center of the dome.

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

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[۱]. استفاده از نانو تکنولوژی در صنعت بتن به چند سال اخیر برمی گردد. 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.

Si-o-se-Pol

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

۳-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 می توان بتن با خواص جدیدی مثل مقاومت الکتریکی پایین، هوشمند بودن، خود تمیز کننده، خود ترمیم کننده، شکل پذیری بالا و … به وجود آورد. فعالیت های تحقیقاتی اخیر در زمینه نانوتکنولوژی 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.

 

۴-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 نانوموادهای موجود مثل نانوسیلیکا 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 می­توان 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 شکل­دهی 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 نانومتری 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.

10

پوشش خود تمییز شونده، ساخته شده با نانو ذرات

۵-چالش های نانو تکنولوژی در صنعت بتن

نانو تکنولوژی مانند تمامی تکنولوژی های نو نیاز به یک توجیه اقتصادی دارد، در حال حاضر هزینه های بالای نانوذرات مانع از توسعه روزافزون این محصولات و استفاده آن ها در صنعت می گردد، برای همین بهره برداری از نانوتکنولوژی در صنعت بتن در مقیاس تجاری همچنان به چند محصول قابل عرضه در بازار محدود گردیده است.
مشکل دیگر در زمینه استفاده از نانو مواد ها توزیع یکنواخت آن ها در ماتریس بتن است. معمولاً این مواد در حین افزوده شدن به بتن به صورت کلوخه انباشته می شوند و در مخلوط به خوبی توزیع نمی شوند، البته برای این حل مشکل می توان از دستگاه های مخلوط کن قوی استفاده کرد.

اشکال دیگر در این زمینه جذب آب بسیار بالای ذرات نانو است. این ذرات به علت سطح ویژه بسیار بزرگی که دارند مقدار زیادی آب جذب می کنند و ممکن است بر کارایی بتن تاثیر گذار باشد[۲]. درنهایت چالش هایی هستند که باید قبل از گسترش استفاده از نانو فناوری در صنعت بتن حل شوند مانند: توزیع یکنواخت نانو مواد، سازگاری نانومواد با سیمان، فرآوری، تولید، ایمنی، مسائل مربوط به حمل و نقل، تولید انبوه و هزینه ها، به علاوه معرفی کردن این مصالح جدید به جامعه از طریق زیرساخت های اجتماعی مستلزم افزایش و درک تأثیر آن ها روی محیط زیست و سلامت انسان ها می باشد، با این حال چیزی که واضح است این است که، اکنون، بعد از ۵۰ سال از مقاله مشهور فینمن(Feynman.R)، نانو فناوری در حال تغییر دیدگاه دانشمندان و مهندسین در مورد یکی از قدیمی ترین ماده های ساخت بشر، بتن، است.

۶-نانومواد و فناوری نانو برای عملکرد بالا کامپوزیت سیمان

نانو نگاه ما را تغییر داده است و این به خاطر انتظارات و توانایی برای کنترل جهان مادی می باشد. تحولات علم نانو نیز تاثیر زیادی در زمینه مصالح ساختمانی دارد. سیمان پورتلند یکی از بزرگترین کالاهای مصرف شده توسط انسان است، معلوم است که این سیمان قابلیت های منحصر به فردی دارد. اما پتانسیل های آن به طور کامل کشف نشده درک بهتر مهندسی ساختار پیچیده مواد با پایه سیمان در حد نانومتر قطعاً نسل جدیدی از بتن را تولید خواهد کرد. تحقیقات بر روی خواص مکانیکی ملات سیمان با نانو   به روش سل – ژل انجام شده است. با نگاه به طبیعت هم می توان به موضوع با اهمیت ذرات نانو مواد پی برد. به عنوان مثال: مواد نانوکامپوزیتی از پوسته صدف آبالون شامل نانوذرات کربنات کلسیم (آراگونیت) باهم توسط چسب های ساخته شده از یک ترکیب پروتئین کربوهیدرات محدود مخلوط شده است. این نوع از کامپوزیت نانو ساختار منجر به قدرت بسیار بالا و چقرمگی در پوسته به علت به هم پیوسته بودن نانو بلوک های کربنات کلسیم که مسئول جلوگیری از ایجاد ترک و اتلاف انرژی می باشد. امیدوارکننده ترین تحولات شامل سنتز از اشکال جدید کربن، فولرن ( ) و نانو لوله های کربنی (به طور مفصل در شماره قبل نشریه ذکر شد.) می باشد. یکی از خواص نانو لوله ها استحکام کششی فوق العاده بالای آن ها می باشد که باعث می شود که این مواد جزء ایده آل تقویت شده از الیاف مدرن باشند که اخیرا برای کابل های آسانسورپیشنهاد شده است.

۷-تحلیل پتنت (Patent)

کاربرد های فناوری نانو در سیمان هیدرولیکی (سیمانی که بعد از ترکیب با آب تثبیت و سفت می شود.) محدود است. نانو مواد به طور گسترده ای در صنعت سیمان پورتلند (نام شهری در ایالت اروگان آمریکا می باشد.)(که از طریق گرمایش رس و سنگ آهکدر کوره و پودر کردن مخلوط حاصل تهیه می شود.) به کار میرود.

Sompo_Japan_Head_Office_Building_2009_02

برج MM در یوکوهامای ژاپن با سطح خود تمیز شونده

عناصر مختلف در ابعاد نانو رفتارهای متفاوتی را از خود نشان می دهند. در جدول صفحه بعد بعضی از عناصری که در ابعاد نانو هستند و با سیمان ترکیب می شوند را آورده ایم که هرکدام خواص ویژه خود را برروی سیمان ایجاد می کنند. همچنین تعدادی از پتنت های موجود هرکدام را نیز آورده ایم[۳].

2

منابع:

  1.  www.nanowerk.com/spotlight/spotid=28101.php
  2. proceeding  sessionon “nanotechnology of concrets: recent developments and future perspectives”November, 2006, Denver. USA

  3. www.edu.nano.ir

درباره نویسنده

مطالب مرتبط

نظر بدهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *