نانو در صنعت ساختمان
فناوری نانو به عنوان یک فناوری کلیدی و بین رشته‌ای، فرصت‌های زیادی را جهت تقویت رقابت در صنعت ساخت و ساز نظیر ساخت و ساز سریع‌تر، منعطفتر، مطلو‌بتر، پایدارتر و مقرون به صرفه‌تری را فراهم کرده است. و زمینه‌های کاربردی این فناوری، تقریباً در تمام بخش‌های ساختمان شامل اسکلت، طراحی نما، مهندسی ساختمان (سیستم‌های ساختمانی) و طراحی داخلی را شامل میشود. کنترل خواص مواد در مقیاس نانو و نیز کنترل اثرات فیزیکی و شیمیایی مربوطه، تولید مصالح ساختمانی چندمنظوره با کارایی بالا را ممکن می‌سازد، که این امر باعث ایجاد ارزش افزوده، افزایش دوام، کیفیت و پایداری محیط زیست میشود. قابل ذکر است این فناوری کاربرد وسیع و چشمگیری در احداث زیرساخت‌های اصلی نظیر سدها،
را‌ه‌ها، پل‌ها و کانا‌ل‌ها و… دارد.
ملزومات صنعت ساختمان
یکی از چالش‌های اصلی در صنعت ساخت و ساز، بازسازی ساختمانهای تجاری و مسکونی موجود از نظر کارایی انرژی است. به عنوان مثال تقریباً ۸۰ درصد ساختمانهای موجود بیشتر از دو برابر ساختمانهای جدید گرما مصرف می‌کنند. بنابراین، نیاز به مدیریت انرژی و سیستم‌های عایق حرارتی و همچنین منابع انرژی بهینه و تجدید پذیر (مانند فتوولتائیک) در سطح بالایی قرار دارد. چالش‌های دیگری که صنعت ساخت و ساز در آینده با آنها مواجه میشود شامل موارد زیر است.
- ترکیب عملکردها و حفظ ارزش بخش‌های مختلف ساختمان، برای مثال نمای چندمنظوره، که دما و نور مطلوب را ایجاد می‌کند و همزمان در برابر خوردگی، حمله‌ی قارچ یا ضربات شدید از بنا محافظت می‌کند.
- برطرف نمودن نیازهای رو به رشد مشتریان (آسایش مشتری) در زمینه‌ی طراحی و آسایش مسکن و نیز حذف اختلالاتی همچون آلودگی، سرو صدا، رطوبت یا بوی نا‌مطبوع.
- ایجاد سازههای ایمنی محور با توجه به افزایش خطرات زیست محیطی.
- صرفه جویی در انرژی و مواد اولیه با تولید مصالح ساختمانی ویژه و نیز ساخت و ساز و بهره‌برداری از زیرساخت‌ها و ساختمانهای مسکونی.
- اختصاص اولویت به آموزش و تحصیلات تکمیلی به عنوان پیش نیاز نوآور
فناوری نانو، می‌تواند مشارکت قابل توجهی را در پاسخگویی به این نیازها داشته باشد.
تأثیر فناوری نانو در صنعت ساختمان، عمدتاً در مراحل اولیه زنجیر‌ه‌ی ارزش به ویژه در حوز‌ه‌ی شیمی ساخت قابل توجه است.
- مواد بتنی خود متراکم که به واسطه‌ی افزودنی‌های بهینه بر پایه عامل‌های پلیمر در مقیاس نانو ایجاد می‌شوند.
- بتن با کارایی بالا (بتن فوق قوی) به واسطه‌ی بهینه سازی ساختار دانه
- سیستم عایق بندی کارآمد از جنس نانو مواد متخلخل با رسانایی گرمایی حداقل و با انعکاس یکنواخت
- رنگ نمای مقاوم در برابر کثیفی و آلودگی دارای ساختار نانو
کاربردهای فناوری نانو در صنعت ساختمان
کاربرد نانو فناوری در صنعت بتن
یکی از جنبه‌های اصلی نانو تکنولوژی ماهیت میان رشته‌ای آن است. تعامل این علم با علم بتن می‌تواند نقطه عطفی در صنعت ساخت و ساز ایجاد کند. هدف نهایی از بررسی بتن در مقیاس نانو، یافتن نسلی جدید از مصالح ساختمانی با عملکرد‌های بالا و با خواصی جدید و متفاوت نسبت به خواص مصالح معمولی است. اولین گام برای ورود به این عرصه، شناخت بتن است. بتن از پر کاربرد ترین مصالح ساختمانی است. استفاده از نانو تکنولوژی در صنعت بتن به چند سال اخیر برمی‌گردد. ثابت شده که استفاده از ذرات ریزتر از میکرو سیلیس باعث افزایش مقاومت فشاری بتن شده است.
