کاربرد نانو در صنعت بتن
با توجه به ریز ساختار سیمان هیدراته شده و وجود حفراتی در ابعاد نانو، استفاده از نانو ذرات میتواند در پر کردن تخلخلهای بسیار ریز خمیر سیمان و افزایش مقاومت و به خصوص دوام بتن یا ملات موثر باشد. از این رو استفاده از نانوسیلیس و نانو رس به عنوان یکی از محصولات فناوری نانو میتواند نقش یک پوزولان مصنوعی بسیار فعال را در بتن یا ملات ایفا نماید، مورد توجه محققان قرار گرفته است. در عین حال پیشرفتهای اخیر در زمینه تکنولوژی مصالح ساختمانی، امکان استفاده از نانو مواد را فراهم کرده است. تحقیقات زیادی به بررسی خواص مکانیکی و دوام ملاتهای حاوی ذرات نانو پرداختهاند که به طور عمده شامل مقایسه عملکرد نانو ذراتی نظیر نانوسیلیس در مقابل پوزولانهای مختلفی نظیر خاکستربادی و دوده سیلیس است.
نانو سیلیس
سیلیسیمدیاکسید یا سیلیکا فراوانترین ماده سازنده پوسته زمین است. این ترکیب با رابطه شیمیایی SiO2 ساختاری شبیه به الماس دارد. مادهای بلوری و سفید رنگ است که دمای ذوب و جوش آن نسبتاً زیاد است و در طبیعت به دو شکل بلوری و آمورف (بیشکل) یافت میشود. در صنعت بتن، سیلیس یکی از معروفترین موادی است که نقش مهمی در چسبندگی و پرکنندگی بتن با عملکرد بالا ایفا میکند
نانوسیلیس یکی از پر کاربردترین نانو ذرات در بتن یا ملات است. مادهای پوزولانی جدیدی به شکل جامد یا محلول در آب است که به آن، به علت اندازه بسیار ریز ذرات (۱ تا ۵۰ نانومتر)، سیلیس ابر ریز بیشکل کلوئیدی میگویند که عملکرد بهتری نسبت به دودهسیلیس، به علت کوچکتر بودن ابعاد آن دارد.
استفاده از نانوسیلیس در سیمان، نه تنها به علت پرکنندگی منافذ، باعث بهبود ساختار میشود بلکه واکنشهای پوزولانی را فعالتر مینمایند. نانوسیلیس آمورف با واکنشپذیری بالا از ماسه سیلیسی تشکیل شده است و برای ساخت ملاتهای با استحکام بالا، قدرت نفوذپذیری پائین و تحمل بالا به کار برده میشود. ذرات ریز سیلیس با خلوص و پتانسیل بالا، در انتخاب افزودنی به عنوان جایگزین درصدی از سیمان به کار میرود.
اثرات مطلوب پوزولانها بر روی دوام و مقاومت بتن و کاهش دمای هیدراتاسیون در بتنریزیهای حجیم، امروزه پوزولانها را به عنوان یکی از اجرای تشکیل دهنده بتن و ملات تبدیل کرده است. در کشور ایران معادن غنی از این پوزولانها وجود دارند. آنچه بیش از بیش حضور پوزولانها را به عنوان یکی از اجزای تشکیل دهنده بتن مطرح میکند، بهبود در دوام و خصوصیات مکانیکی و رئولوژیکی بتن و ملات است.
اثر افزودن نانو سیلیس بر استحکام فشاری و خمشی
بسیاری از مشخصات ملات با مقاومت فشاری ارتباط دارند. نتایج آزمایش فشاری میتواند به عنوان پایهای برای کنترل کیفیت ملات، نسبتهای طرح اختلاط آن، ارزیابی اثرات افزودنیها روی ملات و بتن مورد استفاده قرار بگیرد. آزمایش مقاومت فشاری طبق استاندارد ASTM C 462 روی نمونهها انجام میشود.
با افزودن نانوسیلیس، فرآیند هیدراتاسیون سریعتر انجام میشود. همچنین مقاومت فشاری و خمشی نمونهها افزایش مییابد. نانوسیلیس با پر کردن تخلخلها، باعث افزایش استحکام قطعات میشود ولی برای استفاده از مقادیر بالای نانو، بایستی مقدار آب و سوپرپلاستیسایزر تنظیم شود تا مطمئن شویم از خشک شدن بیش از حد و ترک جلوگیری مینماید.
اثر افزودن نانو سیلیس بر کارایی و زمان گیرش ملات
افزودن نانوسیلیس بر روی زمان گیرش سیمان نیز موثر میباشد و باعث کاهش زمان گیرش اولی میشود. با افزودن نانوسیلیس به سیمان، ملات سیمان، متراکم شده و نفوذپذیری نسبت به سیمان معمولی به تدریج کاهش مییابد. گیرش اولیه نمونههای حاوی نانوسیلیس نسبت به میکروسیلیس سریعتر بوده و تفاوت بین زمان گیرش اولیه و نهایی نمونههای حاوی نانوسیلیس نسبت به نمونههای حاوی دودهسیلیس به دلیل کاهش نفوذپذیری (متراکم بودن ساختار نانو سیمانها) بیشتر میشود.
