اثرنانو ذرات بر ویژگیهای بتن

 محمد علی دشتی، رضا اسماعیل زاده 

 

1-دانشجوی دکتری عمران – سازه دانشگاه فردوسی مشهد و عضو هیئت علمی دانشگاه آزاد اسلامی یزد

2-  دانشجوی کارشناسی ارشد عمران –  سازه دانشگاه آزاد اسلامی یزد (مولف رابط )

 

چكيده

امروزه از فن آوري هاي مختلف به منظور ايجاد آسايش بيشتر و صرفه جويي در هزينه ها به خصوص در مصرف منابع انرژي بهره هاي فراوان برده مي شود در قرن حاضر، تکنولوژ ي نانو مواد با سرعت خيره کننده اي در حال توسعه ميباشد و در آينده در بسياري از مواد به کار برده خواهد شد . با توجه به وزن بسيار کم نانو مواد افزوده شده به ترکيب بتن، ميتوان گفت که افزايش مقاومت فشاري ، منجر به افزايش طول عمر بتن ميگردد.

سوالات تحقيق:

در اين تحقيق با توجه به منابع منتشر شده، اقدام به بررسي تأثير نانو موادی مانند : Nano-SiO2, Nano-Fe2O3 , Nano-Al2o3  , دی اکسید تیتانیوم(Tio2) و نانو لوله های کربنی ، مواد افزودني بخار سيليكا و مونت موريلونيت تغيير ساختار آلي داده شده بر روي مقاومت فشاري و دوام بتن شده است .

روش تحقیق:

تحقيق انجام گرفته بر مبناي مطالعات كتابخانه اي و جستجوهاي اينترنتي است. روش تحقيق نيز توصيفي- تحليلي ميباشد و بخشي از تحقيق براساس نمونه هاي آزمايشگاهي انجام گرفته است.  در مقاله با شيوه كمي و كيفي به مباحث مربوطه پرداخته شده است.

نتیجه گیری:

نتايج بدست آمده نشان داد که با افزايش درصد مقدار Nano-SiO2  ميزان مقاومت فشاري بتن افزايش مييابد ، اما با افزايش درصد مقدار Nano-Fe2O 3 و  مونت مور يلونيت تغيير ساختار آلي داده شده، ميزان مقاومت فشاري ابتدا افزايش و سپس کاهش مييابد. تأثير نانو آلومينا بر روي مقاومت فشاري كم ميباشد همچنين مقاومت فشاري ۲۸ روزه بخار سيليكا قابل توجه مي باشد.

كلمات كليدي: بتن - فن آوري نانو – مقاومت فشاري

 

1. مقدمه

امروزه از فناوري نانو به عنوان يک تکنولوژي کليدي و تاثيرگذار بر علم و صنعت ياد ميشود. بعد از دهه نودکه فناوري اطلاعات هياهوي بسياري درجهان برپا نمود ، درآغاز قرن بيست و يکم دانشمندان تمرکز خود را بر روي فناوري نويني معطوف کرده اند که به عقيده عده اي ، نه تنها قسمتي از آينده بشري ميباشد بلکه اين فناوري تمام آينده بشر را متحول خواهد ساخت.

نانو تکنولوژي داراي سابقه ي طولانی نیست.اين موضوع براي اولين بار در سال ۱۹۵۹ توسط فينمن ، متخصص کوانتوم نظري و دارنده جايزه نوبل، در سخنراني معروف خود باعنوان " آن پايين فضاي بسياري هست " مطرح گرديد و به بررسي بعد رشد نيافته علم مواد پرداخت. .حداقل يكي از ابعاد نانو مواد ( طول ، عرض ، ضخامت) می بایست زير 100 نانومتر باشد ، يك نانومتر يك هزارم ميكرون يا حدود 100000 برابر كوچكتر از موي انسان است.

 

روشهاي  توليد نانو ذرات 

1-  چگالش بخار

 2- سنتز شيميايي

 3- فرآيندهاي حالت جامد ( خردايشي )

4- استفاده از سيالات فوق بحراني به عنوان واسطه رشد نانوذرات فلزي    

5- استفاده از امواج ماكروويو و امواج مافوق صوت

6- استفاده از باكتري هايي كه مي توانند نانوذرات مغناطيسي و نقره اي توليد كنند

 

 پس از توليد نانو ذرات مي توان با توجه به نوع كاربرد آنها از روشهاي رايج  مثل روكش دهي يا اصلاح شيميايي نيز استفاده كرد.

