کاربرد نانوفناوری در بتن

1- مقدمه

افزودنی‌های متداول برای بتن همواره تمامی خواص بتن را بهبود نمی‌دهند. این در حالی است که طبق مطالعات انجام شده، نانوفناوری تقریباً قابلیت بهبود عملکرد بتن را به صورت همه جانبه دارد. در مقاله پیش رو، به معرفی تعدادی از کاربردهای نانو فناوری در ساخت و اصلاح خواص بتن پرداخته شده است. نانوذرات با توجه به ابعاد کوچک و سطح ویژه بالا می‌توانند به عنوان پر کننده حفرات بین مورد استفاده قرار گیرند. از طرف دیگر، این مواد می‌توانند با تشکیل نانو‌کریستال‌ها، خواص بتن را ارتقا دهند. میکرو سیلیس از جمله افزودنی‌های پرمصرف برای این کاربرد است. با این حال، مشاهدات نشان می‌دهند که استفاده از نانو سیلیس تاثیر بهتری بر روی رفتار مکانیکی بتن دارد. در این مقاله، به معرفی بتن خود تمیزشونده، خود پایش، نانو مسلح‌کننده‌های بتن و نانوپوشش‌های بتنی خواهیم پرداخت.

2- نانوذرات سیمان

یکی از مزایای اصلی استفاده از کریستال‌های نانومقیاس، پر شدن فضاها و حفرات خالی در ماتریس سیمان است. افزودن آن دسته از نانوذرات که منجر به تشکیل نانوکریستال‌های خاص در سیمان می‌شود، می‌تواند مقاومت فشاری، کششی و برشی آن را افزایش دهد .

سیمان در صنعت به صورت پودر تولید و مصرف می‌شود. ابعاد ذرات سیمان معمولی عموماً در حد میلی‌متر و میکرومتر هستند. اخیراً نانوذرات سیمان برای بهبود عملکرد آن پیشنهاد شده است. دو روش برای ساخت نانوذرات سیمان وجود دارد: (1) خرد کردن ذرات سیمان معمولی به وسیله آسیاب‌های پر قدرت (روش بالا به پایین) و (2) افزودن ترکیبات شیمیایی خاص (روش پایین به بالا). چسب‌های سیمانی که با استفاده از نانوذرات سیمان ساخته می‌شوند، زمان عمل‌آوری کمتر و مقاومت فشاری بالاتری نسبت به سیمان‌های معمولی دارند .

3- نانوذرات رس

استفاده از نانوذرات رس، رفتار مکانیکی سیمان مانند مقاومت در برابر نفوذ ترکیبات کلریدی، ایجاد بتن خودمتراکم، و کاهش نفوذ پذیری بتن را بهبود می‌دهد. ابعاد ذرات رس موجود در طبیعت، مقیاس میکرومتری و حتی کوچکتر از آن دارد. ساختار رس از لایه‌های کریستالی فیلوسیلیکات آلومینیوم با ضخامت تقریبی یک نانومتر تشکیل شده است.

تاثیر ذرات رس بر خواص سیمان، موضوع جدیدی نیست و در اکثر کاربردها از رس کلسینه شده (Calcined clay) برای این منظور استفاده می‌شود. به دلیل آبدوست بودن (Hydrophilic) ذرات رس، کنترل مقدار آب مورد نیاز در کامپوزیت‌های رس- سیمان از اهمیت بالایی برخوردار است .

4- نانوذرات سیلیس

میکروذرات سیلیس یکی از موادی است که در دهه‌های اخیر مورد استفاده گسترده در بتن قرار گرفته است. به دلیل ویژگی‌های بارز پوزولانی میکروذرات سیلیس، استفاده از این مواد برای بهبود خواص مکانیکی و افزایش دوام بتن در کشورهای پیشرفته رو به افزایش است. از مهم‌ترین مزیت‌های استفاده از ذرات سیلیس در بتن می‌توان به (1) کاهش ترک‌های ناشی از هیدراتاسیون سیمان، (2) دوام بهتر در برابر آسیب‌های ناشی از حضور سولفات‌ها و آب‌های اسیدی، (3) دست یافتن به استحکام نهایی بالا با بکارگیری انواع سوپر روان‌کننده‌های بتن، و (4) کاهش تحرک یون‌های کلر و کاهش عمق نفوذ آنها در بتن اشاره کرد. از موارد مصرف این نوع سیمان‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد: (1) بتن‌ریزی‌های مربوط به ساخت اسکله‌های دریائی، شمع‌ها، ستون‌ها و قطعات پیش‌ساخته، (2) فونداسیون ماشین‌آلات، و (3) ساخت کلیه سازه‌های بتنی که در معرض حملات شیمیایی به‌ویژه یون‌های کلر و سولفات‌ها قرار دارند.

