تحقیق درباره كاربردمواد نانو ساختار در صنعت ساختمان

هدف نهايي از بررسي مواددر مقياس نانو ، يافتن طبقه جديدي از مصالح ساختماني با عملكرد بالا مي باشد ، كه آنها رامي توان به عنوان مصالحي با عملكردبالا و چند منظوره اطلاق نمود

موادنانو (Nanoparticular) به موادي گفته مي شود كهحداقل يكي ازابعاد آن (طول , عرض , ضخامت ) زير 100nm باشد . مواد نانو ساختار باتوجه به رفتارهاي بارزي كه ازخود نشان داده اند مورد توجه بخش صنعت و دانشگاه در دهه هاي اخير قرار گرفته اند . در اين ميان صنعت ساختمانبا توجه به نيازهاي خود چه از نظراستحكام , مقاومت و دوام و نيز كارايي بالا از استفاده كنندگان مهممواد نانوساختار (Nanostructure Materials ) به شمار مي رود

تاریخچه

مواد نانو به عنوان موادي كه حداقل يكي از ابعاد آن (طول ، عرض ، ضخامت ) زير 100nmباشد تعريف شده اند ،يك نانومتر يك هزارم ميكرون يا حدود 100000 برابر كوچكتر از موي انساناست . به طوركلي ،در يك تقسيم بندي عمومي ، محصولات نانومواد را مي توان به صورت هاي زير بيان كرد : · فيلم هاينانو لايه ( Nano Layer Thin Films ) براي كاربردهاي عمدتاًالكترونيكي · نانوپوششهاي حفاظتي (Nano Coating ) براي افزايش مقاومت در برابرخوردگي ، حفاظتدر مقابل عوامل مخرب محيطي · نانو ذرات به عنوان پيش سازنده (Precursor) يا اصلاح ساز (Modifier) پديده هاي شيميايي و فيزيكي· نانو لوله ها (Nanotubes) منظوراز 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 سراسربدنه در مقياس چند نانو متري گسترده شده باشد .

خواص فيزيكي و شيميايي مواد نانو (در شكل وفرمهاي متعددي كه وجوددارند ازجمله ذرات ، الياف ، گلوله و . . . ) در مقايسه با مواد ميكروسكوپيتفاوت اساسي دارند . تغييرات اصولي كه وجود دارد نه تنهااز نظر كوچكي اندازه بلكه از نظر خواص جديد آنها در سطحمقياس نانو مي باشد .

هدف نهايي از بررسي مواد در مقياسنانو، يافتن طبقه جديدي از مصالح ساختماني با عملكرد بالامي باشد ، كه آنها را مي توان به عنوان مصالحي با عملكردبالا و چند منظوره اطلاق نمود . منظور از عملكرد چندمنظوره ، ظهور خواصي جديد و متفاوت نسبت به خواص مواد معمولي مي باشدبه گونه اي كه مصالح بتوانند كاربردهاي گوناگوني را ارائهنمايند

مواد نانو كمپوزيت چیست :

مواد نانو كمپوزيت برپايه پليمر (ماتريس پليمري ) اولين بار در سالهاي 70 معرفي شده اندكهاز تكنولوژيسول- ژل(Sol-Gel) جهت انتشار (Disperse) دادن ذرات نانو كانيدرون ماتريس پليمر استفاده شده است .

هرچند تحقيقات انجام شده در دو دهه گذشتهبراي توسعه تجاري اين مواد توسط شركت تويوتا در ژاپن دراواخر سالهاي 80 صورت گرفته است، ولي رشته نانو كمپوزيتپليمر هنوز در مرحله جنيني و در آغاز راه مي باشد .

دراين شرايط نانوآلومينا ، 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 وخواص حرارتي به طور مناسب داراي تعادل بوده ودر رشته هاي مختلف كاربرد دارد . ازجمله مي توان به چندنمونه اشاره كرد : · تكنولوژي نانو فلز آرتونايد كه اخيراً بهطور تجاري ، الياف نانويي آلومينا ، انقلابي در رشته سراميك بوجودآورده است . · ذرات نانويي غيرفلز مانند : نانو سيليكا ، و مواد ديگر اصلاح كننده سراميك ها مي باشد .

بتن با عملكرد بالا (HPC)  چیست:

يكي از چالشهايي كه در رشته مصالح ساختماني بوجود آمده است ، بتن با عملكرد بالا(HPC ) مي باشد . اين نوعبتن مقاوم از نوع مصالح كامپوزيت بوده و از نظر دوام جزومصالح كامپوزيت و چند فازي مركب و پيچيده مي باشد . خواص ،رفتار و عملكرد بتن بستگي به نانو ساختار ماده زمينه بتن وسيماني دارد كه چسبندگي ، پيوستگي و يكپارچگي را بوجود مي آورد .