 به طور كلي در يك تقسيم بندي عمومي ، محصولات نانو مواد را مي توان به صورت هاي زير بيان كرد:

 - فيلم هاي نانو لايه ( Nano Layer Thin Films )  براي كاربردهاي عمدتاً الكترونيكي

 - نانو پوششهاي حفاظت (Nano Coating ) براي افزايش مقاومت در برابر خوردگي ، حفاظت در مقابل عوامل مخرب محيطي

 - نانو ذرات به عنوان پيش سازنده (Precursor) يا اصلاح ساز (Modifier) پديده هاي شيميايي و فيزيكي

-  نانو لوله ها ( Nanotubes ) يك بدنه نانو ساختار (SolidNanostructured)جامدي است كه در آن انتظام اتمي ، اندازه كريستالهاي تشكيل دهنده و تركيب شيميايي در سراسر بدنه در مقياس چند نانو متري گسترده شده باشد .

 

به دليل اين که در مقياس نانو مقاومت مکانيکي و طول عمر سازه هاي بتنيمتاثر از ویژگی های ريزساختارها است  ، کاربرد نانو مواد مي تواند منجر به انقلابی در تکنولوژی بتن گردد .

ملات سيمان از ذرات کوچک ژل هاي سيليکات کلسيم و کريستالهاي بزرگ هيدراته شده به همراه تک حفره هاي با اندازه نانو و حفرات مويينه توزيع شده در ميان آنها تشکيل شده است،  بنابراين فضاهايي براي نانو ذرات وجود دارد تا خواص ملات سيمان را بهبود بخشد. محققين دريافتند که پخش یکنواخت نانوذرات در ملات سيمان، هيدراتاسيون سيمان را به واسطه فعاليت بالاي خود تسريع مي بخشد علاوه بر اين،  حفرات را پرکرده و مقاومت را افزايش می دهند.

با توجه به نو پا بودن فناوري نانو، تحقيقات اندکی در زمينه کاربردهاي آن صورت گرفته است . از معدود تحقيقات صورت گرفته در مورد کاربرد نانو مواد در مصالح سيماني و بتني، ميتوان به موارد زير اشاره کرد:

لي و همکاران ( 2004 ) به بررسي خواص مکانيکي ملات سيمان همراه با نانو مواد(Fe2O3  و SiO2 )  پرداختند

جي( ۲۰۰۵ ) رفتار و ر يزساختار بتن همراه با نانو ماده SiO2در برابر نفوذ آب را مطالعه کرد

کو و همکاران (۲۰۰۶) اثرات مونت موريلونيت تغيير ساختار آلي داده شده را بر رو ي مقاومت و نفوذپذيري ملات سيمان بررسي کردند.

لي و همکاران(۲۰۰۶) اثر نانو آلومينا را بر روي مدول الاستيسيته و مقاومت فشاري سيمان کامپوزيت مطالعه کردند.

کينگ و همکاران اثرات نانو ماده SiO2 را بر روي خواص ملات سيمان سفت شده با بخارسيليکا مقايسه نمودند.

هويي لي تحقيقاتي در مورد ملاتهاي سيماني با ذرات نانو سيليس يا نانو Fe2O3  انجام داده و ويژگي هاي فيزيكي و مكانيكي آنها را بررسي كرده است

  انستيتوي تحقيقاتي فوجي چيمرا در سال 2002 كاربرد هاي عملي نانو سيليس را مورد بررسي قرار داد . اما تا به حال، تحقيقات انجام شده بيشتر براي دستيابي به كارآيي مكانيكي بالا از طريق جايگزيني مواد سيماني با اندازه ميكرو صورت گرفته است.

لو ويانگ توانستند مقاومت فشاري  MPa   800 را در نمونه هاي تحت آزمايش بدست آورند. .

ريچارد و چيرزي بتن هايي با توان واكنش پذيري در بازة   MPa  200-800 و انرژي شكافت تا 40 KJ/m2 ساختند .

بكارگيري فناوري نانو در بتن به دو طريق انجام مي‌گيرد. 1- استفاده از نانو سيمان 2- استفاده از نانو افزودنيها (نانو اكسيد تيتانيوم ، نانو الياف ، نانو سيليس). با توجه به تأثيرافزايش نانو ذرات در بهبود خواص سيمان ،  استفاده از نانو سيمان‌ها  نيز باعث بهبود خواص بتن مي‌شود در ادامه به بررسي تأثير انواع نانو افزودنيها و نانو سنگ مواد می پردازیم.

 

1 - نانوسيليس

یکی از ترکیبات موجود در بتن سیلیکاتهای مختلفی است که در ضمن واکنش تولید می شود به همین دلیل می توان گفت سیلیس یکی از مهمترین بخشهای بتن است و اهمیت زیادی در چسبندگی ، مقاومت و کارایی بتن دارد . اکسید سیلیس با انجام واکنش های شیمیایی  هیدروکسید کلسیم آزاد شده موجود در بتن را مصرف می کند و از خاصیت قلیایی آن می کاهد و همراه آب بصورت شوره از بتن خارج می شود و از خوردگی آرماتورهای فولادی  در بتن جلوگیری می کند .

