مقاله نانو سیمان و نانو بتون

مقدمه :

نانو تکنولوژی یک رشته جدید نیست ، بلکه رویکردی جدید در تمام رشته‌ها است. در سالهای اخیر تحقیقات زیادی در خصوص افزودن نانو ذرات به سیمان انجام گرفته است.

فناوری نانو کاربردهای وسیعی در حوزه‌های مختلف از جمله صنایع غذایی ، دارویی ، پزشکی ، بیوتکنولوژی ، الکترونیک و کامپیوتر و ارتباطات و حمل و نقل و انرژی و محیط زیست و هوا فضا و ... دارد. تغییر مقیاس ساخت باعث تغییراتی اساسی در نحوه طراحی سیستم‌ها خواهد داشت ، زیرا در مقیاس نانو ، نیروهای بین‌مولکولی و نیروهای دیگر مرتبط وارد محاسبات می‌شوند. کنترل مواد در مقیاس نانو به معنای ساختن ساختارهای بنیانی در مقیاسی است که در آن اندازه‌ها خواص اساسی معین می‌شود (نانو آخرین مقایس تولید) و بنابراین کنترل خواص مواد حاوی ذرات نانو بهتر امکان‌پذیر می‌باشد.

نانو ذرات افزودنی به سیمان هم می‌تواند از نوع ترکیبات تشکیل دهنده خود سیمان (اکسید سیلیس ، اکسید آهن و آلومینا)  باشند و هم از ترکیباتی دیگر (برای مثال کربونانو تیوب) که در جهت ایجاد خواصی مشخص و معین در سیمان ، کاربرد دارند. به عنوان مثال ، برای حصول به سیمانی با خواص مناسب جهت استفاده در چاه‌های نفت افزودن نانو ذرات مناسب می‌باشد. در حال حاضر متخصصین پژوهشگاه صنعت نفت به دانش فنی مورد نیاز برای ساخت نانو افزودنی مناسبی برای کنترل خواص سیمان کاری جداره چاههای نفتی دست یافته‌اند. هدف اصلی استفاده از نانو افزودنی‌ها در سیمان جداره چاههای نفتی مقابله با وجود مشکلاتی از لحاظ پایین بودن فشار مخزن و ضرورت ایجاد فشار لازم توسط سیمان استفاده شده می‌باشد.

همچنین استفاده از کربن نانوتیوب به عنوان نانو افزودنی در سیمان پتانسیل فوق‌العاده قوی (سیمان سخت) ایجاد می‌کند چون هم یک ماده تقویت کننده ایده‌آل می‌باشد و  هم قطر آن شبیه اندازه کلسیم سیلیکات هیدرات است از دیگر کاربردهای کربن نانوتیوب در صنعت ساختمان استفاده از آن به عنوان اجزاء ساختاری و عامل انتقال حرارت می‌باشد به نحوی که یکی از کاربردهای آن ، استفاده از آن برای گرم کردن ساختمان‌ها می‌باشد.

در حال حاضر در کشور چین ، بیشترین تحقیقات در جهت بررسی خواص نانو سیمانها انجام شده است و لذا بسیاری از مقالات معتبر در خصوص بررسی خواص نانو سیمانها مربوط به دانشگاه‌های این کشور است. به طور کلی مهمترین عامل در کنترل خواص نانو سیمانها ، علاوه بر خواص نانو ذرات ، اختلاط مناسب نانو ذرات و سیمان می‌باشد. نانو سیمانها به دلیل مقاومت بالا و خواص ساختاری بهبود یافته ، کاربردهای زیادی دارند برای مثال ، از این نوع سیمانها ، برای ساخت آسمان خراشها ، ساختمان‌های ریاست جمهوری و نظامی (ضد گلوله) و در مناطقی که خورندگی زیاد است ، استفاده می‌شود.

بطور کلی ، استفاده از افزودنی‌ها در  تولید سیمان ، علاوه بر تأثیراتی که بر خواص سیمان دارد ، به دلیل مصرف کمتر سیمان ، کاهش مصرف انرژی و کاهش گازهای گلخانه‌ای را نیز به همراه دارد.

نانوسیمانهای حاوی نانو سیلیس :

مهمترین ترکیب پوزولانها ، سیلیکا آمورف و یا سیلیس شیشه‌ای است که در نتیجه واکنش آنها با هیدروکسید کلسیم ، سیلیکات کلسیم هیدراته شده ، تولید می‌شود.