در سال‌های اخیر، مطالعات گسترده‌ای بر روی نانوذرات سیلیس با هدف بهبود بیش از پیش خواص بتن انجام شده است. نتایج نشان می‌دهند که افزودن نانوذرات سیلیس به بتن موجب افزایش مقاومت فشاری، کششی و خمشی، کاهش زمان گیرش بتن، کاهش نفوذپذیری آب به بافت آن، و مقاومت بالاتر بتن در برابر حملات شیمیایی می‌شود. جالب‌تر اینکه این ذرات نه‌تنها برای محیط زیست‌مشکل‌ساز نیستند بلکه نتایج بهتری در مقایسه با میکروذرات سیلیس ارائه می‌دهند [4]. بر اساس یافته‌های علمی اخیر، افزودن نانوذرات سیلیس بیشتر از ذرات میکرومتری آن، مقاومت مکانیکی بتن را بهبود می‌دهد [5]. از طرف دیگر، نانوذرات سیلیس می‌تواند مصرف سیمان را کاهش و کیفیت و کارایی آن را افزایش دهد [4,6,7].

افزودن 10 درصد وزنی از نانوذرات سیلیس به سیمان، افزایش 26 درصدی در مقاومت فشاری بتن را به وجود می‌آورد، در حالی‌که همین مقدار میکروذرات سیلیس، تنها می‌تواند مقاومت فشاری بتن را تا حداکثر 15 درصد بهبود دهد [6]. حتی افزودن بسیار محدود نانوذرات سیلیس (مثلا 0/25درصد وزنی) می‌تواند مقاومت فشاری را تا 10 درصد و مقاومت خمشی را تا 25 درصد ارتقا دهد [8].

5- نانوذرات اکسید آهن

مطالعات نشان می‌دهند که استفاده از نانوذرات اکسید آهن در ملات سیمان باعث افزایش مقاومت فشاری و خمشی و نیز عامل ایجاد قابلیت خود-پایش (Self-sensing capabilities یا هوشمند بودن) در بتن می‌شود [6]. براساس نتایج به‌دست آمده، مخلوطی از ملات سیمان و نانوذرات اکسید آهن، تحت تاثیر بارگذاری‌های مختلف، مقاومت الکتریکی متفاوتی از خود نشان می‌دهد. وجود این قابلیت فوق‌العاده با اهمیت است، به ویژه برای سازه‌هایی که از حسگرهای مدفون داخل سازه بهره‌مند نیستند. با توجه به این خاصیت منحصربه‌فرد می‌توان عملکرد حسگرهای سنجش تنش را بهینه‌سازی کرد.

6- دی‌اکسید تیتانیوم (TiO₂)

خودتمیزشوندگی فوتوکاتالیستی، یکی از مهم‌ترین موارد استفاده از نانوفناوری در صنعت ساختمان است. آلودگی‌های طبیعی و صنعتی مانند NOx، مونوکسید کربن، VOCها، کلروفنول‌ها و آلدهیدهای ناشی از اتومبیل‌ها و پساب‌های صنعتی می‌توانند در اثر واکنش‌های فوتوکاتالیستی در حضور نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم تجزیه شوند [9]. برای فعال شدن اثر خودتمیزشوندگی در اکسید تیتانیوم، نور طبیعی خورشید، رطوبت هوا و اکسیژن مورد نیاز است. برای مطالعه در خصوص مکانیزم عملکرد فوتوکاتالیست‌های پایه دی‌اکسید تیتانیوم به مقاله [10] مراجعه کنید. در حال حاضر، محصولات خودتمیزشونده و ضدآلاینده بتنی توسط شرکت‌های مختلف برای استفاده در نمای ساختمان ها و کف پوش‌های جاده‌ها تولید می‌شوند. این رویکرد در اروپا و ژاپن پیاده‌سازی شده است (برای نمونه، نمای کلیسای جوبلی در رم ایتالیا در شکل 1). از سویی دیگر، نشان داده شده است که استفاده از نانوذرات دی اکسید تیتانیوم علاوه بر خاصیت خودتمیزکنندگی، باعث افزایش سرعت هیدراسیون، کاهش زمان گیرش [11]، و افزایش مقاومت خمشی و فشاری بتن می‌شود [12,13]. لازم به ذکر است که خاصیت خودتمیزشوندگی نانوذرات TiO₂ با گذشت زمان کاهش می‌یابد.