محلول نانويي سيليس (Nanosilica ) دي اكسيد سيليس (Sio2 ) است كه اندازه ذرات آن در ابعاد نانو متر است.محلول نانو سيليس متشكل از ذراتي کروی با قطر كمتر از 100 nm يا به صورت پودر يا به صورت معلق در مايع  تهیه میگردد

مطالعات نشان داده اند كه واكنش محلول نانو سيليس ( Ccolloidal silica ) با هيدرواكسيد كلسيم در مقايسه با ميكرو سيليكا بسيار سريع تر انجام گرفته و مقدار بسيار كم اين مواد همان تأثير پوزولاني مقدار بسيار بالاي ميكروسيليكا را در سنين اوليه دارا مي باشد.

 تحقيقات كاربردي انجام شده شامل كاربرد نتايج کاربرد نانو سيليس ( nano  silica ) به شكل محلول آن در گروت است. آزمايشات خواص ريولوژي فرمول گروت در مقايسه با گروت ميكروسيليكا، هيچ جدا شدگي و آب اندازي از خود نشان نداده و نيز مقاومت فشاري 28 روزه بيش از 155 Mpa را بدست مي دهد. اضافه کردن نانوذرات سیلیکا (nano sio2) به ملات سیمان باعث بهبود مقاومت فشاری و خمشی ملات نسبت به ملات معمولی گردیده است علاوه بر آن برخی نتایج دیگر عبارتند از:.

الف – بهبود خواص مکانيکي بلند مدت و دوام بتن

 هر چند کاربرد مواد افزودني مانند ميکروسيليس دوام بتن را افزايش می دهد، اگر از اين افزودني ها در ابعاد نانومتر استفاده شود منجر به افزایش چگالی و  بهبود  کیفیت نانو ساختارهای تشکیل دهنده بتن ودر نتیجه بهبود ویژگی های مکانیکی آن می شود.

افزودن نانو ذرات سیلیس  موجب کنترل تجزیه ناشی از واکنش بنیادی C-S-H ،ناشی از اثر نشت (leaching ) کلسیم در آب  و نیز جلوگیری از نفوذ آب به درون بتن می شود که هر دوی این موارد دوام بتن را افزایش می دهد.همچنين با اين مواد مي توان از واکنشهاي قليايي بين سنگدانه ها جلوگيري کرد.

ب - افزایش  مقاومت فشاري و خمشي  

مقاومت خمشی و فشاری ملات سیمان دارای  نانوذرات سیلیکا(Nano-Sio2)بیشتر از مقاومت ملات سیمان معمولی است.نانوذرات بعنوان یک ماده پرکننده حفره های بین ذرات سیمان را پر می کنند. همان گونه كه در جدول ( 1 )قابل مشاهده مي باشد تمامي نمونه هاي داراي  داراي مقاومت فشاري بيشتر از ملات سيمان معمولی ميباشند .

 

جدول (1)درصد افزايش مقاومت فشاري ملات همراه با SiO2

ج - افزايش واكنش‌پذيري سيمانهاي حاوي نانوسيليس

 علاوه بر اين ، آزمايشات electron microscope (SEM)  scanning  و باقيمانده مقدار Ca(OH)2 و سرعت تغييرات حرارتي ، نشان دهنده افزايش واكنش‌پذيري سيمانهاي حاوي نانوسيليس مي‌باشد.

د - كاهش زمان گيرش اوليه

افزودن نانوسيليس و دوده سيليس زمان گيرش اوليه راكاهش مي‌دهد. با افزودن  نانو سيليس به سيمان ، ملات سيمان متراكم‌تر شده و نفوذپذيري نسبت به سيمان معمولي كاهش مي‌يابد. گيرش اوليه نمونه‌هاي حاوي نانوسيليس ، نسبت به نمونه‌هاي حاوي دوده سيليس، سريعتر بوده و تفاوت بين زمان گيرش اوليه و گيرش نهايي نمونه‌هاي حاوي نانو سيليس نسبت به نمونه‌هاي حاوي دوده سيليس به دليل كاهش نفوذپذيري (متراكم‌ بودن ساختار نانو سيمانها) بيشتر مي‌باشد.

ه –  بهبود ریز ساختار بتن

 استفاده از نانوسيليس در سيمان ، نه تنها به علت پركنندگي منافذ باعث بهبود ساختار مي‌شود ، بلكه واكنشهاي پوزولاني را فعالتر مي‌نمايد. نتايج حاصل از آناليز كمي در طول 7 روز نشان داده كه مقدار Ca(OH)2 براي سيمانهاي حاوي 10% نانو سيليس 16/4% و براي سيمانهاي حاوي 10% دوده سيليس نيز بعلت افزايش واكنشهاي پوزولاني و ايجاد سيليكات كلسيم هيدراته شده و پر شدن منافذ سيمان افزايش مي‌يابد.در شكل هاي 1-4 تفاوت ريز ساختار بتن ساده و بتن همراه با نانو ذره SiO2  بعد از 28 و 180 روز ديده مي شود.

