مروری بر کاربرد نانو تکنولوژی در بتن

 مروری بر کاربرد نانو تکنولوژی در بتن

 مرتضی حسینعلی بیگی، جواد برنجیان، امید لطفی عمران، ایمان محمدپور نیک بین ،  مصطفی احمد وند

 1،2- استادیار دانشکده مهندسی عمران، دانشگاه صنعتی بابل

3،5- دانشجوی کارشناسی ارشد سازه، دانشگاه صنعتی بابل

4- عضو هیات علمی دانشگاه آزاد واحد رشت

5- رئیس مرکز تحقیقات بتن ایران شاخه ACI

 

چکیده

امروزه کاربرد ها و پیشرفت های نانو تکنولوژی در زمینه مصالح ساختمانی موجب تحولات شگرفی در صنعت گردیده است. اکثر پیشرفت ها در زمینه مصالح سیمانی بوده است. نانو ذرات که نتیجه ای از فناوری نانو اند، توانسته اند با کاربرد در ساخت مصالح سیمانی ساختار آنها را تحت ﺗﺄثیر قرار داده و بهبود بخشند. با وجود تحقیقات زیادی كه در زمینه نانو تکنولوژی در علوم مختلف صورت گرفته ﻣﺘﺄسفانه جایگاه این تکنولوژی در صنعت بتن توسط طراحان و مجریان سازه ای به درستی درک نشده است.لذا هدف این مقاله این است تا با ارائه دیدگاهی مثبت و بیان جنبه های مختلف عملکرد نانو تکنولوژی در بتن اهمیت این تکنولوژی را در صنعت ساخت نشان دهد تاامکان ساخت سازه های مقاوم و با دوام قابل ملاحظه در آینده فراهم گردد.  

سوالات تحقیق:

در این تحقیق، اثر نانو سیلیس بر خصوصیات مکانیکی و دوام بتن مورد بررسی قرار گرفته است.

روش تحقیق:

در این مقاله با بکارگیری درصدهای مختلف نانو در بتن، خصوصيات ودوام بتن های حاوی نانو مورد بررسی قرار گرفت.

نتیجه گیری:

 ذرات نانو به عنوان يک ماده پر کننده مقاومت بتن را افزايش مي دهد. با بکار گیری ذرات نانو در بتن می توان به بتنی با نفوذ پذیری کم دست یافت که در سازه هایی که نشت آب در آنهااهميت دارد مانند مخازن آب شرب ضروری به نظر می رسد.

کلمات کلیدی: بتن، نانو ذرات، خصوصیات مکانیکی

 

1.  مقدمه

از زمان معرفي نانوتكنولوژي توسط (Nobel laureate Richard) در سال1959به بعد پيشرفت‌هاي زيادي در علوم مختلف به وجود آمده که منجر به دستكاري مواد در مقياس بسيار كوچك در حد نانو شده است. نانوتكنولوژي به معناي درك، كنترل وبازسازي ساختار مواد در ابعاد نانو به منظور ايجاد مواد جديد با خصوصيات و كاربردهاي كاملاً جديد است.

تا کنون نانوتكنولوژي مولكولي در زمينه مواد و توليد قطعات الكترونيكي، دارو، بيوتكنولوژي- و ... پيشرفت درخشاني داشته است. تا به امروز كاربردها و پيشرفت‌هاي نانوتكنولوژي در زمينه ساختمان و مصالح ساختماني نیز پيشرفت چشمگيري داشته است. اكثر پيشرفت‌ها در مصالح سيماني (چسبنده) بوده كه به دليل اطلاعات و درك بالا از خصوصيات بنيادين در خمير سيمان در مقياس نانو است. مطالعات اخير به منظور بررسي رفتار و اندازه‌گيري‌ها در مقياس نانو اطلاعات بي‌سابقه و جديدي را در مورد بتن به ما مي‌دهد كه برخي از آنها باورهاي رايج سابق را زير سوال مي‌برد.

 

