مقاله كاربرد مواد نانو ساختار در صنعت ساختمان

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 .