                                                                                                                                                                 

شکل (1) : ریزساختار بتن ساده بعد از 28 روز               شکل (2) : ریزساختار بتن همراه با نانو ذره sio2  بعد از 28 روز

               

                                         شکل (4) : ریزساختار بتن همراه با نانو ذره sio2  بعد از 180روز                                                                  

 

و- كاهش انرژي مصرفي و محافظت از محيط زيست

اضافه کردن نانوذرات سيليس در  بتن، موجب عايق شدن بتن و صرفه جويي در ميزان مصرف انرژي مي شود ،که کاهش توليد گاز CO   در هوا را به دنبال دارد، به تبع آن از انتشار گازهاي گلخانه اي جلوگيري ميشود و محيط زيست از آلودگيهاي اين گازها محافظت ميشود.

2 - نانو آلومينا nano-Al2O3) )

الف - افزایش مدول الاستيسيته

 استفاده از نانو آلومينا در سيمان ، با مقدار مناسب (5%) ، باعث افزايش مدول الاستيسيته مي‌شود. براي مثال ، مدول الاستيسيته سيماني حاوي 5% نانو الومينا ، 143% افزايش مي‌يابد، در صورتي كه در سيمانهاي حاوي ميكرو سيليس اين مقدار معادل 15% مي‌باشد. تغييرات مدول الاستيسيته سيمانهاي حاوي نانو آلومينا ، بستگي به دانسيته و تعداد منافذ و تخلخل موجود در ملات سيمان دارد.

ب – اثر بر مقاومت فشاري

تأثيرمقدار نانو آلومينا بر روي مقاومت فشاري كم مي باشد. مقاومت فشاري ملات همراه با ۳ ,۵ و ۷ درصد نانو آلومينا در روز هفتم به مقدار كمي بيشتر از ملات ساده مي باشد. همچنين مقاومت فشاري ۲۸ روزه ملات  داراي ۳و ۵ درصد نانو آلومينا كمتر از ملاط ساده مي باشد و ملاط حاوي ۷ درصد نانو آلومينا به مقدار كمي افزايش مقاومت فشاري نشان ميدهد.

سيمان‌هاي حاوي سی در صد نانو آلومينا نسبت به سيمان پرتلند معمولي حفرات كمتري دارند.و مقاومت فشاري آن ها افزایش می یابد. براي مثال نتايج نشان دادهاست که  مقاومت فشاري 7 روزه سيمانهاي حاوي سی درصد  نانو آلومينا نسبت به سيمان پرتلند معمولي بيشتر است.

 

جدول (2)  درصد افزايش مقاوت فشاري ملات همراه با نانو آلومينا

 

ملات سيمان را مي توان بصورت يك تركيب سه فازي فرض نمود . خمير سيمان، مصالح دانه اي و منطقه انتقالي مياني . بعد از تركيب اين مواد، مصالح دانه اي بوسيله آب و سيمان احاطه ميشوند. به دليل نسبت بالاي آب به سيمان و فضاي محدود، كريستال هاي بزرگ هيدراته شده اطراف دانه ها، شروع به رشد مي كنند و يك شبكه ساختماني نرم را در اطراف آنها بوجود مي آورند. بنابراين منطقه مياني انتقالي داراي حفرات بيشتري نسبت به ملات سيمان مي باشد. زماني كه اين منطقه داراي حفرات زياد باشد كريستال ها در اين ناحيه به راحتي دچار شكستگي و ترك مي شوند.  دليل عدم تأثير زياد نانو آلومينا بر روي مقاومت فشاري را ميتوان عدم واكنش مناسب نانو آلومينا و پر كردن حفرات ملات سيمان ذكر نمود.

 

3 - نانو ذرات Fe2O3

الف – اثر بر مقاومت فشاري بتن

سيمانهاي حاوي كمتر از  ده درصد  nano-Fe2O3 از لحاظ مقاومتي مناسبتر مي‌باشند. وقتي مقدار nano-Fe2O3 مصرفي در سيمان ، افزايش مي‌يابد ، نانو آهن به خوبي در مخلوط سيمان پراكنده نمي‌شود و از تجمع آنها مناطق ضعيفي در مخلوط سيمان تشكيل مي‌شود و به همين دليل مقاومت فشاري با افزايش nano-Fe2O3 بيش از مقدار بهينه ،کاهش می یابد.