2.   نانوتكنولوژي و  تکنولوژی بتن

بتن رايج‌ترين مصالح ساختماني است كه به عنوان يك ماده نانوساختار چند فازي در دنياست. خمیر سیمان از يك فاز كريستالي بي‌شكل در ابعاد نانومتر و ميكرومتر تشكيل شده است. خصوصيات بتن و مكانيزم‌هاي تخريب آن در مقياس چندگانه‌اي از طول وجود دارد (نانو- ميكرو- ماكرو) كه خصوصيات هر مقياس ازخصوصيات مقياس يك درجه پايين‌تر (كوچكتر) از آن نشأت مي‌گيرد. فاز بي‌شكل (C-S-H) چسبي است كه بتن را به هم نگه مي‌دارد و خودش يك نانوماده است. از یک ديدگاه بتن در مقياس نانو، تركيبي است از اجتماعات مولكولي و پيوستگي شيميايي كه از طريق واكنش‌هاي شيميايي موضعي نيروهاي بين مولكولي و انتشار ميان فازي در فعل و انفعالات شيميايي شركت مي‌كند. ويژگي‌هايي كه معرف اين مقياس شامل ساختار مولكولي، گروه‌هاي عملکرد سطحي، طول پيوند، انرژي و دانسيته (چگالي) می باشد. ساختار فازهاي بي‌شكل و كريستالي و نيز ساختار مرزهاي بين فازي از اين مقياس نشأت مي‌گيرد. خصوصيات و فرآيندها در مقياس نانو تعيين‌كننده واكنش‌هايي هستند كه بين ذرات و فازها در مقياس ميكرو و تأثير بار های وارده و محيط اطراف در مقياس ماكرو مي‌باشند. فرآيندهايي كه در مقياس نانو اتفاق مي‌افتد نهايتاً خواص مهندسي و اجرايي کل ماده را تحت تأثير قرار مي‌دهد.

 

       3.    کاربرد نانو تكنولوژي در بتن

علم نانو در رابطه با اندازه‌گيري و توصيف رفتار مصالح بر پايه بتن با ساختارهايي در مقياس نانو و ميكرو است كه به منظور درك تأثيرات اين ساختار بر روي خواص و عملكرد در مقياس ميكرو از طريق استفاده از روش‌هاي توصيف ويژگي پيشرفته و مدل‌هاي مولكولي و اتمي است. مهندسي نانو، دربرگيرنده تكنيك‌هاي دستكاري ساختار در مقياس نانومتر به منظور پيشرفت نسلي نويني از كامپوزيت‌هاي مناسب، چندمنظوره و سيماني با نحوه عملكرد مكانيكي برتر و پتانسيل ماندگاري و دوام بيشتر و همچنين داشتن خواص جديد از قبيل مقاومت الكتريكي پايين، قابليت شكل‌پذيري بالاو كنترل خودكار ترك‌ها است. همچنين اين كار با پيوند زدن مولكولي به اجزاي سيمان، فازهاي سيماني سنگدانه‌ها و مواد افزودني به منظور ارتقاء عملكرد سطح كه مي‌تواند به گونه‌اي باشد كه فعل و انفعالات بين وجوه را ارتقاء بخشد ميسر است.

طبق تعريف، نانو ذره به ذره‌اي اطلاق مي‌شود كه حداقل يكي از ابعاد آن‌ها كمتر (100 نانومتر) باشد. با توجه به ريز ساختار سيمان هيدراته شده و وجود حفراتي در ابعاد نانو در آن استفاده از نانو ذرات مي‌تواند در پر كردن تخلخل‌هاي بسيار ريز خمير سيمان و افزايش مقاومت و بخصوص دوام بتن موثر باشد. از اين رو استفاده از نانوسيليس به عنوان يكي از محصولات فناوري نانو كه مي‌تواند نقش يك پوزولان مصنوعي بسيار فعال را در بتن ايفا نمايد مورد توجه محققان قرار گرفته است. در اين حال پيشرفت‌هاي اخير در زمينه تكنولوژي مصالح ساختماني، امكان استفاده از نانوسيليس كلوئيدي را فراهم آورده است. تحقیقات زیادی به بررسی خواص مکانیکی و دوام بتن های حاوی ذرات نانو پرداخته اند که به طور عمده شامل مقایسه عملکرد نانو ذرات نظیر نانوسیلیس در مقابل پوزولانهای مختلفی نظیر خاکستربادی و دوده سیلیس می باشد. نانوسیلیس که یکی از پر کاربرد ترین نا نو ذرات در بتن می باشد ماده ای پوزولاني جديد به شكل جامد يا محلول در آب می باشد كه به آن به علت اندازه بسيار ريز ذرات آن (1 تا 50 نانومتر) سيليس اَبَر ريز بي‌شكل كلوئيدي نيز مي‌گويند كه عملكرد بهتري نسبت به دوده سيليس به علت كوچكتر بودن ابعاد آن دارد.

