انواع نانو ذرات به کار برده شده در بتن خود تراکم – قسمت اول

یافتن نانو ذرات به عنوان نسلی جدید از مصالح ساختمانی با عملکرد بالا و خواصی متفاوت نسبت به خواص مصالح معمولی، هدف نهایی از بررسی بتن در مقیاس نانو است. از سال ها پیش استفاده از ذرات سیلیکا در ابعاد میکرون به صورت وسیعی در بتن مورد استفاده قرار گرفته است.

 

کاربرد نانو تکنولوژی در بتن

استفاده از نانو ذرات باعث افزایش مقاومت فشاری بتنها می شود. در واقع نانو تکنولوژی، علمی است مربوط به اندازه گیری و توصیف ساختار ملکولی در مقیاس نانو و میکرو، برای درک بهتر رفتار در مقیاس بزرگ (ماکرو). مهندسی نانو شامل تکنیک های تغییر ساختار در مقیاس نانو متری جهت ایجاد نسلی جدید و مناسب از کامپوزیت های سیمانی با رفتار ایده آل مکانیکی است، که می توان با کمک آن، بتنی با خواصی جدید از جمله دارا بودن مقاومت الکتریکی پایین، هوشمند بودن، خود تمیز کنندگی، خود ترمیم کنندگی، شکل پذیری بالا و غیره را به وجود آورد.

روش های جدید تولید سیمان در ابعاد نانو

اخیرا دو روش برای تولید سیمان در ابعاد نانو پیشنهاد شده است:

  1. آسیاب کردن ذرات سیمان: در این روش از خرد کردن ماده اصلی، نانو ذرات ساخته می شوند.
  2. استفاده از ترکیبات شیمیایی: در این روش با استفاده از واکنش های شیمیایی، نانو ذرات شکل می گیرند.
بتن
بتن

چالش های نانو تکنولوژی در صنعت بتن

نانو تکنولوژی یک حوزه تحقیقاتی وسیع و پویا در سراسر جهان می باشد. این حوزه بعد از ابداع لوله های نانو کربنی در زمینه های متعددی همچون الکترونیک، مهندسی پزشکی و کامپوزیت ها کاربرد پیدا کرده است. اخیرا محققین مختلفی به استفاده از فناوری نانو در صنعت سیمان روی آورده اند.

با استفاده از نانو ذرات در سیمان، و دستیابی به خواصی جدید، سیمان مذکور می تواند به عنوان یک ماده ای با فناوری بالا، جایگزین سیمان های رایج شود. مانند بسیاری از تکنولوژی های نوین، نانو تکنولوژی نیاز به توجیه اقتصادی داشته ولی در حال حاضر به علت هزینه های بالای این فناوری، توسعه روز افزون این محصولات و استفاده از آنها در صنعت، محدود گردیده است.

توزیع یکنواخت نانو ذرات در بتنها یکی دیگر از چالش های استفاده از نانو ذرات می باشد. معمولا این ذرات در حین اضافه شدن به بتن به توده ای انباشته تبدیل شده و در مخلوط به خوبی توزیع نمی شوند. البته می توان برای جبران این نقص از دستگاه های مخلوط کن قوی استفاده کرد. چون نانو ذرات سطح ویژه بزرگی دارند، این امکان وجود دارد که مقدار زیادی آب جذب نمایند و در نتیجه آن، تاثیر منفی بر کارآیی بتن می گذارند.

انواع نانو ذرات به کار برده شده در بتن خود تراکم

میکرو سیلیس ها و نانو سیلیس ها

برای بهبود خواص مکانیکی و افزایش دوام بتن استفاده از میکرو سیلیس ها در کشور های پیشرفته رو به افزایش است. استفاده از میکرو سیلیس ها در آن دارای فواید بسیار زیادی می باشد که از آن جمله می توان به کاهش ترک های ناشی از هیدراتاسیون سیمان، دوام بهتر در مقابل حمله سولفات ها، باران های اسیدی و دستیابی به مقاومت بالا اشاره کرد. از دیگر مزایای مصرف میکرو سیلیس کاهش تحرک یون های کلر و در نتیجه کاهش عمق نفوذ کلر در بتن، به ویژه در مناطق ساحلی است.

از موارد مصرف آن می توان در بتنریزی های مربوط به ساخت اسکله های دریایی، شمع ها، ستون ها و قطعات پیش ساخته، فونداسیون ماشین آلات و کلیه سازه های بتنی که در معرض حملات شیمیایی به ویژه یون کلر و سولفات ها قرار دارند، نام برد.

بتن
بتن

افزودن نانو سیلیس به بتن موجب افزایش مقاومت های فشاری، کششی و خمشی، کاهش زمان گیرش بتن و کاهش نفوذ پذیری آب داخل بتن و نیز افزایش مقاومت آن در برابر حمالت عوامل شیمیایی می شود. همچنین افزودن نانو ذرات سیلیس به بتن موجب کاهش زمان هیدراتاسیون آن و بالا رفتن پیک دمایی هیدراتاسیون می شود.

دو واکنش مکانیکی محتمل در هنگام هیدراتاسیون بتن در حضور ذرات نانو سیلیکا وجود دارد. هیدراتاسیون سیمان می تواند در حضور ذرات نانو سیلیکا شتاب پیدا کند. هنگامی که نانوسیلیکا به ذرات سیمان اضافه می گردد، شروع به واکنش می کند که موجب تولید کلسیم – سیلیکات – هیدارت (C-S-H) اضافی می شود.

سپس این ذرات   C-S-H ایجاد شده، درون آب بین ذرات سیمان پخش شده و نقش منبعی را برای ایجاد فاز فشرده C-S-H ایفا می کنند. تشکیل فاز C-S-H به عنوان یک عامل، به پرکردن خلل و فرج های بتن کمک می کند. تشکیل تعداد زیادی از این ذرات موجب شتاب بخشیدن در زمان هیدراتاسیون بتن می شود.

با افزودن 10 درصد نانو سیلیس، مقدار مقاومت فشاری بتن به میزان 26 درصد افزایش یافته ولی با افزودن همین مقدار سیلیس در مقیاس میکرون، مقاومت فشاری بتن به میزان 15 درصد افزایش می یابد. حتی با اضافه کردن نانو سیلیس به مقدار بسیار کمی برابر 0.25 درصدی، مقاومت فشاری به اندازه 10 درصد و مقاومت خمشی به میزان 25 درصد افزایش می یابد.

تحریریه به تام