در حال حاضر هزینه‌های بالای نانو ذرات مانع از توسعه روزافزون این محصولات و استفاده آنها در صنعت میشود، برای همین بهره‌برداری از نانو تکنولوژی در صنعت بتن در مقیاس تجاری همچنان به چند محصول قابل عرضه در بازار محدود شده است.
مشکل دیگر در زمینه استفاده از نانو مواد‌ها توزیع یکنواخت آنها در ماتریس بتن است. معمولاً این مواد در حین افزوده شدن به بتن به صورت کلوخه انباشته می‌شوند و در مخلوط به خوبی توزیع نمی‌شوند، البته برای این حل مشکل می‌توان از دستگاه‌های مخلوط‌کن قوی استفاده کرد.
اشکال دیگر در این زمینه جذب آب بسیار بالای ذرات نانو است. این ذرات به علت سطح ویژه بسیار بزرگی که دارند مقدار زیادی آب جذب می‌کنند و ممکن است بر کارایی بتن تاثیر گذار باشد.
مصالح ساختمانی سیمانی
افزایش مقاومت در بتن به ساختار بلورین آن بستگی دارد که اندازه آن تنها چند نانومتر است. در سا‌ل‌های اخیر و با شروع بهسازی مواد در حوزه مصالح ساختمانی سیمانی، نانو مواد به عنوان مواد مکمل در مصالح کاربرد دارد. فناوری نانو از طریق به کارگیری نانوپودرها به عنوان مواد مکمل در مخلوط سیمان باعث بهبود در مقاومت، استحکام و فرآیندپذیری مصالح شده و تغییر در خواص دیگری مانند حفاظت الکترومغناطیسی، محافظت گرمایی، کنترل هدایت حرارتی، تغییر رنگ و واکنش‌های کاتالیستی میشود.
از جمله مواد مکمل برای بهینه کردن خواص ملات بتن در مقیاس نانو می‌توان به اکسیدهای فلزی نانو مقیاس (برای مثال دی اکسید سیلیکون کلوئیدی) یا کوپولیمرهای بلوکی که به صورت تجاری تولید می‌شوند، اشاره نمود. با استفاده از دی اکسید سیلیکون کلوئیدی که اندازه ذرات آن به طور معمول در محدوده ۵ تا ۳۰ نانومتر است، استحکام و مقاومت بتن در برابر خوردگی اسیدی افزایش می‌یابد.
نمای بیرونی و بام ساختمان
فناوری نانو روشهای زیادی برای بهبود خواص سطوح نمای ساختمان چه از نظر عملکرد و چه زیبایی عرضه می‌کند. با استفاده از نانو مواد، خواص سطوح در برابر آب و ذرات گرد و خاک (ذرات کثیف) با تنوع نسبتاً زیاد و به صورت دلخواه قابل تنظیم است، که از آن جمله می‌توان به سطوح آب دوست (Hydrophilic)، سطوح آبگریز (Hydrophobic) یا سطوح مقاوم در برابر روغن (Oleophobic) اشاره کرد.
استفاده از پودر تیتانیم دی اکسید در مقیاس نانو، اثربخشی لایه را افزایش می‌دهد و با توجه به کوچکی ذرات، از پخش نور جلوگیری میشود، بنابراین با استفاده از آن در جداره پنجر‌ه‌ها شفافیت مورد نیاز این پوشش تأمین میشود. در حال حاضر دامنه تولید سیستم پوششی فوتوکاتالیستی نسبتاً وسیع و شامل سطوح ابر آ‌بدوست است که در مثا‌ل‌های متنوعی چون آیینه، پنجر‌ه‌های خود تمیز شونده، قاب پنجر‌ه‌ها یا آجر (سفال) استفاده میشود.