 

4.   نحوه واکنش نانو ذرات در خمير سيمان

Qing  و همکارانش اثر افزايش نانو ذرات سيليسی بر روي خواص خمير سيمان سخت شده در مقايسه با دوده سيليس رامورد بررسی قرار دادند. همانگونه که می دانیم دوده سيليس فعاليت پوزولاني بالايي دارد و معمولا به عنوان بهترين ماده پوزولاني براي بتن تا به امروز مطرح بوده است. از سویی با رسيدن اندازه ذرات به مقياس نانو نظير نانو سيليس، سطح ويژه ذرات افزايش يافته و تعداد اتم ها در سطح به سرعت افزايش مي يابد. وجود اتم ها در سطح با اين ابعاد، پيوندهاي آزاد و اشباع نشده با نيروي ظرفيتي باقيمانده زيادي را به وجود مي آورد که ناپايدار است.از سوي ديگر با کاهش اندازه دانه درجات نا همواري اتمي زيادي به وجود مي آيند که واکنش شيميايي را تشديد مي کنند. به همين دليل نانو ذراتي نظير نانو سيليس انرژي سطحي بالاتري دارند و فعاليت اتم ها در سطح خيلي بيشتر است که به راحتي با ساير اتم هاي ديگر بيروني واکنش مي دهند، در نتيجه فعاليت پوزولاني نانو سيليس خيلي بيشتر از دوده سيليس است. اين امر با توجه به سطح ويژه نانو سيليس (160 متر مربع بر گرم) که خيلي بيشتر از دوده سيليس (21 متر مربع بر گرم) است منطقي به نظر مي رسد. در تصاوير شکل(1) مي توان واکنش پذيري خمير سيمان معمولي، حاوي ميکروسيليس و خمير سيمان داراي نانو سيليس را با هيدروکسيد کلسيم حاصل از هيدراتاسيون ملاحظه کرد. همانطور که مشخص است در بتن معمولي کريستال هاي هيدروکسيد کلسيم با ابعاد بزرگتر و لبه هايي صاف حضور دارند، اين کريستال ها در نمونه حاوي ميکروسيليس با ابعادي کوچکتر و لبه هايي صاف حضور دارند اما در نمونه حاوي نانو سيليس کاهش ابعاد نمونه ها بسيار قابل توجه بوده و لبه هاي ناصاف و خورده شده آن ها حکايت از ادامه واکنششان دارد که نشانه واکنش پذيري بالاي نانو سيليس در مقايسه با ميکرو سيليس دارد.

 

شکل(1)-تصاوير SEM از کريستال هاي  Ca(OH)₂ در ناحيه سنگدانه و خمير سيمان در سن 28 روز a) بدون ميکرو و نانو سيليس b) با 3 درصد نانو سيليس c) با 3 درصد ميکرو سيليس

 

فرمول هاي واکنش بين SiO₂ و Ca(OH)₂  در خمير سيمان حاوي نانو سيليس (NS) و دوده سيليس (FS) نشان مي دهندکه واکنش مرحله اول SF کند تر از واکنش مرحله اول NS است. بنابر اين NS مي تواند فرآيند گيرش و هيدراتاسيون را تسريع کند . همچنین اثرات سطحي ذرات نانوساختاري باعث برتري NS نسبت به SF در خمير سيمان مي شوند. به همين علت NS مي تواند مکان رشد بيشتري براي محصولات هيدراتاسيون نسبت به SF در سنين اوليه فراهم آورد و همچنين فعاليت پوزولاني بالاتري دارد. بنابراين وجود NS مي تواند استحکام فشاري خمير سخت شده سيمان و استحکام پيوندي سنگدانه- خمير را افزايش داده و ساختار اندرکنش را به طور موثرتري نسبت به SF بهبود بخشد.

 

5.   تاثیر نانو ذرات در مقاومت فشاري و خمشي بتن

تحقیقات نشان داده است که استفاده از نانو ذرات مانند نانو سيليس در بتن باعث افزايش مقاومت فشاري آن مي شود. در برخي تحقيقات انجام شده از نانو سیليس به همراه دوده سيليس و يا خاکستر بادي استفاده شده است. نتايج تحقيقات نشان مي دهد که در بتن هاي حاوي خاکستر بادي و نانو سيليس مقاومت بيش از بتن هاي حاوي خاکستر بادي و يا بتن هاي معمولي خواهد بود. نمودار شکل(2) روند کسب مقاومت در سه نوع بتن عادي با عيار سیمان یکسان، الف) بتن معمولی(PCC) ب) بتن حاوي خاکستر بادي(HFAC) و بتن حاوي خاکستر بادي و نانو سيليس (SHFAC) را که  طي آزمايشات Li به دست امده است را نمايش مي دهد. همانگونه که در شکل پیداست ، مقاومت نهايي SHFAC که حاوي نانو سيليس است، بيش از دو نوع ديگر است. از طرفي روند کسب مقاومت در بتن حاوي نانو سيليس بسيار سريع تر از بتن حاوي خاکستر بادي تنهاست. مقاومت فشاري نمونه حاوي 4% نانو سيليس و 50% خاکستر بادي 81 درصد بيش از نمونه حاوي تنها 50% درصد خاکستر بادي تنهاست. از سوي ديگر مقاومت نمونه هاي حاوي 4% نانو سيليس و 50% خاکستر بادي تنها در 56 روز اول کمتر از بتن معمولي است، بنابراين مي توان گفت که استفاده از نانو سيليس در بتن، نه تنها مقاومت فشاري ان را افزايش مي دهد، بلکه روند افزايش مقاومت در بتن هاي حاوي خاکستر بادي را نيز افزايش ميدهد.

