- آسمونی
- مجله اینترنتی
- علمی و دانستنی
- آیا میدانستید؟!
- نانو تکنولوژی در بتن
نانو تکنولوژی در بتن
آسمونی : پتانسیل بالقوه فناوری نانو در ساخت مصالحی که با آن می‌توان به بالاترین حد رفع نیازهای انسان رسید، اصلی‌ترین عاملی است که آن را برای طراحی‌ها برای آینده انتخاب می‌کند،که از این میان می‌توان به تأثیر این فناوری بر صنعت بتن اشاره کرد.
کاربرد فناوری نانو در تحول سایر فناوری‌ها، تأثیر بسزایی بر سلامت و آسایش مردم دارد. امروزه کشورهای مختلف با بهره‌گیری از فناوری نانو و تلفیق آن با سایر تخصص‌ها به دستاوردهایی رسیده‌اند که از آن جمله می‌توان به هزینه‌های تولید و نگه‌داری کمتر، مصرف انرژی پایین و طول عمر بیشتر اشاره کرد.
رابطه فناوری نانو و معماری
در دنباله معماری ارگانیک فرانک لوید رایت که در آن هدف خلق ساختارهایی در سازگاری با طبیعت بود، امروزه این مسأله در قالب معماری پایدار و افق جدید آن یعنی نانو تکنولوژی مطرح و مورد بحث و بررسی قرار می‌گیرد.
از آنجا که با استفاده از دستاوردهای فناوری نانو یک ساختمان در زمان‌ها و مکان‌های مختلف می‌تواند رفتارهای متفاوتی از خود نشان دهد، سخت و غیر قابل انعطاف و یا نرم و سیال- تئوری‌های شناخت مواد به طور کلی دگرگون می‌شوند. در واقع مصالح، هویت ثابت خود را از دست می‌دهند و دیگر معماری در زمان و مکان محدود نخواهد شد. مدرک بی واسطه و مستدل برخورد مستقیم فناوری نانو با معماری، مصالح (تولیدات فیزیکی) هستند که عموماً کاربری‌های گوناگونی به ساختمان‌ها می‌بخشند. چنین مصالحی امکانات تازه‌ای را برای تکمیل و بهبود شئی معماری و اندیشیدن درباره شکل جدیدی از زندگی، بوجود می‌آورند.
کاربردهای فناوری نانو در ساختمان
گسترش این فناوری در معماری به طور چمشگیری در حال توسعه است که در زیر به چند مورد از آن اشاره شده است:
1- سیمان و بتن
2- نانو پوشش‌ها
3- نانو شیشه‌ها
4- رنگ‌های خود تمیز شونده
5- سلولهای فتوولتاتیک
نانو تکنولوژی در بتن
علم نانو و مهندسی نانو که گاهی با عبارت بهسازی نانویی در بتن بیان می‌شوند، عناوینی هستند که برای توصیف دو مسیر در تحقیقات نانو تکنولوژی در بتن استفاده می‌شوند. استفاده از نانو تکنولوژی در صنعت بتن به چند سال اخیر برمی‌گردد. از حدود 80 سال پیش تاکنون استفاده از سیلیکا در ابعاد میکرون به صورت گسترده‌ای در بتن‌های 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. علم نانو مربوط است به اندازه‌گیری 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 تکنیک‌های پیشرفته توصیف و مدل سازی مربوط به سطح اتمی یا ملکولی.
نانو مهندسی شامل تکنیک‌های دستکاری ساختار در مقیاس نانومتری به منظور ایجاد نسل جدید و مناسب کامپوزیت‌های سیمانی با رفتار مکانیکی ایده‌آل است و حتی می‌توان بتن با خواص جدیدی مثل مقاومت الکتریکی پایین، هوشمند بودن، خود تمیز کننده، خود ترمیم کننده، شکل پذیری بالا و ... به وجود آورد. فعالیت‌های 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 پوشش‌های سیمانی و مشاهده تاثیرات آنها بر رفتار و مشخصات ایجاد شده است.
تحقیقات بسیاری در زمینه بکارگیری فناوری نانو در ساختمان بتن در حال انجام است به منظور درک این مطلب در سطح علم پایه از فناوری‌هایی مانند: میکروسکپ‌های AFM, SEM, FIB که برای مطالعه در مقیاس نانو ساخته شده‌اند استفاده می‌شود.
