چکیده:

از آنجایی که علم نانو یک زمینه فرا رشته ای میباشد علوم و صنایع مختلف از جمله مهندسی عمران را تحت تاثیر قرار داده است. استفاده از فنآوری نانو در ساخت و تولید مصالح جدید روز به روز در حال افزایش است. تاثیر قابل ملاحظه این مواد در بهبود کیفیت و خصوصیات مواد ساخته شده، باعث شده تا تحقیقات در زمینه نانو بطور چشمگیری افزایش یابد. هدف اصلی در روسازی ایجاد سطحی ایمن و با دوام برای عبور وسایل نقلیه است که بتواند تحت بارهای وارده و شرایط آب و هوایی کارایی خود را حفظ کند. با بکارگیری فنآوری نانو در مهندسی روسازی، میتوان بهتر و بیشتر به این هدف مهم دست یافت. با توجه به کاربرد و اهمیت استفاده از فنآوری نانو در اصلاح خواص بتن در این مقاله با بررسی تحقیقات انجام شده در این زمینه اثرات سه افزودنی که با فنآوری نانو تولید شدهاند شامل: دی اکسیدسیلسیوم، دی اکسیدتیتانیوم و نانو لولههای کربنی مورد بررسی قرار گرفته اند.

کلمات کلیدی: نانو، روسازی بتنی، دی اکسید سیلیسیوم، دی اکسید تیتانیوم، نانو لوله های کربنی

-۱ مقدمه:

امروزه به دلیل افزایش روز افزون تعداد و وزن ترافیک و افزایش هزینههای آسفالت روسازی بتنی بیشتر مورد توجه محققین قرار گرفته است. روسازیهای بتنی بطور گسترده در سطوح جادهها،پلها، باند فرودگاها و پارکینگهای طبقاتی استفاده میشود ۱]و. [۲ این روسازیها تحت بارهای دینامیکی ناشی از وسایل نقلیه در مواجه مستقیم با محیط اطراف روسازی قرار دارند. با شناخت شرایط محیطی اطراف روسازی میتوان دوام بتن را افزایش و در نتیجه به عمر طراحی بالاتری دست یافت. از مهمترین ویژگیهای مقاومتی مورد توجه در تولید و ساخت روسازیهای بتنی میتوان به مواردی چون، مقاومت فشاری، خمشی، سایشی و ضربهای اشاره نمود.
همچنین میزان نفود پذیری، مقاومت در برابر اثرات جذب رطوبت و چرخه های ذوب و یخبندان پارامترهای هستند که در دوام بتن موثرند .[۳] علاوه بر موارد فوق در طراحی یک روسازی بتنی باید مواردی چون، استفاده کمتر از منابع طبیعی، صرف جویی در مصرف انرژی، کاهش انتشار گازهای گلخانهای، محدود کردن آلودگی (هوا، آب، زمین و صدا)، افزایش ایمنی و جلوگیری از خطر و راحتی استفاده کنندگان از راه در نظر گرفته شوند .[۴]

بتن یک ماده ناهمگون در تمام مقیاسها استمقاومت. و دوام بتن بستگی به عناصر و موَلفه های آن در مقیاس نانو دارد. برای شناخت بتن، کنترل بهتر ویژگیهای آن و طراحی مصالح جدید با ویژگی های خالص ضروری است درک و شناخت درستی از مقیاس نانو داشت .[۵]

۱

International Conference on Civil Engineering Architecture & Urban Sustainable Development 18&19 December 2013, Tabriz , Iran

نانو یک اصطلاح یونانی به معنای کوتوله، در مقیاس یک میلیاردم متر میباشد. هر فعالیت پژوهشی که در مقیاس زیر ۱۱۱ نانومتر انجام شود، مصداق فنآوری نانو خواهد بود. در این مقیاس ویژگی های مواد دستخوش تغییر و تحول خواهد شد. فنآوری نانو حدود نیم قرن پیش به دنیا معرفی شد و طی دو دهه گذشته پیشرفت زیادی داشته است. در مقایسه با دیگر مصالح مورد استفاده در مهندسی، عمر استفاده از فنآوری نانو در بتن کوتاه میباشد. دو علت اساسی برای این مساله میتوان ذکر نمود: یکی فقدان درک و واکنش کامل و اساسی از ساز و کار فیزیکی و شیمیایی این ماده در مقیاس نانو و دلیل دیگر عدم درک صحیح از بهبود ارتقای کیفی در مادهای مانند بتن که مادهای مایع- جامد است به وسیله فنآوری نانو به چه معناست .[۶] اگر چه فنآوری نانو زمان اندکی است وارد عرصه بتن گردیده ولیکن مقالات و تحقیقات بسیاری دلالت بر اثر بخش بودن نانو مواد و نانو پودرها بر ریز ساختار و کلان ساختار بتن دارند .[۷]

فنآوری نانو در مقیاس نانو متمرکز شده در صورتی که زیر ساخت های مهندسی عمران به ویژه روسازی راه در مقیاس کلان میباشد و این سوال مطرح میشود که چگونه تغییرات در مقیاس نانو میتواند خواص و رفتار در اندازه کلان را تغییر داده و اینکه چرا از نانو مواد بجای افزودنیهای سنتی استفاده میشود .[۴]