اثر نانو سیلیس در افزایش گرمای هیدراتاسیون ملات
یکی از مشکلات ملاتهای حجیم، مشکل ترک خوردگی ناشی از کاهش گرمای هیدراتاسیون است. به همین دلیل، در بسیاری موارد برای رسیدن به یک طرح اختلاط مناسب عیار سیمان را کاهش میدهند. این امر به نوبه خود باعث کاهش میزان آب و نیز افزایش ابعاد سنگدانهها خواهد شد. چنین ملاتی با مشکلات اجرایی وکاهش مقاومت روبرو خواهد شد. بنابراین استفاده از نانوسیلیس به عنوان جایگزین بخشی از مواد سیمانی میتواند موثر باشد.
تاثیر نانو سیلیس بر مقاومت بتن الیافی
یكی از دلایل اصلی تخریب بتن در نواحی سردسیر ایران، به خصوص در مناطق غربی و شمال غربی، سیكلهای یخ زدن وآب شدن است. مقاومت بتن در برابر سیكلهای انجماد وذوب به تنشهای بالای درون بتن وابسته است. به ویژه در زمانی كه آب داخل سنگدانهها منجمد گشته و باعث تغییر حجم بتندر آب و هوای سرد میشود. این تغییر حجم سبب ایجاد ترك خوردگیهای ریز در بتن میشود كه نهایتاً منجر به كاهش مقاومت و تضعیف ساختار بتن میشود.
میزان تخلخل و توزیع منفذهای با ابعاد مختلف، در خمیر سیمان، نقش مهمی در تعیین خواص مكانیكی بتن دارد. این تخلخل كه وابسته به نسبت آب به سیمان است، به دلیل وجود حفرههایی است كه قطر آنها در حدود ۰/۵ نانومتر تا ۱۰ میكرومتر است و باعث كاهش مقاومت فشاری بتن میشوند. حفرههای با ابعاد بزرگتر میتوانند به راحتی با اتصال به هم مسیر نفوذ مواد شیمیایی را فراهم آورده و دوام و پایداریبتن را كاهش دهند. به همین دلیل مقاومت و نفوذ ناپذیری بتن،شدیداً وابسته به اندازه و توزیع حفرهها است. بنابراین باید مواد كمكی همراه با سیمان جهت كاهش تخلخل و افزایش مقاومت، در تهیه بتن استفاده شود.
یكی از چالشهایی كه امروزه در رشته مصالح ساختمانی به وجود آمده است، تهیه بتن با عملكرد بالا است. خواص، رفتار و عملكرد بتن بستگی به نانو ساختار ماده زمینه بتن و سیمانی دارد كه چسبندگی، پیوستگی و یكپارچگی را به وجود میآورد. امروزه از نانو ذرات مختلف در بهبود خواص بتن استفاده شده است كه از جمله میتوان به نانو ذرات اکسید زیرکونیوم، اکسید آلومینوم، اکسید تیتانیوم، و سیلیس اشاره کرد.
در صنعت بتن، سیلیس یكی از معروفترین موادی است كه نقش مهمی در چسبندگی و پر اكنندگی بتن با عملكرد بالا ایفا میکند. محصولات نانوسیلیس متشكل از ذراتی هستند كه گلولهای شكل بوده و با قطر كمتر از ۱۰۰ نانومتر صورت ذرات خشك پودر یا به صورت معلق در مایع محلول قابل انتشار هستند، نانوسیلیس معلق كاربردهای چند منظوره مانند خاصیت ضدسایش، ضد لغزش، ضد حریق، ضد انعكاس سطوح، از خود نشان میدهد.
آزمایشات نشان دادهاند كه واكنش مواد نانوسیلیس با هیدرواكسید كلسیم در مقایسه با میكروسیلیكا سریعتر انجام میگیرد. و نه تنها میتواند به عنوان پركننده خوبی برای خلل و فرج باشد، بلكه میتواند فعال كننده واكنش پوزولانی نیز باشد. مواد افزودنی ذرات نانوسیلیس مورد استفاده میتوانند ضمن بالاتر بردن كارایی بتن این فواصل را در حد بسیار كوچك پر كرده، با كریستالهای هیدرات كلسیم كه در ناحیه بین دانهای قرار دارند واكنش داده و ژل C-H-S کمک میکند و كمك زیادی به دوام بتن نمایند.
مهمترین مشكل كار كردن با بتن مسلح به الیاف شیشهای ،پایین آمدن كارایی بتن است كه برای فائق آمدن بر آن باید از فوق روان كننده با كیفیت مناسب استفاده نمود و همچنین برای پخش مناسب و یكنواخت الیاف و ضمناً برای جلوگیری و به حداقل رساندن پدیده گلولهای شدن الیاف تدابیر مناسب اتخاذ كرد.
مقاومت فشاری بتن با نانوسیلیس پودری و الیاف شیشهای از افزایش قابل ملاحظهای نسبت به بتن معمولی برخوردار بوده و همچنین سرعت افزایش در ۲۸ روز اول بیشتر است.