 

شکل(2)- روند کسب مقاومت فشاري در طي زمان براي بتن عادي (PCC)، حاوي خاکستر بادي (HFAC) و حاوي خاکستر بادي و نانو سيليس (SHFAC)

 

در تحقيقي در کشور کره ويژگي هاي ملات سيمان حاوي نانو ذرات سيليس مورد بررسي و آزمايش قرار گرفته است. سيليکاي غير کريستاله يا شيشه اي که جزء اصلي يک پوزولان است با هيدروکسيد کلسيم حاصل از هيدراتاسيون واکنش مي دهد. شدت واکنش پوزولاني با ميزان مساحت سطح قابل دسترسي براي واکنش متناسب است. بنا بر اين افزايش ذرات نانو سيليس براي ساختن بتن با کارايي بالا قابل قبول است. نتايج آزمايشگاهي در این تحقیق نشان مي دهند که مقاومت هاي فشاري همه ملات ها با ذرات نانو سيليس بالاتر از ملات هايي بود که حاوي دوده سيليسی در سنين 7 و 28 روز بودند. بنابراين ثابت مي شود که نانو ذرات در افزايش مقاومت نسبت به دوده سيليس مؤثرتر هستند. مقاومت ملات ها با افزايش درصد نانو سيليس از 3% تا 12% افزايش مي يابد. بر اساس نتايج حاصله از آزمايش مقاومت فشاري، ملاحظه مي گردد که نانو ذرات سيليکا نه تنها به عنوان پر کننده براي بهبود ريزساختار ملات سيمان عمل مي کند، بلکه به عنوان بهبود دهنده واکنش پوزولاني نيز عمل مي کند.

بر اساس مطالعه ديگري که در کشور چين بر روي تأثير نانو ذرات بر روي مقاومت خمشي و فشاري ملات سيمان صورت گرفته است، اضافه کردن نانو ذرات سيليکا و نانو ذرات آهن به ملات سيمان باعث بهبود مقاومت فشاري و خمشي ملات نسبت به ملات معمولي گرديده است. به طوريکه مقاومت فشاري 28 روزه ملات سيمان با 3 درصد نانو ذرات آهن 26 درصد و مقاومت فشاري 28 روزه ملات سيمان با 3 درصد نانو ذرات سيليکا 8/13 درصد بهبود مي يابد. اين مساله نشان مي دهد که نسبت اختلاط بهينه نانو ذرات مختلف، متفاوت است. مقاومت خمشي ملات نيز با افزايش نسبت اختلاط نانو ذرات افزايش مي يابد بطوريکه مقاومت خمشي ملات در حال اختلاط 5 درصدي نانو ذرات آهن و سيليس بيشتر از حالت اختلاط 3 درصدي است. شکل هاي (3)تا (4) ريزساختار خمير سيمان با و بدون ذرات نانو سيليس و نانو ذرات اکسيد آهن را نشان مي دهند. همانطور که در شکل (3- الف) مشاهده مي گرددکه متعلق به بتن بدون ذرات نانو می باشد، ژل C−S−H به شکل خوشه هاي تنها، وجود دارند که توسط هيدرات هاي سوزني شکل به يکديگر پيوند زده شده اند. در همين زمان رسوب کريستال هاي Ca(OH)₂ در خمير سيمان توزيع شده اند. شکل هاي (3- ب) تا( 4) ريز ساختارهاي نمونه هاي B₁ (حاوی نانو ذرات آهن)، C₁ (حاوی نانو ذرات سیلیس)، و D (حاوی ترکیبی از نانو ذرات آهن و سیلیس) را نشان مي دهند که استحکام بالاتري دارند. اين نمونه ها متفاوت از خمير مسطح سيمان بودند، به عنوان مثال محصولات هيدراتي چگال تر و فشرده تربوده و کريستال هاي بزرگ نظير Ca(OH)₂  حضور نداشتند. اگر چه نمونه خمير سيمان اين سه ترکيب برخي تفاوت ها را نشان مي داد. اما ريزساختار آنها يکنواخت و فشرده بود.