مشخصه اصلی نانو مواد، به خود مواد بر نمیگردد بلکه به اندازه ذرات بنیادین آنها مربوط میشود. با ایجاد تغییرات در این میتوان مواد خنثی و بی اثر را به مواد بسیار فعال و واکنشپذیر تبدیل کرد. هر چقدر دانهها ریزتر شوند سطح جانبی آنها افزایش یافنه و در نتیجه واکنشپذیری و فعالیت مواد افزایش مییابد. در این وضعیت سطح بیشتری از ماده مورد نظردر تماس با مواد دیگر خواهد بود. از اینرو میتوان در دماهای پایینتر، به فشردگی و تراکم بهتری نسبت به سیستم های سنتی دست یافت، زیرا در دماهای پایین تر فعالیتهای شیمیایی کاهش پیدا میکند. این مساله سبب بهبود ویژگیهای متعددی از جمله مقاومت در برابر سایش و فرسایش، مشخصههای بهتر مکانیکی، الکتریکی، اپتیکی و مغناطیسی مواد میشود .[۶]

معمولاً اصلاح سنتی یکی از ضعف های بتن با تضعیف ویژگیهای مثبت دیگر تواّم بوده است و استفاده از مواد افزودنی سنتی در بتن معمولاً خالی از اشکال نیست، اما فنآوری نانو این مزیت را دارد که با اصلاح ضعفها، مشکلاتی در زمینه های دیگر ویژگی های بتن ایجاد نمیکند. یکی از مهمترین علت هایی که از نانو مواد بجای افزودنی های سنتی استفاده میشود،

اصلاحات ساختاری و زیر بنیادی بوده و از هسته اصلی شکل گیری بتن آغاز میشود .[۶]

نکته دیگری که در استفاده از نانو در روسازی بتنی باید توجه داشت این است که برای توصیف ویژگیهای بتن باید یکی از سه جزء سنگدانهها، خمیر سیمان هیدراته و محدوده گذر بین سطحی ITZٌ بررسی شود. ITZ محدودهای است که در آن خمیر سیمان، سنگدانه های درشت را در بر گرفته و بطور معمول ضخامتی در حدود ۲۱ تا ۵۱ میکرون دارد. از آنجایی که ابعاد سنگدانه ها ۳ تا ۴ برابر بزرگتر از محدوده ITZ است، میکرو ساختار بتن رفتار مکانیکی بحرانی خود را در این محدوده و در مقیاسهای مختلف نشان میدهد. این ناحیه در نقش ضعیف ترین ناحیه اتصال در بتن عمل نموده و سبب ساز بسیاری از نارساییها در بتن بوده و به همین دلیل است که نخستین میکرو ترکها در این ناحیه رخ میدهد. درک بهتر رفتار و ساختار بتن در مقیاس نانو در این ناحیه کمک خواهد کرد تا ویژگی های مطلوب بتن را بهبود بخشیده و از بروز ترکها و خرابیهای بتن جلوگیری شود .[۸]

در این مقاله به بررسی تاَثیر سه نانو ذره دی اکسیدسیلیسیوم (Sio2)، دی اکسیدتیتانیوم (Tio2) و نانو لولههای کربنی CNT)ٍ) بر روسازی بتنی پرداخته شده است.

-۲ بررسی اثرات نانو ذرهها بر ویژگیهای روسازی بتنی:
-۱-۲ دی اکسید سیلیسیوم :(Sio2)

۱٫ Interfacial Transition Zone.
2.Carbon nano tube.

۲

International Conference on Civil Engineering Architecture & Urban Sustainable Development 18&19 December 2013, Tabriz , Iran

نانو Sio2 از جمله نانو موادی است که کاربرد فراوانی در ساخت مواد و مصالح جدید داشته و میتواند باعث بهبود ویژگی-های مکانیکی در روسازی بتنی شود. این نانو ذرهمعمولاًبصورت پودر یا مایع مورد استفاده قرار میگیرد. با توجه به مطالعات استفاده از نانو ذره Sio2 میتواند بر مقاومت کششی، خمشی و فشاری بتنهای حاوی این نانو ذرات تاثیر مثبت گذاشته و باعث بهبود این ویژگیهای مخلوط بتنی شود. با افزودن مقدار نانو Sio2 ویژگیهای مقاومتی روسازی بتنی افزایش یافته تا به نقطه اوج خود برسد و از آن پس با افزایش مقدار Sio2 این ویژگیهای مقاومتی کاهش خواهد یافت، در تحقیقات مشخص شده مقدار بهینه استفاده از Sio2 به میزان ۲ درصد وزنی سیمان در مخلوط های بتنی میباشد . طی آزمایشات صورت گرفته با افزودن نانو Sio2 به مقدار ۲ درصد وزنی سیمان مقاومت خمشی ۳۱٫۷ درصد، مقاومت فشاری ۴۸٫۸ درصد و مقاومت کششی ۵۲٫۸ درصد افزایش یافته است .[۹]