مصالح هوشمند
مصالحی هستند که با عملکردی هوشمندانه در مقابل تغییرات محیط میتوانند مانند موجودات زنده خود را با شرایط محیطی منطبق سازند. برخی از این مواد، هر نوع خدشه و خرابی در ساختار خود را پیش بینی کرده و نقایص خود را برطرف میسازند. یک یا چند ویژگی این مصالح مانند شکل، میزان سختی، فرکانس و رنگ آنها در یک حالت کنترل شده یا تحت اثر محرک نیروی الکتریسیته یا میدانهای مغناطیسی به صورت قابل توجهی تغییر میکند.
خصوصیات مصالح هوشمند
مواد هوشمند یا انطباق پذیر خود به دو گونه هوشمند و نیمه هوشمند قابل تقسیم هستند. در مواد هوشمند در برابر محرکهای فیزیکی یا شیمیایی تغییرات بازگشت پذیر فیزیکی و شیمیایی ایجاد میشود. این تغییرات در مواد کاملاً هوشمند به صورت نامتناهی بازگشت پذیر است. در صورتی که مواد نیمه هوشمند توانایی محدودی در تعداد دفعات تغییرات دارند، یک محرک میتواند چند تغییر در ماده ایجاد نماید و یا چند محرک مختلف میتوانند موجب تغییر خاصی در ماده شوند. محرکهای عمده شامل تغییر محیط شیمیایی، میدان مغناطیسی و الکتریکی، فشار، حرارت، نور و اشعه ماورا بنفش هستند. تغییرات حاصل، بازده وسیعی را پوشش میدهد. برخی از این تغییرات به شرح زیر هستند.
- تغییر شکل، ابعاد، سطح و بافت به صورت همگن یا موضعی.
- تغییر در جریان الکتریکی و تولید جریان الکتریسیته که به عنوان مثال در کفسازی امکان پر رفتوآمد برای تولید جریان برق استفاده میشود.
- تغییر رنگ و شفافیت که در ایجاد محرمیت و بستن فضا کاربرد دارد.
- تغییر نوفه و کنترل نوفه مزاحم
- تولید بوی خوش بر اثر تحریکات خارجی
- قابلیت اصلاح، ترمیم، تقویت و خود تمیز کنندگی که امروزه کاربرد وسیعی در آسمان خراشها یافتهاند.
- قابلیت جذب یا انتشار نوعی مولکول، اتم یا مادهای خاص که در سه حالت ماده که به ویژه برای کاهش آلودگی محیط و تولید مواد مطلوب و ضروری مانند تصفیه هوا و یا آب کاربرد دارد.
- امکان تبادل انرژی مانند مواد تغییر فاز دهنده که در پوسته بنا برای کنترل دمای محیط داخلی کاربرد دارند و این مواد حرارت را از محیط گرفته و با تغییر فاز به حالت مایع یا گاز، آن را به صورت نهان در خود ذخیره میکنند و در هنگام کاهش دمای محیط با تغییر فاز مجدد، حرارت را به محیط بازپس میدهند.
کاربرد مواد هوشمند
یکی از مهمترین مباحث در حوزه پایداری محیطی تقلیل مصرف منابع تجدید ناپذیر و بهینهسازی مصرف انرژیهای تجدید پذیر است. از آنجا که ساختمانها مصرف بیش از ۴۰درصد از کل انرژی تولید شده در کشور را به خود اختصاص میدهند حوزه محیطی معماری پایدار اهمیت بسزایی در توسعه پایدار کشور دارد. از طرف دیگر با توجه به اهمیت پوستههای ساختمان در کنترل تبادل حرارتی بین درون و بیرون بنا مصالح به کار رفته در آنها دارای اهمیت بسیار زیادی در ایجاد شرایط آسایش حرارتی در ساختمان است. بر این اساس یکی از مهمترین راه کارها در جهت دستیابی به معماری پایدار محیطی شناخت فناوریهای نوین و مزایای استفاده از آنها به منظور بکارگیری مواد و مصالحی است که موجب کاهش مصرف انرژی و همچنین تامین شرایط آسایشی مطلوب برای ساکنان ساختمان شود.
