|
ستاد ويژه توسعه فناوري نانو |
Iranian Nanotechnology Initiative |
| كاربرد مواد نانو ساختار در صنعت ساختمان |
تاريخ :
01/02/84 |
|
| نويسندگان :ارژنگ صادقي,رحيم هاشم زاده | | كليد واژه ها :بتون,ساختمان,مصالح ساختماني,نانو كمپوزيت |
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 . |
|
متن مقاله
. 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 .
7. تشكر و قدرداني :
از زحمات و مساعدت هاي
استاد گرانقدرم جناب آقاي دكتر صادقي كه در طول نوشتن مقاله از هيچ كوششي
در كمك به بنده دريغ نكردند كمال تشكر و قدرداني مي شود .
|
[1]
High Performance Concrete
[2]
Self Compacting Concrete
|
|
|
| منابع : |
| جله ACI ، شماره 3 ، آذر ماه 1382 |
| مجله انجمن بتن ايران |
| . Nonmaterial ، Properties & Application ، Institute Of Physics |
| دفتر همكاري فناوري رياست جمهوري – كميته مطالعات سياست نانو تكنولوژي |
| www.tco.gov.ir |
| Resources |
|
| |
| |
|