شکل 1- کلیسای جوبلی، رم، ایتالیا. در نمای این سازه از بتنی حاوی نانوذرات دی اکسید تیتانیوم استفاده شده است

7- نانوذرات اکسید آلومینیوم

افزودن نانوذرات اکسید آلومینیوم به مخلوط بتن، مدول الاستیک آن را به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌دهد. مشاهدات نشان می‌دهند که با افزودن 5 درصد نانو اکسید آلومینیوم، مدول الاستیک بتن تا 143 درصد افزایش می‌یابد؛ ولی تاثیر قابل ملاحظه‌ای بر مقاومت بتن ندارد . تاکنون ویژگی خاص دیگری از این ماده در بتن گزارش نشده است.

8- نانوالیاف

نانولوله‌های کربنی (CNTs) و نانوالیاف کربنی (CNFs) اغلب به‌عنوان گزینه‌های اصلی فناوری نانو برای مسلح کردن مصالح پایه سیمانی مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ زیرا این مواد مدول الاستیک و مقاومت بسیار بالا (در حدود ترا پاسکال TPa)، مقاومت کششی عالی (در مقیاس گیگاپاسکال، GPa) و خواص الکتریکی و شیمیایی منحصر‌به‌فرد از خود نشان می‌دهد. استفاده از این مواد می‌تواند خواص مکانیکی، مقاومت در برابر اشاعه ترک‌، و محافظت در برابر امواج الکترومغناطیس را بهبود داده و قابلیت خود‌ پایش در مصالح پایه سیمانی را به وجود آورد. نسبت طول به عرض این نانومواد بسیار زیاد است (هزار برابر و حتی بیشتر) و می‌توان آنها را به مانند یک زنجیر طولانی در نظر گرفت. نانولوله‌های کربنی تک جداره (SWCNTs) و چند جداره (MWCNTs) و نانوالیاف کربنی از گرافن‌های زنجیر وار با ساختارهای بسیار منظم و با مساحت بسیار بالا تشکیل شده‌اند (شکل 2 و 3 را ببینید).

شکل 2- شمایی از آرایش اتمی گرافن

شکل 3- شمایی از آرایش اتمی نانولوله‌های کربنی تک جداره و چند جداره.

