با توجه به رشد سریع تحقیقات علمی و عملی علوم و فنون نانودر کلیه علوم و صنایع توجه بسیار کمی به کاربردهای این پدیده در صنعت ساختمان و بطور عام در ساخت و ساز شده است ولی اخیراً با توجه به تقویت کننده ها و استحکام دهنده های نانویی در مصالح ساخت و ساز موج جدیدی با شتاب فزاینده ای صنعت ساخت و ساز را در بر گرفته است.

سيليسيم دي اكسيد يا سيليكا فراوان‌ترين ماده سازنده پوسته زمين است. اين تركيب با فرمول شيميايي SiO2 ساختاري شبيه الماس دارد، ماده‌اي بلوري و سفيد رنگ است دماي ذوب و جوش آن نسبتاً زياد است و در طبيعت به دو شكل بلوري و آمورف (بي شكل)‌يافت مي‌شود.

کاربرد مهم سيليس در توليد انواع بتن است كه كيفيت و خواص محصول توليد شده آن بستگي زيادي به نوع و اندازه ذرات سيليكا دارد. و نانو لوله های کربنی دارای دانسیته بسیار کم نسبت به فولاد و آلومینیوم می باشد. بطوریکه دانسیته آن تقریباً یک پنجم دانسیته فولاد و یک سوم دانسیته آلومینیوم می باشد. از کاربردهای مهم نانو لوله ها در ساخت سازه های سبک و مقاوم در مقابل کشش مطرح است که با کاهش وزن سازه مقاومت آن در مقابل زلزله بدلیل کاهش نیروهای وارده به سازه افزایش می یابد.در اينجا به بررسي اهميت و اثرات استثنايي سيليسيم در بتن تأكيد مي‌شود.



کاربرد مواد نانو در ساختمان سازی

مواد نانو به عنوان موادي كه حداقل يكي از ابعاد آن ( طول و عرض و ضخامت ) زير 100 nm نانو متر باشد تعريف شده اند. يك نانو متر يك هزارم ميكرون يا حدود 100000 برابر كوچكتر از ضخامت موي انسان است. خواص فيزيكي و شيميايي مواد نانو ( در شكل و فرم هاي متعددي كه وجود دارند از جمله ذرات ، الياف ، گلوله و غيره ) در مقايسه با مواد ميكروسكوپي نوع ديگر 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.

يكي از چالش هايي كه در رشته مصالح ساختماني به وجود آمده است بتن با عملكرد بالا (HPC) مي باشد مثلاً بتن مقاوم و با دوام يك مصالح كامپوزيت و چند فازي مركب و پيچيده مي باشد.

خواص ، رفتار و عملكرد بتن بستگي به نانو ساختار ماده زمينه اي بتن و سيماني داردكه چسبندگي، پيوستگي و يكپارچگي را بوجود مي آورد. بنابراين مطالعات ساختار بتن و خمير سيمان در مقياس نانو براي توسعه مصالح ساختماني جديد و كاربرد آنها بسيار حائز اهميت مي باشد.

به هر حال روش معمولي براي توسعه بتن با عملكرد بالا اغلب شامل پارامتر هاي مختلفي از جمله طرح اختلاط بتن معمولي و بتن مسلح با انواع مختلف الياف مي باشد. تا اندازه بسيار زيادي، اين روش كار اغلب توسط روابط داخلي صنعت ساختمان مي باشد كه دليل كندي پيشرفت در صنعت ساختمان عدم درك عميق از مفهوم مصالح ساختماني مي باشد. در گسترده جديد علم و تكنولوژي نانو ديگر اين قبيل فعاليت ها بي معني بوده و نياز به شناخت و مطالعه دقيق از مصالح ساختماني دارد و اين فعاليت بايد به روش علمي جهت يافتن مصالح نسل جديد و با عملكرد بالا ونيز اقتصادي كردن آنها دنبال گردد. در مثال هاي عملي و به طور مشخص در بتن ، اين تحقيقات تنها زماني مي تواند به جامعه عمل بپيوندد كه درك مناسب از مفهوم ريز ساختار سيمان در مقياس نانو و ديگر ساختار ها وجود داشته باشد .

هدف اصلي و نهايي ، يافتن طبقه جديدي از مصالح ساختماني با عملكرد بالا مي باشد كه آنرا مي توان به مصالح با عملكرد بالاي 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 كاربرد هاي گوناگوني را ارائه نمايند.

در خصوص بتن به طور خاص ، علاوه بر عملكرد با دوام بهتر و خواص مكانيكي بهتر بتن با عملكرد بالاي چند منظوره خواص اضافه ديگري را دارا مي باشد. ازجمله اين خواص به عنوان مثال مي توان خاصيت الكترومغناطيسي بكارگيري در حرارت هاي بالا و محافظت هاي اتمي و افزايش مؤثر بودن آن در حفظ انرژي ساختمان و غيره را نام برد.

علاوه بر اين به كار گيري مصالح نانو مي تواند به ساختار هاي جديد بيانجامد، به طوري كه ديگر به منابع طبيعي در ساخت و ساز وابسته نباشد و بتوان در حفظ اين منابع كوشيد. اين مي تواند با اصلاح ساختار ها در مقيلس نانو انجام شود يا با به كارگيري ساختارهاي مختلف و ارتقاء واكنش هاي اتفاق افتاده به طوري كه خواص سطوح مخصوص زياد آنها يا خواص بنيادين آنها ( از جمله ) نفوذپذيري ، خواص مغناطيسي ، الكتريكي هادي حرارت بهبود مي يابد.نانو تکنولوژی یک نیاز و رقابتی جهت حفظ محیط زیست و رشد نوآوری در صنعت ساخت و ساز می باشد. درحقیقت یک نوع زندگی و راه جدید برای آینده بشر می باشد. فکر کردن در اشل نانو راه جدید برای زندگی جدید می باشد.