سرعت واکنش و واکنش‌پذیری پوزولان‌ها ، سیلیکا آمورف و یا سیلیس شیشه‌ای است که در نتیجه واکنش آنها با هیدروکسید کلسیم ، سیلیکات کلسیم هیدراته شده، ‌تولید می‌شود. بنابراین بدیهی است که نانو سیلیس‌ها بدلیل سطح مقطع بیشتر از اهمیت خاصی برخوردار باشند.

تحقیقات انجام شده نشان داده است که مقاومت فشاری 7 روزه و 28 روزه سیمانهای حاوی نانو سیلیس بیشتر از سیمانهای حاوی میکرو سیلیس می‌باشد. علاوه بر این ، آزمایشات electron microscope (SEM) scanning و باقیمانده مقدار Ca(OH)2 و سرعت تغییرات حرارتی ، نشان دهنده افزایش واکنش‌پذیری سیمانهای حاوی نانوسیلیس می‌باشد.

استفاده از نانوسیلیس در سیمان ، نه تنها به علت پرکنندگی منافذ باعث بهبود ساختار می‌شود ، بلکه واکنشهای پوزولانی را فعالتر می‌نماید.

نتایج حاصل از آنالیز کمی در طول 7 روز نشان داده که مقدار Ca(OH)2 برای سیمانهای حاوی 10% نانو سیلیس 16/4% و برای سیمانهای حاوی 10% دوده سیلیس نیز بعلت افزایش واکنشهای پوزولانی و ایجاد سیلیکات کلسیم هیدراته شده و پر شدن منافذ سیمان افزایش می‌یابد. آنالیز XRD میزان واکنش CH با نانو سیلیس و دوده سیلیس نشان داده شده است ، نتایج حاصل نشان می‌دهد با افزایش نانو سیلیس و دوده سیلیس ، پیک مربوط به CH در طول زمان کاهش می‌یابد.

بررسی XRD سیمانهای حاوی نانو سیلیس و دوده سیلیس و مقایسه آن با سیمان معمولی نشان داده است که افزودن 3% نانو سیلیس به ملات سیمان باعث کاهش اندازه کریستالهای CH می‌شود ، کریستالهای CH جمع‌تر شده و اصطلاحاً چین خورده و در نتیجه سطح مشترک مواد واکنش دهنده نسبت به سیمانهای حاوی دوده سیلیس ، مناسبتر می‌باشد.

افزودن نانوسیلیس و دوده سیلیس بر روی زمان گیرش سیمان مؤثر می‌باشد و زمان گیرش اولیه کاهش می‌یابد. با افزایش نانو سیلیس به سیمان ، ملات سیمان متراکم‌تر شده و نفوذپذیری نسبت به سیمان معمولی بتدریج کاهش می‌یابد.

گیرش اولیه نمونه‌های حاوی نانوسیلیس ، نسبت به نمونه‌های حاوی دوده سیلیس، سریعتر بوده و تفاوت بین زمان گیرش اولیه و گیرش نهایی نمونه‌های حاوی نانو سیلیس نسبت به نمونه‌های حاوی دوده سیلیس به دلیل کاهش نفوذپذیری (متراکم‌ بودن ساختار نانو سیمانها) بیشتر می‌باشد.

نانو سیمانهای حاوی nano-Al2O3

نتایج حاصل از تحقیقات حاصل از افزودن nano-Al2O3 به سیمان نشان داده است، مقاومت فشاری و مدول  الاستیسیته سیمانهای حاوی nano-Al2O3  نسبت به سیمانهای معمولی افزایش می‌یابد.

استفاده از نانو آلومینا در سیمان ، با همگن‌سازی مناسب و به مقدار مناسب (5%) ، باعث افزایش مدول الاستیسیته می‌شود. برای مثال ، مدول الاستیسیته سیمانی حاوی 5% نانو الومینا در طول 28 روز ، 143% افزایش می‌یابد، در صورتی که در سیمانهای حاوی میکرو سیلیس این مقدار معادل 15% می‌باشد.

تغییرات مدول الاستیسیته سیمانهای حاوی نانو آلومینا ، بستگی به دانسیته و تعداد منافذ و تخلخل موجود در ملات سیمان دارد.