نانوالیاف کربنی برخلاف نانولوله‌های کربنی بسیار آسان‌تر در داخل سیمان پخش می‌شوند. از طرف دیگر، فرآوری آنها به نسبت آسان‌تر است. نانوالیاف کربنی به طور همزمان می‌توانند خواص مکانیکی و الکتریکی را بهبود داده و بکارگیری آنها آسان‌تر و هزینه تمام شده پایین‌تری نسبت به نانولوله‌های کربنی (تا 100 برابر ارزان‌تر) دارند [3]. در دهه‌های اخیر، استفاده از الیاف/ نانولوله‌های کربنی در کامپوزیت‌های پلیمری به صورت گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است، ولی درباره کاربرد آنها در بتن و سیمان، مطالعات آنچنان فراگیر نبوده است. بخش عمده تحقیقات انجام شده، تاثیر CNTs و CNFs بر ملات سیمان را مورد بررسی قرار داده‌اند. یکی از اشکالات اصلی این افزودنی‌ها، عدم توزیع یکنواخت آنها در مخلوط سیمان است زیرا این مواد بسیار آبگریز هستند و نیروی جاذبه بسیار بالایی بین ذرات تشکیل دهنده آنها وجود دارد. یکی دیگر از محدودیت‌های موجود، عدم چسبندگی مناسب بین CNTs/CNFs با خمیر سیمان است . اخیراً مطالعات بسیاری با هدف ایجاد یک مخلوط همگن در کنار دستیابی به چسبندگی بالا بینCNTs/CNFs  و ملات سیمان انجام شده است. یکی از روش‌های مطرح شده، افزودن CNTs/CNFs به صمغ عربی (صمغی با قابلیت انحلال در آب که به عنوان عامل پراکنده‌ساز یا dispersant مورد استفاده قرار می‌گیرد) و قبل از مخلوط با ملات سیمان است. ثابت شده است که افزودن SWCNTs و MWCNTs به بتن پس از پیش‌فرآوری با صمغ عربی می‌تواند سختی و مدول الاستیک سیمان را افزایش دهد در حالی‌که افزودن آنها بدون استفاده از صمغ عربی خواص مکانیکی سیمان را تضعیف می‌کند [16]. یک روش کارآمد دیگر برای توزیع یکنواخت نانولوله‌های کربنی در خمیر سیمان، استفاده از انرژی فراصوت و یا مواد اصلاح سطحی (سورفاکتنت یا surfactant: موادی که کشش سطحی ماده را کاهش می‌دهند) است. مشاهدات در این مورد نشان داده‌اند که مقدار پایین CNTs (حدود0/048  و0/08 درصد وزنی) می‌تواند تا 50% باعث افزایش مدول الاستیک سیمان شود .

10- پوشش‌های نانومقیاس

محافظت و یا تقویت ساختمان‌ها با اصلاح پلیمری سطح و یا پوشش‌دهی با سطوح نفوذ ناپذیر و آبگریز امکان‌پذیر است. جلوگیری از نفوذ آب و آلودگی به بتن باعث افزایش کارایی سازه‌ای آن می‌شود. پوشش‌های یاد شده از چند طریق می‌توانند کارایی سازه‌های بتونی را بهبود دهند: (1) این عمل از نفوذ مواد مضر به داخل بتن و فولاد جلوگیری می‌کند؛ (2) باعث افزایش مقاومت در برابر یخ‌زدگی سازه‌ها می‌شود؛ و (3) دوام طولانی مدت مصالح ساختمانی را ارتقا می‌دهد. آنچه درخصوص این پوشش‌ها مهم است، سازگاری بالای آنها با پوشش زیرین و تاثیر بر روی بقیه خواص مکانیکی سازه است. اصلاح خواص سازه‌های بتنی با استفاده از پوشش‌های نانومقیاس، مکانیزم‌های متفاوتی دارند:

(الف) ایجاد یک سد غیرقابل‌نفوذ بر روی سازه بتنی. در این مورد، اغلب از پوشش‌های پلی‌یورتان، اکریلیک و رزین‌های اپوکسی استفاده می‌شود.

(ب) جلوگیری از نفوذ آب با پوشش‌دهی سطح حفره‌دار و متخلخل بتن با مواد آبگریزی مانند سیلان، سیلوگسان، و پلیمرهای فلئوریناته

(ج) استفاده از مواد خاصی مانند سیلیکات مایع و سیلیکو فلورایدهای مایع (liquid silicofluorides) به عنوان پرکننده حفرات بتن. این مواد پرکننده به داخل بتن نفوذ می‌کنند و حفرات را می‌بندند.

11- بتن‌های خودترمیم‌شونده

یکی از نگرانی‌های مهندسین در مورد بتن، ترک خوردن آن است. ترک‌ها موجب نفوذ مواد مضر، کاهش عمر بتن و کاهش عملکرد سازه‌ای آن می‌شود. یکی از راهکارهای موثر، افزودن کپسول‌های بسیار کوچکی حاوی پرکننده‌های ترک به مخلوط بتن است. زمانی‌که در بتن ترک ایجاد می‌شود، این کپسول‌ها می‌شکنند و مواد داخل آنها فضای ترک را پر می‌کند (شکل 4 را ببینید). برای آشنایی کامل در مورد این مواد می توانید به مرجع [1] مراجعه فرمایید.

شکل 4- نمونه هایی از فرایند های خود ترمیم شوندگی [1]