نانو سيليس آمورف :

چنانکه دیده می شود ، یکی از ترکیبات موجود در بتن سیلیکاتهای مختلفی است که در ضمن واکنش تولید می شود به همین دلیل می توان گفت سیلیس یکی از مهمترین بخش بتن است و اهمیت زیادی در چسبندگی ،مقاومت و کارایی بتن دارد . اکسید سیلیس با انجام واکنش های شیمیایی با هیدراکسید کلسیم آزاد شده موجود در بتن را مصرف می کنند و از خاصیت قلیایی آن می کاهند و در کنار آب بصورت شوره از بتن خارج می شوند. و از خوردگی آرماتورهای فولادی قرار گرفته در بتن جلوگیری می کند .

محلول نانويي سيليس ( Nanosilica ) دي اكسيد سيليس ( Sio2 ) است كه اندازه ذرات آن در ابعاد نانو متر مي باشد. محلول نانو سيليس متشكل از ذراتي هستند كه گلوله شكل با قطر كمتر از 100 nm يا به صورت ذرات خشك پودر يا به صورت معلق در مايع محلول قابل انتشار مي باشند ، كه مايع آن معمول ترين نوع محلول نانو سيليس معلق كاربرد هاي چند منظوره مانند خاصيت ضد سايش ، ضد حريق، ضد انعكاس سطوح از خود نشان مید هد.

اين آزمايشات نشان داده اند كه واكنش محلول نانو سيليس ( Ccolloidal silica ) با هيدرواكسيد كلسيم در مقايسه با ميكرو سيليكا بسيار سريع تر انجام گرفته و مقدار بسيار كم اين مواد همان تأثير پوزولاني مقدار بسيار بالاي ميكروسيليكا را در سنين اوليه دارا مي باشد. اين خاصيت ماده ، بدليل ريز بودن ذرات محلول نانو سيليس معلق مي باشد. هيچ جاي تعجب نيست كه ذرات ميكروسيليكا نوعاً داراي سطح مخصوص N2 شامل m2g 25-15 مي باشد، در صورتي كه ذرات محلول نانو سيليس 180-m2g مي باشند. تحقيقات كاربردي انجام شده شامل كاربرد نتايج نانو سيليس ( nano silica ) به شكل محلول آن در گروت مي باشد. آزمايشات خواص ريولوژي فرمول گروت در مقايسه با گروت ميكروسيليكا، هيچ جدا شدگي و آب اندازي از خود نشان نداده و نيز مقاومت فشاري 28 روزه بيش از mpa 155 را بدست مي دهد.

اضافه کردن نانوذرات سیلیکا (nano sio2) به ملات سیمان باعث بهبود مقاومت فشاری و خمشی ملات نسبت به ملات معمولی گردیده است. در این طرح خصوصیات نانوذرات سیلیکا با مشخصات مندرج در جدول زیر در سیمان استفاده شده اند. و در ضمن به ملات سیمان ماده پراکننده ذرات نانو (UNF) و حباب زدا برای کاهش حبابهای هوا در داخل بتن اضافه می شود.




گزارش آزمایش:

شش نمونه از هر كدام گروهبندي براي هر نوع مخلوط انجام شده و سپس در درجه حرارت 21 ( QOC ) زير آب براي 14 و 28 روز نگهداري شدند. سيمان مصرفي در تمام نمونه ها ثابت نگهداشته شده 100 gr و نسبت آب به سيمان 36/0 و w/c=0.33 و براي مخلوط هاي نانو سيليكا و نانو تيوب انتخاب شده اند. مصرف سيليس مايع به صورت سوسپانسيون مخلوط مستقيم به آب مخلوط اضافه شده و سپس پودر سيليس به سيمان افزوده شده بود .در صورتي كه نانو تيوب در آب مخلوط بتن انتشار يافته و هم زده تا 10 دقيقه وسپس براي حدود 30 دقيقه الكتراسونيك شده در حوضچه 400 w و سپس با سيمان مخلوط مي گردند.

هيچ فوق روان كننده اي براي مخلوط نانو سيليكا افزوده نشده بود ، به خاطر اينكه قصد مطالعه نقش نانو سيليكاي خالص بر خمير سيمان را داشتيم. در صورتي كه در مصرف نانو تيوب هيچ نوع سرفكتنت استفاده نشده به همين خاطر سر فكتنت پيشنهادي براي انتشار نانو تيوب ها با سيمان همخون نيستند.



نتايج :

می توان نتیجه گرفت که مقاومت خمشی و فشاری ملات سیمان با افزودن نانوذرات سیلیکا
(Nano-Sio2)بیشتر از مقاومت ملات سیمان معمولی است. در صورتیکه با افزایش نسبت نانوذرات سیلیکا مقاومت فشاری 28 روزه افزایش می یابد. و اینکه نانوذرات بعنوان یک ماده پرکننده حفره های سیمان را پر می کنند و به مانند فوم سیلیکا مقاومت بتن را افزایش می دهند .