عایق حرارتی
استفاده از عایق حرارتی در نمای خارجی، هم از نظر هزینه‌های سرمایه گزاری برای ساختمان‌سازی جدید و بازسازی ساختما‌ن‌ها و هم از نظر هزینه‌های عملیاتی از عوامل ضروری در اقتصاد ساختمان است. تنها در آلمان قریب به ۶ میلیارد متر مربع سطوح نما وجود دارد که تقریباً ۸۰۰ میلیون متر مربع از آن سطوح پنجره است و این در حالی است که بخش بزرگی از آن نیازمند بازسازی است. در اروپای غربی بازار عایق حرارتی در صنعت ساختمان تقریبا ۶ میلیارد یورو تخمین زده میشود.
پنجر‌ه‌ها و جدار‌ه‌ها
شیشه به دلیل شفافیت و مقاومت بالا با هر شکل و رنگی به عنوان مصالح ساختمانی برای پنجره و نما شناخته شده است. البته لکه دار شدن سریع، انعکاس نامطلوب و عملکرد بد آن به عنوان یک عایق حرارتی، از نکات منفی آن است. پوشش‌های نانویی این خواص منفی را به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌دهند و بدین وسیله زمینه‌های عملکردی جدیدی را برای نمای شیشه‌ای به ارمغان می‌آورد.
- بهبود حفاظت از حرارت با استفاده از پوشش‌های ذخیره کنند‌‌ه‌ی انرژی (Low- E)
- شیشه ضد آفتاب (حفاظت در برابر آفتاب) با استفاده از شیشه‌های رنگ متغیر (الکتروکرومیک)
- بهبود استفاده از نور روز با به کارگیری آرایش یکنواخت میکروآینه‌ای
- خود تمیز شوندگی با استفاده از پوشش فوتوکاتالیستی
- پوشش‌های ضد انعکاس با استفاده از لایه‌ی SiO2 نانو حفره
پوشش‌های ضد انعکاس
از پیشرفت‌های فناوری نانو در صنعت ساختمان و قابل عرضه در بازار، پوشش‌های ضد انعکاس برای شیشه‌های مسطح است که افزایش انتقال نور بیشتری دارند و برای نمونه در کلکتورهای خورشیدی و یا جداره شیشه‌های ساختمان کاربرد دارند. انتظار می‌رود که با این روش اتلاف انعکاسی نور (نوری که به وسیله‌ی بازتابش به بیرون منعکس میشود) در پانل‌های شیشه‌ای به طور معمول از ۸درصد به ۲درصد کاهش می‌یابد.
پنجر‌ه‌های هوشمند
واژ‌ه‌ی پنجره هوشمند به پانل شیشه‌ای اطلاق میشود که بسته به نوع تأثیرات محیطی، خواص خود را خصوصاً در مورد انتقال نور می‌تواند تغییر دهد. بدین منظور از مواد کروموژنیک استفاده میشود که رنگ یا شفافیت خود را می‌تواند با توجه به محر‌ک‌های (عوامل) برگشت پذیر فیزیکی یا شیمیایی تغییر دهد.
این گونه شیشه‌ها می‌توانند به عنوان جایگزین برای انواع سیستم‌های سایه از قبیل سیستم‌های ضد تابش و پرد‌ه‌ها در نظر گرفته شود. شیشه‌های هوشمند از طریق فناور‌ی‌های مختلفی تولید می‌شوند که این فناور‌ی‌ها تا حد زیادی مبتنی بر استفاده از نانو مواد و سیستم‌های پوششی نانو مقیاس است.
انرژی و تکنیک‌های نورپردازی
فناوری نانو گزینه‌های متعددی برای افزایش بهره‌وری و توسعه روشهای جدید تولید انرژی و تکنیک‌های نور پردازی در ساختمان ارائه می‌کند که برخی از این نمونه‌ها به شرح زیر است.
- دیودهای نوری به عنوان تکنیک نور پردازی با بازده انرژی بالا برای کاربردهای ویژه در ساختمان (نور پردازی نما، نورهای راهنما، نورهای رنگی).
- مواد ارگانیک با توانایی بالا برای استفاده در تکنیک نورپردازی بر روی زیرلایه‌های انعطاف پذیر.