اهمیت مواد هوشمند هنگامی مشخص میشود که نقش آنها را در ایجاد سیستمهای سازگارتر در نظر گرفته شود. این مصالح اساس کار سایر سیستمهای حسگر، سازگار و کنترل شده را تشکیل میدهند. هدف نهایی، ساخت موادی با هوشمندی مواد موجود در طبیعت است. با ایجاد خواص مورد نظر در سطح مولکولی، میتوان مواد ابر هوشمند ساخت که قادرند نقش نظامهای هوشمند موجود را ایفا، کنند. یک سیستم ساختمانی هوشمند پیشرفته میتواند علاوه بر کنترل سیستم ایمنی، انتقال بار، گرمایش، تهویه مطبوع و HVAC اثر بارهای باد و زلزله را اندازهگیری نموده و سیستمهای ضد ارتعاش را در مقابل نیروهای محرک خارجی به کار اندازد. با عرضه مواد هوشمند توانمندیها و امکانات نو در اختیار مهندسان و طراحان قرار خواهد داد. با پیشرفتهای اخیر در این زمینه برای ایجاد سازههای هوشمند مناسب، نیازهای امروز و رو به رشد آینده باید چشم دوخت. از مهمترین مصالح هوشمند موجود در صنعت ساختمان میتوان به بتن و شیشه هوشمند مورد کاربرد در ساختمانها اشاره کرد.
بتن هوشمند
بتن هوشمند، شکل پذیر، قابل ارتجاع و خود ترمیم است. با اضافه کردن الیاف پلیمری و نانو ذرات سیلیس به بتن معمولی به وجود میآید که باعث میشود مقاومت کششی، خمشی، برشی، سایشی و خود ترمیمی بتن افزایش یابد. کاربرد الیاف پلیمری و نانو ذرات سیلیس در بتن باعث پیوستگی و یکپارچگی عالیبتن میشود.
نانو ذرات سیلیس، واکنش پوزولانی به کریستالهای هیدروکسید کلسیم Ca(OH)2 داده و ژل متراکم، یکپارچه و نامحلول هیدروکسید کلسیم سیلیکات (C – S – H) را تشکیل میدهد. نانو سیلیس به علت داشتن سطح ویژه بسیار زیاد مانند هسته عمل کرده و چسبندگی بسیار قوی با سیمان هیدراته تشکیل میدهد و از رشد بیشتر بلورهای هیدروکسید کلسیم جلوگیری نموده و مانند پوزولانها، ترکهای ریز و منافذ مویین را پر کرده و در نهایت سبب تراکم ساختار سیمان، کاهش نفوذ پذیری، افزایش مقاومت، دوام و عمر مفید سازههای بتنی میشود. در اثر آب و هوا، ترکهای ریز و منافذ مویین بتن، خود ترمیم شده و بتن آسیب دیده استحکام خود را دوباره به دست میآورد.
این بتن هوشمند در برابر SECC (پوسیدگیهای زودرس شدید سیمان کامپوزیتی) مقاومت بالایی دارد. محققان، طول عمر آن را در مقایسه با بتنهای معمولی که در حدود ۴۰-۵۰ سال است، ۱۲۰ سال تخمین زدهاند.
این نوع بتن گرانتر از بتن معمولی است، این بتن عمدتاً در مناطقی که آسیب دیدگی بیشتری وجود داشته باشد از جمله در پل سازی، مورد استفاده قرار میگیرد. محققان در تلاش اند تا بتن هوشمند را در آینده در زمینه حمل و نقل و در نیروگاههای هستهای نیز بکار گیرند.