 

 (الف)                                       (ب)

شکل (3) -تصوير SEM الف)ترکيب A ب) ترکيب  B₁ 

   

(الف)                                           (ب)

شکل (4)- تصوير SEM الف)ترکيب C₁ ب) ترکيب D

 

       6.   تاثیر نانو ذرات درکاهش نفوذپذيري بتن

تحقيقات نشان مي دهد که استفاده از نانو سيليس در بتن باعث کاهش نفوذپذيري آن در مقابل آب مي شود. این موضوع خصوصا در حالتی که سازه بایستی آب بند بوده و در مقابل هر نوع نفوذ آب از محیط خارج و یا داخل مانند مخازن زمینی و هوایی آب شرب مقاوم باشد حائز اهمیت می باشد. در آزمايش هاي انجام شده توسط Ji نمونه هايي از بتن حاوي خاکستر بادي تنها و نمونه هايي حاوي خاکستر بادي به همراه نانو سيليس ساخته و ميزان نفوذپذيري آنها در مقابل آب اندازه گيري گرديد . نتايج آزمايش ها رشد قابل توجهي در مقاومت بتن هاي حاوي نانو سيليس در برابر نفوذ آب را نشان مي دهد. Ji دو مکانيزم را در اين زمينه مؤثر مي داند. اولا در فرآيند هيدراتاسيون سيمان با آب، مقدار زيادي کريستال هاي هيدروکسيد کلسيم تشکيل مي شود. اين کريستال ها که شش ضلعي هستند و عمدتا در ناحيه مرزي بين سنگدانه ها و خمير سيمان تشکيل مي شوند، نقش تعيين کننده اي در ميزان نفوذپذيري بتن دارند. با استفاده از نانو ذرات مقدار کريستال هاي هيدروکسيد کلسيم کاهش مي يابد و به جاي آن ژل C−S−H فضاهاي خالي موجود در سطح تماس سنگ دانه ها با خمير سيمان را پر مي کند. به اين ترتيب ناحيه فصل مشترک سنگ دانه ها با خمير سيمان بسيار متراکم تر مي شود.ثانیا در حدود 70% محصولات هيدراتاسيون ژل C−S−H است. قطر متوسط C−S−H تقريبا 10 نانو متر است. ذرات نانو سيليس مي توانند فضاهاي خالي موجود در ساختار ژل میکروسیلیس را پر کنند و ماتريس متراکم تري ايجاد نمايند.

 

7.  تاثیر نانو ذرات در بهبود ريزساختار بتن

در شکل(5 )،ريزساختار بتن حاوي خاکستر بادي و بتن حاوي نانو سيليس و خاکستر بادي پس از 28 روز عمل آوري مشاهده مي شود. شکل(5- الف) به خوبي وجود ذرات خاکستر بادي که هنوز وارد واکنش نشده اند را نمايش مي دهد. درحاليکه در نمونه حاوي نانوسيليس چنين ذراتي مشاهده نمي شوند. اين تصاوير موارد مطرح شده در زمينه تسريع واکنش هاي پوزولاني توسط نانو سيليس را تاييد مي کنند.در تصوير مربوط به بتن حاوي نانو سيليس در سن 28 روز مشاهده مي شودکه ريز ساختار بتن به طور چشمگيري بهبود يافته و يکنواخت تر شده است.شکل(6) ريز ساختار همان بتن تصاوير قبلي را در سن 180 روز نمايش مي دهند. در نمونه فاقد نانو سيليس کريستال هاي بزرگ که به صورت خوشه اي به هم پيوسته اند مشاهده مي شوند، در حاليکه در نمونه حاوي نانو سيليس چنين کريستال هايي وجود ندارند وکريستال هاي هيدروکسيد کلسيم در اينجا به ژل C−S−H تبديل شده اند و ساختار بسيار متراکم و فشرده اي دارند. به اين ترتيب مي توان گفت استفاده از نانو سيليس در بتن باعث بهبود چشمگير ريز ساختار آن مي شود.

 

 

                                                                                    (الف)                                                (ب)                                                                                          

شکل(5)- ريز ساختار بتن پس از 28 روز عمل آوري الف) حاوي خاکستر بادي  ب )حاوي نانو سيليس

 

 

 (الف)                                                                          (ب)

شکل(6)- ريز ساختار بتن پس از 180 روز عمل آوري الف) حاوي خاکستر بادي  ب) حاوي نانو سيليس  

 