همان گونه كه در جدول (3 ) ديده مي شود، مقاومت فشاري تمام نمونه ها در هفتمين و بيست و هشتمين روز بيشتر از ملات سيمان ساده با نسبت آب به سيمان يكسان مي باشند. با توجه به نتايج مربوط به مقاومت فشاري در بيست و هشتمين روز، با كاهش نسبت نانو ذره  Fe2O3   مقاومت فشاري افزايش مي يابد.

 

 جدول (3) درصد افزايش مقاومت فشاري ملات همراه با Fe2O3

 

4 – نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم(Tio2)

الف - كاهش نفوذپذيري و افزایش دوام بتن

با استفاده از مواد نانو تيتانيم ميزان نفوذپذيري بتن كاهش يافته و در نتيجه بر ميزان دوام و پايايي بتن افزوده مي شود. بدين جهت براي جلوگيري از نفوذپذيري يون كلر در بتن و اثر مخرب خوردگي آرماتورها و در نتيجه افزايش عمر مفيد ساختمان استفاده از مواد نانو تيتانيم در بتن توصيه ميگردد.

ب - بهبود ویژگی های بتن در نمای ساختمان ها به عنوان پوشش بازتاب کننده

Tio2  یک رنگدانه سفید است که می توان آن را به عنوان یک روکش بازتاب کننده مطلوب استفاده نمود . چنانچه از Tio2 در سطوح بیرونی سازه ها استفاده شود، قادر است غلظت آلاینده های موجود در هوا را کاهش دهد. Tio2 ماده ای آب دوست است و  موجب ایجاد خاصیت خود تمیز کنندگی در سطح می گردد. این بتن دارای رنگ سفید و درخشندگی خاصی است که سفیدی و درخشندگی خود را به طور موثری حفظ می کند، این در حالی است که سازه های ساخته شده با بتن معمولی فاقد چنین ویژگی هستند. Tio2 از طریق واکنش های فوتو کاتالیستی قوی قادر به شکستن و تجزیه آلاینده های آلی، ترکیبات آلی فرار و غشاهای باکتریایی است و به همین دلیل برای ایجاد خاصیت ضد عفونی کنندگی به رنگ ها، سیمان ها و شیشه ها اضافه می گردد.

 

5 - نانو لوله های کربنی (CNT)

نانو لوله کربنی توسط  LIJIMA در سال 1991 کشف شد . مطالعات بسیاري بر روي ساختار نانو در بخش فیزیک کوانتوم انجام یافته .است. کربن 60 و نانو لوله هاي نوین داراي ساختاري هستند که آنها را از فولاد قوي تر وبسیار سبک می کند بطوریکه می توانند خمش و کشش را بدون شکستن تحمل نمایند و در آینده جایگزین الیاف کربن مصرفی در کامپوزیت ها می شوند .

نانو لوله ها با توجه به تحقیقات انجام شده در مرکز تحقیقات بتن (وابسته به موسسه ACI شاخه ایران ) , داراي مقاومت کششی بیش از هر نوع الیاف بتنی شناخته شده می باشند و نیز خواص ویژه قابل ملاحظه حرارتی و الکتریکی از خود نشان می دهند ، بطوریکه هدایت حرارت آنها بیش از دو برابر الماس و هدایت الکتریکی آنها در حدود 1000 برابر فلز مس می باشد. نانو لوله ها طبقه جدیدي از محصولات می باشند که انقلابی جدید در زمینه مصالح و مواد پیشرفته را بوجود آورده اند. یک نسل جدید از نانو کامپوزیت هاي چند منظوره می توانند به عنوان نانو لوله هاي کربنی در نقش الیاف مسلح کننده مناسب آن مواد مورد استفاده قرار گیرند.

نانولوله ها ی کربنی به صورت های تک جداره ویاچند جداره مورد استفاده قرار می گیرند.چگالی آن ها یک ششم چگالی فولاد است، مدول یانگ آنهاپنج برابر واستحکام آنها هشت برابر فولاد است .در صورت افزودن مقادیر کم (در حدود یک در صد وزنی) از نانو لوله های کربنی به خمیر سیمان پرتلند، خواص مکانیکی نمونه ها به طور قابل توجهی بهبود می یابد.

در مورد افزودن نانو لوله ها به هر ماده ای دو مشکل عمده وجود دارد: یکی ایجاد اتصال میان نانو لوله ها با همدیگر و دیگری فقدان چسبندگی مناسب میان نانو لوله و شبکه ماده زمینه است که ناشی از بر هم کنش های میان صفحات گرافیتی نانو لوله هاست. این خاصیت، آنها را به سمت جمع شدن کنار یکدیگر به صورت دسته ها یا طناب هایی سوق می دهد و گاهی اوقات امکان دارد این طناب ها در یکدیگر در گیر شوند.