ثابت شد است که ترکیب ملات سیمان ، شامل خمیر سیمان ، سنگ دانه و ITZ-interfacial transition zone می‌باشد. ITZ شامل منافذ موجود در مخلوط سیمان است. نیروی واندروالسی بین سیمان و سنگ دانه ، بستگی به مقاومت و دانسیته و تعداد منافذ ITZ دارد ملات سیمان‌های حاوی نانو آلومینا 30% نسبت به سیمان پرتلند معمولی کنترلی (شاهد) فرج کمتری دارند.

نانو آلومینا باعث افزایش مقاومت فشاری سیمان می‌شود. برای مثال نتایج نشان داده مقاومت فشاری 7 روزه سیمانهای حاوی نانو آلومینا 30% نسبت به سیمان پرتلند معمولی کنترلی (شاهد) بیشتر است.

نانو سیمانهای حاوی nano-Fe2O3

سیمانهای حاوی nano-Fe2O3 کمتر از 10% از لحاظ مقاومتی مناسبتر می‌باشند.

وقتی مقدار nano-Fe2O3 مصرفی در سیمان ، افزایش می‌یابد ، نانو آهن به خوبی در مخلوط سیمان پراکنده نمی‌شود و از تجمع آنها مناطق ضعیفی در مخلوط سیمان تشکیل می‌شود و به همین دلیل مقاومت فشاری با افزایش nano-Fe2O3  بیش از مقدار بهینه ، باعث کاهش مقاومت فشاری می‌شود.

نانو سیمان های حاوی نانو مونتموریلونیت (Organo-modifield montmorillonite)

تحقیقات انجام شده نشان داده است که استفاده از نانو مونتموریلونیت اصلاح شده، با مواد آلی در سیمان باعث می‌شود ، نفوذپذیری ملات سیمان تا 100 مرتبه کاهش یابد و مقاومت فشاری 40% و مقاومت خمشی تا 15% افزایش یابد.

نانو سیمانهای حاوی نانو اکسید روی

اگر اکسید روی با بخشی از CaO جایگزین شود باعث پایداری فاز C3S می‌شود و اضافه کردن 5% مول نانو اکسید منتج به بالاترین مقاومت فشاری یعنی مقاومتی در حدود 166 مگاپاسکال خواهد شد.

نانو سیمانهای حاوی نانو اکسید روی

اگر اکسید روی با بخشی از CaO جایگزین شود باعث پایداری فاز C3S می‌شود و اضافه کردن 5% مول نانو اکسید منتج به بالاترین مقاومت فشاری یعنی مقاومتی در حدود 166 مگاپاسکال خواهد شد.

نانو بتن

یکی از چالشهایی که در رشته مصالح ساختمانی بوجود آمده است ، تولید بتنهای با عملکرد بالا ، مقاومت زیاد و دوام در برابر شرایط نامناسب جوی می‌باشد. ا ین نوع بتن‌های مقاوم ، از مخلوط سیمانهای مقاوم بهمراه سایر افزودنیها ساخته می‌شوند.

استفاده از خاکستر بادی ، الیاف ، میکرو سیلیس ، پلیمرها به عنوان افزودنی باعث بهود خواص بتن ، افزایش مقاومت ، دوام بیشتر و سایش کمتر و مقاومت در برابر خوردگی می‌شود. مواد نانو ساختار نیز با توجه به رفتارهای بارزی که از خود نشان داده‌اند ، مورد توجه بخش صنعت و دانشگاه در دهه‌های اخیر قرار گرفته‌اند. در این میان صنعت بتن نیز با توجه به نیازهای خود چه از نظر استحکام ، مقاومت و دوام و نیز کارایی بالا ، از استفاده کنندگان مهم مواد نانو ساختار می‌باشد.

خواص ، رفتار و عملکرد بتن بستگی به نانو ساختار ماده زمین بتن و سیمانی دارد که چسبندگی ، پیوستگی و یکپارچگی را بوجود می‌آورد. بنابراین ، مطالعات بتن و خمیر سیمان در مقیاس نانو برای توسعه مصالح ساختمانی جدید و کاربرد آنها بسیار حائز اهمیت می‌باشد.

با استفاده از نانو ذرات در بتن می‌توان خواص دیگری از جمله خاصیت الکترومغناطیسی و قابلیت به کارگیری در سازه‌های اتمی (محافظت از تشعشعات) و حفظ انرژی ساختمانها و ... را کنترل نمود.