8. تاثیر نانو ذرات در کاهش گرماي هيدراتاسيون بتن

همانطور که می دانیم يکي از مشکلات بتن هاي حجيم،مشکل ترک خوردگي ناشي از گرماي هيدراتاسيون است. به همين دليل،در بسياري موارد،براي رسيدن به يک طرح اختلاط مناسب عيار سيمان را کاهش مي دهيم. اين امر به نوبه خود باعث کاهش ميزان آب و نيز افزايش ابعاد سنگدانه ها خواهد شد. چنين بتني با مشکلات اجرايي و نيز عدم حصول مقاومت کوتاه مدت مواجه خواهد بود. در چنين شرايطي استفاده از نانو سيليس به عنوان جايگزين بخشي از مواد سيماني مي تواند کارگشا باشد. شکل(7) نمودار گرماي هيدراتاسيون سه نمونه بتن معمولي، حاوي خاکستر بادي و بتن حاوي خاکستر بادي و نانو سيليس به صورت توام را نمايش مي دهد. همانطور که مشاهده مي شود حداکثر گرما در بتن حاوي مقادير زياد خاکستر بادي تا 30 الي 40 ساعت پس از اختلاط به تاخير مي افتد و ميزان حداکثر دما نيز در اين حالت حدود 51 درجه سانتي گراد است، در حاليکه حداکثر گرمايش در بتن حاوي نانو سيليس، تقريبا همزمان با بتن معمولي (يعني حدود 15 تا 25 ساعت پس از اختلاط) اتفاق مي افتد و ميزان حداکثر دما 61 درجه سانتي گراد است. به اين ترتيب مي توان گفت استفاده از نانو سيليس در بتن به همراه خاکستر بادي يک وضعيت بينابيني ایجاد می نماید که از يک سو سرعت کسب مقاومت را نسبت به بتن حاوي خاکستر بادي تنها افزايش داده و از سوي ديگر ميزان حداکثر دما را نسبت به بتن معمولي کاهش مي دهد.

 

شکل(7)- نمودار گرما بر حسب زمان براي بتن معمولي(PCC)، حاوي خاکستر بادي(HFAC) و حاوي خاکستر بادي و نانو سيليس(SHFAC)

 

ريز بودن دانه بندي در سرعت تکامل حرارت اهميت به سزايي دارد. دانه هاي سيماني ريزتر، سرعت هيدراتاسيون را افزايش مي دهند. حرارت ناشي از فرآيند هيدراتاسيون، به عنوان مقداري از حرارت خارج شده در طول فرآيند گيرش و سخت شدن تعريف مي شود. نمودار شکل (9) که حاصل تحقيقات JO و همکارانش در چين است سرعت هاي انتقال حرارت در بتن حاوي 10 درصد وزني سيمان نانو سيليس (NS10)، بتن معمولی(OPC)و بتن حاوي 10 درصد وزني سيمان ميکروسيليس (SF10) را مقايسه مي کند. وقتي ذرات با آب ترکيب مي شود، در مدت زماني تکامل حرارت سريعتري اتفاق مي افتد (مرحله اول). اين فرآيند با مدت زمان غير فعال در مرحله بعد ادامه مي يابد(مرحله 2). که باقي ماندن چند ساعته بتن در حالت پلاستيک را به اين مرحله ربط مي دهند.  درپايان مرحله سکون C₃S با انرژي تجديد شده دوباره واکنش مي دهد. فرآيند هيدراتاسيون سيليکات به سرعت ادامه مي يابد و به بيشترين مقدار در پايان مدت تسريع مي رسد(مرحله 3). پس از آن سرعت واکنش دوباره کم مي شود تا اينکه به حالت پايدار مي رسد.(مرحله 4) مراحل فوق در نمودار شکل (8) نشان داده شده است. مقادير حرارت خارج شده از مخلوط هاي مختلف در 72 ساعت عبارتند از: J/g 5/245 براي NS10، J/g 7/235 براي SF10 و J/g 1/231 براي OPC. اين نتايج نشان مي دهد که با افزودن نانو سيليس مقدار حرارت خارج شده در طول فرآيند گيرش و سخت شدن سيمان افزايش مييابد. اين افزايش را مي توان ناشي از تشديد عمل هيدراتاسيون به واسطه حضور نانو سيليس دانست.

 

شکل(8)-منحنيهاي کالري متري هم دمايي سير تکاملي حرارت 

 

9.    تاثیر نانو ذرات در تغيير توزيع اندازه حفرات

بر اساس تحقیقات Li توزيع اندازه حفرات در کوتاه مدت و بلند مدت در شکل هاي(9)و(10) نمايش داده شده است. در اين نمودارها ، PPC نمايش دهنده بتن معمولي، HFAC بتن با 50% خاکستر بادي و SHFAC بتن با 50% درصد خاکستر بادي و 4% نانو سيليس مي باشد. همانطور که مشاهده مي شود در بتن 28 روزه تخلخل نمونه حاوي خاکستر بادي و بدون نانو سيليس بيشتر از ساير نمونه هاست. در حفرات با قطر بيش از 05/0 ميکرو متر اختلاف کمي بين بتن معمولي وبتن حاوي نانو سيليس وجود دارد. اين امر مي تواند به دليل اثر فعال سازي نانو سيليس بر روي خاکستر بادي باشد. با توجه به نمودار تخلخل پس از دو سال مي توان ديد که در بتن دو ساله ميزان تخلخل تمام نمونه ها به طرز چشمگيري کاهش يافته است. ميزان تخلخل بتن حاوي خاکستر بادي در اين حالت کمتر از بتن معمولي است، اما بتن حاوي نانو سيليس کمترين مقدار تخلخل را دارد. نتايج مشابهي در کاهش تخلخل و ريزتر کردن توزيع اندازه حفرات درباره نانولوله هاي کربني نيز مشاهده است. اين کاهش تخلخل و متراکم تر شدن ساختار بتن کمک شاياني به کاهش نفوذپذيري و افزايش دوام بتن مي کند.