برای دستیابی به پراکندگی یکنواخت نانو لوله ها درون شبکه ماده زمینه، باید نانو لوله ها را از یکدیگر جدا نمود، علاوه بر این به دلیل طبیعت گرافیتی نانو لوله ها و وجود خاصیت لغزندگی در آنها،امکان ایجاد چسبندگی مناسب میان نانو لوله و شبکه وجود ندارد.در صورت استفاده از برخی افزودنیها به منظور از پیش پراکنده سازی نانو لوله ها، مخصوصاَ در صورت کاربرد نانو لوله های تک جداره ((SWNT)) ویژگی های مکانیکی بتن به طور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد. برای تعیین مقادیر بهینه نانو لوله های مورد مصرف و نیز شاخص های مؤثر در پراکنده سازی نانو لوله ها در مخلوط، به تحقیقات بیشتری نیاز است.

 

الف- بهبود ویژگی های مکانیکی بتن

نانو لوله های تک جداره(MWNT) اکسید شده بالاترین میزان افزایش را هم در مقاومت فشاری (25 نیوتن بر متر مربع) و هم در مقاومت خمشی( 8 نیوتن بر متر مربع) نشان میدهند.به طور تئوری اثبات شده است که وجود مقدار زیادی نقایص ساختاری بر روی سطح نانو لوله های چند جداره اکسید شده می تواند به ایجاد اتصال بهتر میان نانو ساختارها و ملات و بهبود خواص مکانیکی کامپوزیت بینجامد.

ب – افزایش مقاومت کششي و فشاري بتن

افزودن مقداري نانولوله کربني در سيمان، موجب افزایش مقاومت کششي و فشاري بتن ميشود. همچنين افزودن نانولوله کربني سبب افزايش مقاومت در برابر حملات شيميايي می گردد، که اين خود دوام و پايداري بتن را به دنبال خواهد داشت.

ج - افزايش مقاومت بتن در برابر ايجاد ترك

 افزودن مقداري نانولوله هاي کربني به بتن موجب  افزایش مقاومت بتن در برابر ترکخوردگی مي شود که مکانيسم آن مشابه کاهگل است که پيوند مستحکم بتن و نانولوله کربني علت اصلي آن است

 هزینه بالای افزودن نانولوله های کربنی به بتن،توجه به مزایای آن را تحت الشعاع قرار داده است؛ لذا فعالیت هایی در جهت کاهش قیمت نانو لوله ها در حال انجام است که در این صورت مزایای حاصل از افزودن آنها به مواد سیمان بیشتر مورد توجه قرار خواهد گرفت.

د -  تولید بتن مسلح بدون میلگرد با استفاده از نانو لوله های کربنی(بتن (C.N.P

بتنC.N.P  ((carbon nano pipe  محصولی است که با استفاده از تکنولوژی نانو، مسلح میگردد . نانو لوله های مورد استفاده مقاومت فشاری مشخصه بتن را تا 4برابر افزایش میدهد .این نانو لوله های کربنی تا 80 برابر فولاد مقاومت کششی تحمل مینماید . با توجه به عدم مصرف میلگرد در این نوع بتن هزینه ساخت و دستمزد تهیه، حمل ، پمپاژ و ریختن بتن در سازه های بتنی حداقل 30درصد کاهش میابد و بدلیل کاهش چشمگیر حجم بتن ریزی و قالب بندی زمان اجرا تا 4 برابر کوتاهتر خواهد شد.در این روش مقاومت فشاری و کششی بتن تا اندازه ای افزایش میابد که امکان طراحی و ساخت سازه هایی با دهانه های بلند و ابعاد مقطع مینیاتوری فراهم میشود .وزن و حجم بسیار اندک، امکان ساخت ، حمل و نصب سازه های بتنی پیش ساخته با هزینه کم و زمان کوتاه را فراهم میسازد .با این روش ایده کسترش تمدن در فضا و دیگر سیارات از طریق ساخت ساختمان هایی که سازه آن بر روی کره زمین و با وزن و حجم بسیار اندک تهیه شده اند فراهم میشود.

نانو بتنCNP نسبت به بتن های معمولی  با 4 برابر افزایش مقاومت فشاری و حداقل 45 برابرافزایش مقاومت کششی نوعی انقلاب در کلیه صنایع مرتبط با عمران را فراهم میسازد .

 

6 - بخار سيليكا (SF)  

بخار سيليكا داراي فعاليت پوزولاني بالا مي باشد كه براي افزايش مقاومت فشاري بتن مورد استفاده قرار ميگيرد. همچنين بخار سيليكا ساختار فيزيكي ملات را بهبود بخشيده و محيط مناسبي براي هيدراتاسيون فراهم مينماید و بتن با دوام و مقاوم ساخته ميشود اما اگر به مقدار زياد افزوده شود بتن را ترد و شكننده ميكند.