بنابراين ، مطالعات بتن و خمير سيمان در مقياسنانو براي توسعه مصالح ساختماني جديد و كاربرد آنها بسيارحائز اهميت مي باشد . روش معمولي براي توسعه بتن باعملكردبالا اغلب شامل پارامترهاي مختلفي از جمله طرح اختلاط بتن معمولي و بتنمسلح با انواع مختلف الياف مي باشد . در مورد بتن به طورخاص ، علاوه بر عملكرد با دوام و خواص مكانيكي بهتر ، بتنبا عملكرد بالاي چند منظوره (MHPC) خواص اضافه ديگري را دارا مي باشد ، از جملهمي توان به خاصيت الكترو مغناطيسي ، و قابليت به كار گيريدر سازه هاي اتمي (محافظت از تشعشعات ) و افزايش موثر بودن آن در حفظ انرژي ساختمانها و ... را نام برد .

نانو سيليس آمورف چیست :

در صنعت بتن ، سيليس يكي از معروفترين موادياست كه نقش مهمي درچسبندگي و پر كنندگي بتن با عملكردبالا (HPC) ايفا ميكند .

محصول معمولي همانسليكيافيوم يا ميكرو سيليكا مي باشد كه داراي قطري در حدود 1/0 تا 1ميلي متر مي باشد و داراي اكسيد سيليس حدود 90% مي باشد . مي توان گفتكه ميكروسيليكا محصولي است كه در محدوده بالاي اشل اندازهنانو متر جهت افزايش عملكردكامپوزيت مواد سيماني به كاربرده مي شود .

محصول نانو سيليس متشكل از ذراتي هستند كه داراي شكل گلوله اي بوده و با قطر كمتر از 100nmيا بصورت ذرات خشك پودر يا بصورت معلق در مايع محلول قابل انتشار مي باشند ، كه مايع آنمعمول تريننوع محلول نانو سيليس مي باشد ، اين نوع محلولدر آزمايشات مشخص در بتن خودتراكم(SCC) به كار گرفته شده است . نانوسيليس معلق كاربردهاي چندمنظوره از خود نشان مي دهدمانند :

· خاصيت ضد سايش

· ضد لغزش

· ضد حريق

· ضد انعكاس سطوح

آزمايشات نشان داده اند كه واكنش مواد نانوسيليس (Colloidal Silica ) باهيدرواكسيد كلسيم در مقايسه با ميكروسيليكا بسيار سريع تر انجام گرفته و مقداربسيار كم اينمواد همان تاثير پوزالاني مقدار بسيار بالاي ميكرو سيليكا را در سنين اوليه دارا مي باشد .

تمام كارهاي انجام يافته بر روي كاربرد موادنانو سيليس كلوئيدي (Colloidal Nano Silica ) در بخش اصلاح خواصريولوژي ، كار پذيري ومكانيكي خمير سيمان بوده است . آنچهكه در اينجا مطرح است نتايج اوليه محصولات نانوسيليس باقطري در محدوده 5 تا 100 نانومتر مي باشد .

نانو لوله ها : (NANOTUBES) چیست و چه کاربردی دارد

همان گونه كه در مقدمه مقاله مطرح شد معمولاً الياف براي مسلح كردن و اصلاح عملكرد مكانيكي بتن بكاربرده ميشوند . امروزه از الياف فلزي ، شيشه اي ، پليپروپلين ، كربن و . . . در بتن برايمسلح كردن استفاده ميشود و ليكن تحقيقات روي بتن مسلح شده توسط نانو لوله كربني (Carbon Nanotubes ) انتشار نيافتهاست تا بتوان از نتايج آن براي مسلح كردن بوسيله نانو لولهها استفاده كرد .

نانو لولهكربني توسطLIJIMAدرسال 1991 كشف شده است و كارهاي بسياري برروي ساختار نانو در بخش فيزيك كوانتوم انجام يافته استبطوري كه تحقيقات نوين بر روي تكنولوژي و مهندسي نانو در سطح جهانينقش اساسي و اصلي بازي مي كند . كربن 60 و نانو لوله هاي نوين دارايساختاري هستندكه آنها را از فولاد قوي تر و بسيار سبك ميكند بطوريكه مي توانند خميدگي و كشش رابدون شكستن تحملنمايند و در آينده جايگزين الياف كربن خواهند شد كه در كامپوزيت هابه كار برده مي شوند .

نانو لوله ها با توجه به تحقيقات انجام شده در مركزتحقيقات بتن( وابسته به موسسه ACI شاخه ايران ) ، داراي مقاومت كششي بيش از هرنوع الياف بتني شناخته شده مي باشند و نيز نانو لوله هاخواص ويژه قابل ملاحظه حرارتي والكتريكي از خود نشان ميدهند ، بطوريكه هادي بودن حرارت آنها بيش از دو برابرالماس و هادي بودن الكتريكي آنها در حدود 1000 برابر فلز مس ميباشد .

نانولوله ها طبقهجديدي از محصولات مي باشند كه انقلابي جديد در زمينه مصالحو موادپيشرفته را بوجود آورده اند . يك نسل جديد از نانوكامپوزيت هاي چند منظوره ميتوانند به عنوان نانو لوله هايكربني در نقش الياف مسلح كننده مناسب آن مواد مورداستفادهقرار گيرند . بنابراين نانو لوله هاي كربني از اجزاي كليدي بدست آوردنحدفاصلي ذكر شده در فوق به عنوان مصالح ساختماني باعملكرد بالاي چند منظوره , بازي ميكنند .