 

شکل(9)- نمودار حاصل از اندازه گيري تخلخل در بتن هاي 28 روزه

 

شکل(10)- نمودار حاصل از اندازه گيري تخلخل در بتن هاي 2 ساله 

 

10.    اثر نانو ذرات درکاهش سرعت نفوذ يون کلريد در بتن

تحقیقات نشان داده است که در بتن هاي که در آن ها از نانو سيليس، خاکستر بادي و دوده سيليس استفاده شده بود، ميزان نفوذپذيري نسبت به يون کلر به طرز چشمگيري کاهش می یابد. نتايج بررسی های Collepardi  و همکاران در نمودارشکل(11) نمايش داده شده است. در اين نمودار، SF نمايش دهنده بتن با 12% دوده سيليس، FAبتن حاوي 13% خاکستر بادي، TC1 بتن با 4%دوده سيليس، 6% خاکستر بادي و 5/1% نانو سيليس بوده و  TC2بتني با 3% دوده سيليس، 8% خاکستر بادي و 1% نانوسيليس مي باشد. همانطور که در نمودار مشاهده مي شود کمترين مقدار نفوذ يون کلر در بتن TC1که بيشترين مقدار نانو سيليس را دارد رخ داده است.به اين ترتيب مي توان گفت که استفاده از نانو سيليس با کاهش سرعت نفوذ يون کلر بر دوام بتن مي افزايد.

 

شکل(11)- نفوذ يون کلريد در بتن هاي روان عمل آوري شده در ^oc20

 

11.    تاثیر نانو ذرات در کاهش سرعت کربناتاسيون بتن

بررسی های محققین نشان داده است که استفده از نانو سيليس در بتن باعث کاهش سرعت نفوذ اکسيد کربن به داخل آن مي شود. بررسی Collepardi و همکاران در زمينه نفوذ دي اکسيد کربن بر روي مخلوط هايي حاوي دوده سيليس، خاکستر بادي و نانو سيليس نشان داده است که  مخلوطی که بيشترين مقدار نانو سيليس را داشته کمترين ميزان نفوذ دي اکسيد کربن را به خود اختصاص داده است.

 

شکل(12)- نفوذ دي اکسيد کربن در بتن هاي روان عمل آوري شده در ^oc20 

 

12.   نتیجه گیری:

استفاده از ذرات نانو در بتن باعث تغییرات عمده ای در خصوصیات بتن می گردد که عمده ترین آنها عبارتند از:

1- وقتي که مقداري از نانو ذرات به صورت يکنواخت در ملات سيمان پخش مي شود نانو ذرات به عنوان يک هسته به طور محکم به سيمان هيدراته شده چسبيده و به علت فعاليت شديد، زمان هيدراتاسيون سيمان را سرعت مي بخشند و اين مسأله براي مقاومت ملات سيمان مطلوب مي باشد.

2- نانو ذرات در ميان مواد حاصل از هيدراتاسيون قرار گرفته و از رشد و بزرگ شدن بلورهاي اترينگايت و هيدروکسيد کلسيم جلوگيري مي کند.

3- ذرات نانو به عنوان يک ماده پر کننده، حفره هاي سيمان را پر مي کند و به مانند دوده سیلیس مقاومت بتن را افزايش مي دهد.

4- استفاده از درصد کمی از نانو سیلیس در بتن موجب افزایش چشم گیری در مقاومت فشاری می گردد.

5- روند افزایش مقاومت فشاری با زمان با استفاده از ذرات نانو دربتن افزایش می یابد.

6- استفاده از نانو سيليس در بتن مو جب بهبود ريزساختار آن و کاهش اندازه تخلخل ها می گردد.

7- با بکار گیری ذرات نانو در بتن می توان به بتنی با نفوذ پذیری بسیار کم دست یافت که این خود در ساخت سازه هایی که نشت آب در آنه حائز اهمیت است مانند مخازن آب شرب ضروری به نظر می رسد.

8- استفاده از ذرات نانو دوام بتن و به عبارتی مقاومت در برابر نفوذ مواد مهاجم نظیر یون کلر و خطر کربناسیون را کاهش می دد.