جدول ( 4) مقادير متفاوت مقاومت فشاري را تحت تأثير بخار سيليكا نشان ميدهد . با افزايش بخار سيليكا مقاومت فشاري ۷ روزه نمونه ها به مقدار كمي افزايش پيدا كرده است اما افزايش مقاومت فشاري ۲۸ روزه قابل توجه ميباشد. در مجموع با افزايش بخار سيليكا مقاومت فشاري افزايش پيدا ميكند.

 

جدول (4) درصد افزايش مقاومت فشاري ملات همراه با بخار سيليكا

 

7 -  مونت موريلونيت تغيير ساختار آلي داده شده (OMMT)   :

مقادير تغيير مقاومت فشاري با افزايش مونت موريلونيت تغيير ساختار آلي داده شده (OMMT)   در جدول (5) ارائه شده است . مقاومت فشاري ۷ و ۲۸ روزه ملات سيمان با افزايش مقدار (OMMT) ابتدا افزايش و سپس به مقدار قابل توجهي كاهش پيدا مي كند.  حداكثر مقدار مقاومت فشاري در افزايش كمتر از يك درصدOMMT اتفاق ميافتد.

براي مقادير كم OMMT ذرات ريز OMMT مي توانند در اطراف حفره هاي موئينه پخش شوند و حفرات با اندازه متوسط  به مقدار زيادي كاهش می یابد.

 

جدول (5) درصد افزايش مقاومت فشاري ملات همراه با OMMT

 

تحقيقات انجام شده نشان داده است كه استفاده از نانو مونت موريلونيت اصلاح شده با مواد آلي در سيمان باعث مي‌شود تا نفوذپذيري ملات سيمان تا 100 مرتبه كاهش يابد و مقاومت فشاري 40% و مقاومت خمشي تا 15% افزايش يابد.

به منظور درک بهتر تاثیر نانو ذرات مقایسه ای بین تعدادی از نمونه های ذکر شده می پردازیم .

مقايسه ونتیجه گیری :

 مقايسه اثر نانو مواد  در شكل های ( 5)  و (6) ارائه گرديده است . در شكل(5) مقاومت فشاري ۷ روزه و در شكل (6)

 

 

  

شكل (6) مقايسه درصد افزايش مقاومت فشاري 28                      شكل(5 مقايسه درصد افزايش مقاومت فشاري 7 روزه)

  

همان گونه كه مشخص است درصد افزايش  مقاومت فشاري ۷ روزه نانوآلومينا بيشتر از ديگر مواد و مقاومت فشاري ۲۸ روزه آن كمتر از ملات سيمان ساده مي باشد.  همچنين حداكثر افزايش مقاومت فشاري ۲۸ روزه نانوFe2o3   و نانو Sio2 برابر مي باشد. حداكثر درصد افزايش مقاومت فشاري ۲۸ روزه مونت موريلونيت تغيير ساختار آلي داده شده OMMT  بيشتر از نانوآلومينا و كمتر از نانو Fe2o3 و نانو Sio2 ميباشد. با توجه به اهميت طول عمر بتن در اين تحقيق، درصد بهينه افزايش نانو مواد مقاومت فشاري ۲۸ روزه ملات سيمان ارائه شده است.بر اساس مقاومت فشاري ۲۸ روزه تعيين گرديد. بر اين اساس بهترين مقدار نانو Fe2o3  حدود ۴ درصد و نانو Sio2  حدود ۱۰ درصد وزني سيمان تعيين ميگردد. همچنين بهترين مقدار مونت موريلونيت تغيير ساختار آلي داده شده حدود 25/0 و بخار سيليكا حدود ۵ درصد وزني سيمان تعيين ميگردد.

تمامي نانو مواد به جز نانوآلومينا توانايي افزايش مقاومت فشاري و در نتيجه افزايش طول عمر ملات سيمان را دارا مي باشند.

ويژگي اصلي نانو مواد ايجاد تركيباتي مي باشد كه باعث پر شدن حفرات بوجود آمده در فرآيند هيدراتاسيون مي باشد. در نتيجه هر نانو ماده اي كه داراي اين ويژگي باشد براي استفاده به منظور افزايش مقاومت فشاري و طول عمر مناسب  است.

مقاومت فشاري ملات سيمان با افزودن نانو Sio2 افزايش مي يابد اما اگر مقدار مصرف از حدود ۱۰ درصد تجاوز نمايد نمي توان به رابطه مستقيم افزايش مقاومت فشاري و افزايش طول عمر اعتماد نمود. به همين دليل در نمونه ها حداكثر ۱۰ درصد افزايش نانو مواد وجود دارد. با توجه به موارد ذكر شده نانو Fe2o3  ونانو Sio2 براي افزايش مقاومت فشاري داراي برتري نسبي در برابر ديگر مواد ميباشند.