بتن هوشمند گرمازا و ضد انفجاری
مقاومت و فشردگی این نوع بتن که از دانش علمی بسیار بالایی برخوردار بوده و در نوع خود بینظیر است، متناسب با شدت ضربه وارده به آن افزایش مییابد. بتنهای ضد انفجاری برای محافظت سازههای مهم نظیر پالایشگاهها، مراکز پتروشیمی و سایر تأسیسات حیاتی نظیر سدها و آشیانههای هواپیمایی و نیروگاهها کاربرد داشته و دارای رفلکس دینامیکی بسیار بالایی در مقابل ضربات وارده بوده، به طوری که مقاومت کششی این نوع بتن در شرایط وجود ضربه تا ۳ برابر مقاومت فشاری آن بالا رفته و رواداری آن در شرایط بمبهای آتشزا بسیار عالی است.
با اجرای طرح بتن هوشمند گرمازا از یخزدگی جادهها به ویژه پلها جلوگیری میشود. در این طرح از فنآوری نانو استفاده شده که بتنهای خود تراکم الیافی، جریان برق ۲۴ ولت بین یک تا ۵۰ درجه بتن را گرم میکند. این فنآوری در نواحی سردسیر و گردنهها از یخزدن و تخریب جادهها جلوگیری میکند.
برفروبی و بازکردن جادهها، پلها و باند فرودگاههای مسدود شده در اثر بارش برف در زمستان، یکی از چالشهای بزرگ در زمینه نگهداری مسیرهای ارتباطی در کشورهای سردسیر و برفخیز است که هزینههای زیادی را به سازمانهای راهداری تحمیل میکند. در همین زمینه به کمک فناوری نانو، نوع جدیدی از بتن ابداع شده که به گونهای هوشمندانه و خودکار، ایمنی راههای بتنی را مورد پایش قرار داده و در صورت لزوم مبادرت به یخزدایی از سطح راه میکند. برای تولید انرژی گرمایی و همچنین افزایش قابلیت انتقال حرارتی بتن، از ۴ نانو ماده میتوان استفاده کرد. نانو مواد TiO۲، Al۲O۳، Fe۲O۳ و پارافین حاوی نانوکپسولهای پلیمری، قابل استفاده در بتنهای حرارتزا هستند. البته تنها به استفاده از این نانو ذرات در بتن بسنده نمیشود، بلکه از الیاف فلزی نیز به منظور توزیع یکنواخت و همگن حرارت در بتن استفاده میشود. الیاف فلزی کارکردی چند منظوره دارند یعنی، هم عهدهدار انتقال حرارت هستند و هم تنشهای حرارتی را جذب میکنند، همچنین بر مقاومت کششی بتن میافزایند.
کاربرد تکنولوژی نانو در ساخت بتن هوشمند در صنعت ساختمان
فناوری نانو با چشم انداز جدیدی از تولید مواد در مقیاس نانو با چیدمان اتمی خاص و متفاوت جهت دستیابی به خواص ویژه در زمینههای مختلف از جمله صنعت ساختمان وارد شده است. تاکنون فناوریهای نانو در صنعت ساختمان و به ویژه در عرصه تکنولوژی بتن نظیر تولید بتنهای تقویت شده با مقاومت فشاری و کششی قابل ملاحظه، انعطاف پذیری و مقاومت در برابر حملات شیمیایی، تولید حسگرها و سنگدانههای هوشمند، پوششهای بتنی آنتی باکتریال، سطوح بتنی خود تمیز شونده، تصفیه کننده هوا و خاصیت خود ترمیمی بتن کاربرد پیدا کرده است. سیستم خود ترمیمی بتن (بتن هوشمند) نوعی الگوبرداری از سیستم دفاعی بدن موجودات زنده در ترمیمی قسمتهای آسیب دیده است به طوری که سازههای بتنی نیز با کمک مصالحی بتوانند هم چون نمونههای زیستی پس از بروز آسیب به شناسایی و ترمیم خویش بپردازند. کاربرد چنین مصالح هوشمندی برای سازههای مهم و حساسی از جمله سازههای فضایی، سازههای زیرزمینی زیر آبی یا مخازن ذخیره مایعات به دلیل دسترسی بسیار محدود و دشوار سیستم نظارت و هزینههای گزاف ترمیم و تقویت بسیار حائز اهمیت است.