 

13.    مراجع:

 [1]. Florence Sanchez و Konstantin Sobolev” "Nanotechnology in concrete – A review""

[2]. Qing, Y., Zenan, Z., Deyu,K. and Rongshen, k., “ Influence of nano-SiO2 addition on properties of hardened cement paste as compared with silica fume”, Construction and Building Materials, Vol.21, 2007, pp. 539-545

 [3]. Li, G., “Properties of high-volume fly ash concrete incorporating nano-SiO2”, Cement and Concrete Research, Vol.34, 2004, pp. 1043-1049

 [4]. Jo, B.W, Kim, C.H., Tae, G.H., Park, J.B., “Characteristics of cement  mortar with nano-SiO2 particles”, Construction and Building Materials, Vol.21, 2007, pp. 1351-1355

 [5]. Li, H., Xiao, H.G., Yuan, J., Ou, J.P., “Microstructure of cement mortar with nano-particles”, Composites: Part B,Vol. 35, 2004, pp. 185-189

 [6]. Ji, T., “Preliminary study on the water permeability and microstructure of concrete incorporating nano-SiO2” Cement and Concrete Research, Vol.35, 2005, pp.  1943-    1947

[7]. Collepardi, M.,. Ogoumah Olagot, J., Troli, R., Simonelli, F. and Collepardi, S., “Combination of Silica Fume, Fly Ash and Amorphous Nano-Silica in Superplasticized High-Performance Concretes”, Enco, Engineering Concrete, Ponzano Veneto, Italy

 [8]. Sobolev K, Ferrada-Gutiérrez M. How nanotechnology can change the concrete world: part 2. Am Ceram Soc Bull 2005;84(11):16–9.

 [9]. de Miguel Y, Porro A, Bartos PJM, editors. Nanotechnology in construction. RILEM Publications SARL; 2006. p. 416.

[10]. Bartos PJM, de Miguel Y, Porro A, editors. NICOM: 2nd international symposium on nanotechnology for construction. Bilbao, Spain: RILEM Publications SARL; 2006.

[11]. Bittnar Z, Bartos PJM, Nemecek J, Smilauer V, Zeman J, editors. Nanotechnology in construction: proceedings of the NICOM3 (3^rd international symposium on nanotechnology in construction). Prague, Czech Republic: Springer-Verlag Berlin Heidelberg; 2009. p. 438.

[12]. Scrivener KL, Kirkpatrick RJ. Innovation in use and research on cementitious material. Cem Concr Res 2008;38(2):128–36.

[13]. Sobolev K, Shah SP. SP-254 Nanotechnology of concrete: recent developments and future perspectives. Detroit: American Concrete Institute; 2008.

[14]. Feynman R. There’s plenty of room at the bottom (reprint from speech given at annual meeting of the American Physical Society). Eng Sci 1960;23:22–36.

AN INVESTIGATION INTO APPLICATION OF NANOTECHNOLOGY IN CONCRETE

 

M.H.Beygi1 , J.Berenjian2 , O.Lotfi Omran3 , I.M.Nilbin4, M.Ahmadvand5

1-Assistant Professor Babol University of technology, Department of Civil Engineering 2-Assistant Professor Babol University of technology, Department of Civil Engineering

3-Master of science student of Noushirvani University of technology, Babol, Iran

4- Department of Civil Engineering Islamic Azad University of Rasht

5-ACI, Iran Chapter, Vand Chemie Co

ABSTRACT

Today applications and advancement of nanotechnology has brought about many breakthroughs in construction industry. Main part of this technological progress has been in area of cementitious materials. Nanoparticles, which are outcome of nanotechnology, have been able to prove effective in construction of cement based materials and can significantly improve their structure and workability. Although a lot of scientific works in different fields have been done on applications of this technology, the true value and place of that has not been yet recognized by structural engineers and designers in concrete industry. Therefore this paper is aimed at giving a proper perspective of nanotechnology and discussing different aspects of its applications in concrete. This will surely lead engineers to design and construct more reliable and durable structures.

RESEARCH INQUERIES

In this research the effects of Nano silica on the mechanical properties and durability of concrete has been investigated.

RESEARCH METHOD

In this paper the optimum Nano silica content for compressive strength and durability of concrete obtained using casted cubic cast specimens.

CONCLUSION

Similar to silica fume, Nano particles rule as a filler and fill the cement voids consequently increase the concrete compressive strength. Using low content of Nano silica in concrete, leads to significant increase of compressive strength. Application of Nano silica can help to achieve a low permeable concrete which are vital in structures where are vulnerable against leakage such as drinking water reservoirs.

Key Words

Concrete, Nanoparticles , mechanical properties