بهبود خواص سیمان و بتن
بتن از جمله مواد و مصالح ساختمانی است که فناوری امید بخش نانو، قدری دیرتر به قلمرو آن نفوذ کرده است. افزودن مواد نانو مقیاس به سیمان، می‌تواند ویژگی‌های عملکردی آن را ارتقا دهد. روشن ترین مسیری که در استفاده از نانو مواد در بهبود بتن وجود دار؛ در مراحل ساخت خود بتن یعنی ایجاد سهولت در فرایند ساخت و همچنین ویژگی‌های نهایی بتن سخت شده است. فناوری نانو این مزیت را دارد که با اصلاح ضعف‌ها، مشکلاتی در زمینه دیگر ویژگی‌های بتن ایجاد نمی‌کند.
تحقیقات انجام گرفته نشان می‌دهد که بهره‌گیری از ذرات در مقیاس نانو باعث بهبود خواص مکانیکی و افزایش کیفیت بتن می‌شود. به عنوان مثال «نانو سیلیس سبب بهبود تراکم ذرات می‌شود، استحکام بتن را افزایش می‌دهد و ... . استفاده از دی اکسید تیتانیوم سبب ایجاد خاصیت خود تمیز شوندگی و ضد عفونی کنندگی بتن می‌شود و رنگ سفید و درخشندگی به بتن می‌دهد» .
«نانو آلومینیوم نیز محصولی است که مقاومت فشاری بتن را تا حدودی افزایش می‌دهد و با مقاومت بیشتر سازه در برابر بارهای وارده، پایداری بنا را افزایش می‌دهد. نانو تیتانیوم از نفوذ پذیری یون کلر در بتن و تخریب و خوردگی آرماتور جلوگیری کرده و عمر ساختمان را افزایش می‌دهد».
از سوی دیگر استفاده از روکش‌های مبتنی بر فناوری نانو می‌تواند به حفاظت بیشتر از بتن در برابر شرایط محیطی خورنده همچون دریا کمک شایانی نماید. علاوه بر این موارد می‌توان به بتن با عملکرد بالای چند منظوره، ویژگی‌های دیگری را اضافه نمود که از این میان می‌توان به خاصیت الکترومغناطیسی، قابلیت به کارگیری در سازه‌های اتمی و افزایش موثر بودن آن در حفظ انرژی ساختمان اشاره کرد.
بتن با عملکرد بالا
یکی از چالش‌هایی که در رشته مصالح ساختمانی بوجود آمده است، بتن با عملکرد بالا (High Performance Concrete) می‌باشد. این نوع بتن مقاوم از نوع مصالح کامپوزیت بوده و از نظر دوام جزء مصالح کامپوزیت و چند فازی مرکب و پیچیده می‌باشد.
خواص، رفتار، و عملکرد بتن بستگی به نانو ساختار ماده زمینه بتن و سیمان دارد که چسبندگی، پیوستگی و یکپارچگی را بوجود می‌آورد. بنابر این، مطالعات بتن و خمیر سیمان نانو برای توسعه مصالح ساختمانی جدید و کاربرد آنها بسیار حائز اهمیت می‌باشد. روش معمولی برای توسعه بتن با عملکرد بالا اغلب شامل پارامترهای مختلفی از جمله طرح اختلاط بتن معمولی و بتن مسلح با انواع مختلف الیاف می‌باشد.
نانو سیلیس آمورف
در صنعت بتن، سیلیس یکی از معروف‌ترین موادی است که نقش مهمی در چسبندگی و پرکنندگی بتن با عملکرد بالا (HPC) ایفا می‌کند. محصول معمولی همان سلیکیافیوم یا میکرو سیلیکا می‌باشد که دارای قطری در حدود 0/1 تا 1 میلی‌متر می‌باشد و دارای اکسید سیلیس حدود 90 درصد می‌باشد.