تاثير نانو ذرات بر مقاومت خمشي و فشاري ساروج سيمان، اضافه كردن نانوذرات سيليكا ونانو ذرات آهن و آلومينيوم به ملات سيمان باعث بهبود مقاومت فشاري و خمشي ملات نسبت به ملات معمولي گرديده است. با به كارگيري اين نوع مصالح در ساختمان ها ميتوان بر يكپارچگي و مقاومت آن ها افزود.

 

منابع و مراجع

۱- دفتر همکاري هاي فناوري رياست جمهوري. ۱۳۸۰ ( " نانو تکنولوژي، انقلاب صنعتي آينده"، تهران. ايران)

2- Aiu, M. (2006). “The chemistry and physics of nano-cement”, NSF-REU, University of Delaware.

3- Ji, T.(2005). “Preliminary study on the water permeability and microstructure of concrete incorporating nano- Sio2”, Cement and Concrete Research, 35:1943-1947.

4-Jo, B. W., C. H., Kim, G. H Tae and J. B., Park. (2007). “Characteristics of cement mortar with nano- Sio2 particles” , Construction and Building Materials, 21:1351-1355.

5- Li, S., D. M. Roy and A. Kumar. (1985). “Quantitative determination of pozzolans inhydrated systems of cement or Ca(OH)2 with fly ash or silica fume”, Cement and Concrete Research, 15: 1079-1085.

6- Li, H., H. G., Xiao, Y. Jie and J. Ou. (2004). “Microstructure of cement mortar with nanoparticles”,Composites: Part B, 35:185-189.

7- Li, H., H. G. Xiao and J. P., Ou. (2004). “A study on mechanical and pressure-sensitive properties of cement mortar with nanophase materials”, Cement and Concrete Research, 34:435-438.

8- Li, Z., H., Wang, S., He, Y. Lu and M., Wang. (2006). “Investigation on the preparation and mechanical properties of the nano-Alumina reinforced cement composite”, Materials Letters, 60:356-359.

9- Kuo, W. Y., J. S. Huang and C. H., Lin. (2006). “Effects of organo-modified montmorillonte on strengths and permeability of cement mortars”, Cement and Concrete Research, 36:886-895.

10-Qing, Y., Z., Zenan, K. Deyu and C., Rongshen. (2007). “Influence of nano- Sio2 addition on properties of hardened cement paste as compared with silica fume”, Construction and Building Materials, 21:539-545.

11- Li Hui, Xiao Hui-gang, Yuan Jie, Ou Jinping."Microstructure of Cement mortar with Nano-particles".Composites Part B: Engineering, 35(March), (2003).

12-  Lu P, Young JF. Hot pressed DSP cement paste, Material Research Society Symposium Proceedings, 245, (1992).

13- Richard P, Cheyrezy M. Reactive powder concretes with high ductility and 200- 800 MPa compressive strength,San Francisco: ACI Spring Convention, SP 144–24,(1994).

 

Effects of nanoparticles on the properties of concrete

1. Esmail Zadeh 2 ، M.A. Dashti 1
2. Phd candadite of Civil Engineering, The ferdosi University of mashhad and lecturer of Ialamic Azad University of yazd, I.R. Iran. 
3. MSc, Department of Civil Engineering ,Ialamic Azad University of yazd, yazd , I.R.: Iran.

 

Abstract

Nowadays, various technologies are used to create greater comfort and savings in costs, especially in energy consumption can be taken advantage of many .

 in the present century, the nano-material technology is developing with a dazzling speed and in the future maybe used in many materials.

Concering the very low weight of the materials added to the composition of nano-material  concrete, can be said that the increasing the compressive strength lead to increasing longianity of concreat .

Research questions

In this study, according to published sources, the action effect of nano-materials such as: Nano-SiO2, Nano-Fe2O3, Nano-Al2o3, titanium dioxide (Tio2) and carbon nanotubes, silica and steam additives Monte montmorillonite change organic structure on a given concrete compressive strength.

گوش کردن

خواندن با قواعد آوایی

دیکشنری - مشاهده فرهنگ لغت با جزئیات

Research Method:
Studies based on library research and internet searches. The method of research is analytical - descriptive, and some part of the study based on laboratory samples .

The related topic has been treated according to qualitative and quantitative methods .

Conclusion:
The results showed that with increasing amounts of Nano-SiO2 compressive strength of concrete  increases, but with increasing amount of Nano-Fe2O 3 and Monte MooreYlvnyt organic structure has been changed, at first the rate of compressive strength increased but then decreases. Effect of nano-alumina on low compressive strength is also 28-day compressive strength of silica vapor is significant

Key words

 Concrete - nano technology - com