- سلولهای خورشیدی رنگی با ویژگی شفافیت و زیبایی (تزیینی)، برای مثال در نماهای شیشه‌ای به عنوان جایگزینی برای سلولهای خورشیدی پایه سیلیکون.
- پوسته‌های (غشا) نانو ساختار و کاتالیزورها، برای بازده‌ی بیشتر پیل‌های سوختی در بخش الکتریسیته و گرما و با استفاده از گاز طبیعی.
با توجه به مصرف کم انرژی، رنگ زیبا و ابعاد بسیار کوچک LED (که مبتنی بر پوشش‌های نیمه‌هادی در مقیاس نانو است)، معماران قادرند هنر خود را در نور پردازی ساختمان و طراحی نما در معرض عموم قرار دهند.
حفاظت در برابر آتش
فناوری نانو روشهای متنوعی برای توسعه مواد ضد آتش (ضد حریق) و بهبود خواص آن و به عنوان جایگزین مواد آلاینده که در این زمینه استفاده می‌شده، عرضه می‌کند. نقطه عطف پژوهش‌ها، ذرات سیلیکات نانو ساختار هستند (نانو رس) که به عنوان پرکننده پلیمرها و برای بالا بردن خواص ضد آتش و مقاومت در برابر حرارت استفاده میشود. در ساختمان، پلیمرها در پوشش کابل‌ها، نقش مهمی را ایفا می‌کنند. برای مثال در فیوز، پریز برق و محفظه لامپ‌ها و …. خاصیت ضد حریقکامپوزیت‌های نانو رس نشانگر این مسأله است که هم اتلاف حرارت و توسعه دود به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد و همزمان ایجاد جرقه (جرقه زنی) به تعویق می‌افتد.از دیگر جنبه‌های کاربردی پوشش ضد حریق برای چوب، فلز، پلاستیک یا بتن است که توسعه آتش در مصالح به وسیله این نوع پوشش به تأخیر می‌افتد و مانع گسترش کنترل نشده آتش میشود.
در مورد جدار‌ه‌های شیشه‌ای نیز، فناوری نانو به بهبود عمل حفاظت در مقابل آتش (مقابله با آتش) کمک می‌کند.
دکوراسیون داخلی
در دکوراسیون داخلی، فناوری نانو برای هر نوع کارکردی، سطوح مناسب آن را ایجاد می‌کند. با استفاده از نانو ذرات اصلاح شده، پوشش‌های متنوعی را مي‌توان توليد کرد، که به شرح زیر است.
- پوشش ضد گرد و غبار
- پوشش‌های آبگریز
- پوشش‌های ضد اثر انگشت
- پوشش‌های ضد خراش
- پوشش‌های آنتی باکتریال
- پوشش‌های چند منظوره
زیرساخت
افزایش عمر مفید و کاهش هزینه‌های نگهداری و تعمیرات با منافع اقتصادی زیادی همراه خواهد بود. فناوری نانو، فرصتی را فراهم می‌کند تا نوآور‌ی‌های جدید در بخش احداث جاده، پل و نیروگاه برق به وقوع بپیوندد.
با استفاده از نانوسیلیس در بتن، برخی مواد افزودنی قلیایی مضر برای محیط زیست منسوخ خواهد شد و بتن با کیفیت و مقاومت بهتری به وجود خواهد آمد. این روش برای اجرا در ساختمان نیز مورد تایید است. هم اکنون نانو سیلیس در ساخت بتن‌های مقاوم به اسید برای بر‌ج‌های خنک کننده نیروگاه نیز به کار گرفته شده که باعث بهبود ساختار و خواص شیمیایی بتن شده است. برای استفاده از بتن‌های مقاوم به اسید این بتن‌ها می‌توانند با هزینه معمول و پوشش‌های نگهدارنده آلی توليد شوند.
در بتن الیافی، مقاومت در برابر خوردگی افزایش یافته و انتقال نیرو و مقاومت اتصالات بین الیاف و ماتریس سیمان کاملاً افزایش می‌یابد. مقاومت ساختاری (مقاومت بار) و طول عمر این ترکیب با اثرات متفاوت پوشش به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. بدین ترتیب استفاده از آن در ساخت پل‌های دارای دهانه بزرگ، سالن‌ها، سازههای پوسته‌ای، ستو‌ن‌های متحمل بار زیاد و در زیر ساخت‌های سازهای امکان می‌یابد.