می‌توان گفت که میکرو سیلیکا محصولی است که در محدوده بالای اشل اندازه نانو متر جهت افزایش عملکرد کامپوزیت مواد سیمانی به کار برده می‌شود. نانو سیلیس معلق، کاربردهای چند منظوره از خود نشان می‌دهد مانند:
1- خاصیت ضد سایش
2- ضد لغزش
3- ضد حریق
4- ضد انعکاس سطوح
تمام کارهای انجام یافته برروی کاربرد مواد نانو سیلیس کلوئیدی (Colloidal Nano Silica) در بخش اصلاح خواص ریولوژی، کار پذیری و مکانیکی خمیر سیمان بوده است. آنچه که در اینجا مطرح است نتایج اولیه محصولات نانو سیلیس با قطری در محدوده 5 تا 100 نانومتر می‌باشد. اکسید تیتانیوم در سه ساختار: آناتاز، روتایل و بروکیت یافت می‌شود. از این میان فاز آناتاز بیشترین خاصیت فتوکالیستی را دارد.
سطوح حاوی دی اکسید تیتانیوم (Tio2) می‌تواند خود را در اثر تابش نور خورشید تمیز نگاه دارد. قابلیت خود تمیز شوندگی می‌تواند با جریان آب برروی سطوح، افزایش یابد که این افزایش میزان تمیز شدن ناشی از خاصیت فوق آبدوستی سطوح دی اکسید تیتانیوم است. از آنجایی که این پوشش‌ها (معمولاً در سطوح بیرونی به کار می‌روند) علاوه بر تأثیری که بر تصفیه هوا دارند باعث تمیز نگاه داشتن سطوح، با هزینه کم و داشتن چهره‌ای زیبا برای شهر خواهند شد.
سیمان‌های الیافی
ساختمان‌هایی که با سیمان‌های الیافی ساخته می‌شوند پس از مدتی به منبع لکه و کثیفی تبدیل می‌شوند. سیمان استفاده شده در نمای ساختمان‌ها، کثیفی‌ها و کپک‌ها را مکیده و با تأثیر نور خورشید آنها را بخوبی در داخل ماتریس جایگزین می‌کند و دور کردن این لکه‌ها و کثیفی‌ها کار بسیار مشکلی است. استفاده از نانو پوشش‌های سنگ و چوب در نمای ساختمان باعث عدم نفوذ کثیفی‌ها، باکتری‌ها و غیره به داخل ماتریس می‌شوند و ظاهر اولیه نما را به خوبی حفظ می‌نمایند.
چالش‌های نانو تکنولوژی در صنعت بتن
نانو تکنولوژی مانند تمامی تکنولوژی‌های نو نیاز به یک توجیه اقتصادی دارد، در حال حاضر هزینه‌های بالای نانو ذرات مانع از توسعه روزافزون این محصولات و استفاده آنها در صنعت می‌گردد، برای همین بهره‌برداری از نانو تکنولوژی در صنعت بتن در مقیاس تجاری همچنان به چند محصول قابل عرضه در بازار محدود گردیده است.
مشکل دیگر در زمینه استفاده از نانو موادها توزیع یکنواخت آنها در ماتریس بتن است. معمولاً این مواد در حین افزوده شدن به بتن به صورت کلوخه انباشته می‌شوند و در مخلوط به خوبی توزیع نمی‌شوند، البته برای این حل مشکل می‌توان از دستگاه‌های 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 می‌کنند و ممکن است بر کارایی بتن تاثیر گذار باشد.
درنهایت چالش‌هایی هستند که باید قبل از گسترش استفاده از نانو فناوری در صنعت بتن حل شوند مانند: توزیع یکنواخت نانو مواد، سازگاری نانو مواد با سیمان، فرآوری، تولید، ایمنی، مسائل مربوط به حمل و نقل، تولید انبوه و هزینه‌ها، به علاوه معرفی کردن این مصالح جدید به جامعه از طریق زیرساخت‌های اجتماعی مستلزم افزایش و درک تاثیر آنها روی محیط زیست و سلامت انسان‌ها می‌باشد،
با این حال چیزی که واضح است این است که، اکنون، بعد از 50 سال از مقاله مشهور ریچارد فاینمن(Feynman.R)، نانو فناوری در حال تغییر دیدگاه دانشمندان و مهندسین در مورد یکی از قدیمی‌ترین ماده‌های ساخت بشر، بتن، است
