چکیده

پیشرفت وگسترش تکنولوژی، همراه با فناوری های نوین در صنعت، ساختارهای جدیدی را برای سازه های خاص می طلبد. بتن های فوق سنگین نمونه ای از این مواد هستند. زباله های رادیواکتیویته و تابش های نوترونی با قابلیت نفوذ بالا از خطرناک ترین آلاینده های محیط زیست محسوب می شوند که برای غلبه بر این مشکل بتن های فوق سنگین با مقاومت بالا مورد استفاده می باشند. استفاده از ذرات در مقیاس نانو در طرح اختلاط بتن، دستیابی به بتن نفوذناپذیر، بتن با مقاومت بسیار بالا را امکان پذیر می سازد. در این مقاله، به بررسی عملکرد بتن های فوق سنگین با استفاده از نانو رس ها پرداخته شده است. نتایج حاکی از این است که مقادیر بسیار کم استفاده نانو رس در بتن، باعث کاهش وزن، استحکام بالاتر و کاهش خارق العاده عبور گازها در مخلوط نهایی می شود.

کلمات کلیدی: افزایش مقاومت، بتن فوق سنگین، کاهش وزن، کاهش خارق العاده عبور گازها، نانو رس.

مقدمه

امروزه با پیشرفت تکنولوژی و استفاده از فناوری در زمینه های مختلف صنعتی، پزشکی، تحقیقاتی و… در شتاب دهنده های پروتونی، تولید رادیواکتیو، دارو، پرتوهایی از قبیل گاما و نوترون تولید می شود. چنانچه این پرتوها به طور مناسبی تضعیف نشوند، به انسان و محیط زیست آسیب می رسانند. جهت حفاظت در ساخت اغلب این تأسیسات، از بتن به طور وسیعی استفاده می شود. با استفاده از بتن سنگین از ضخامت دیواره ی مورد نظر برای مقابله با پرتوها کاسته می شود. بتن به عنوان یکی از رایج ترین و مقرون به صرفه ترین مصالح، در ساخت حفاظ بیولوژیکی پرتوهای گاما و نوترون مورد استفاده قرار می گیرد. برای طراحی حفاظ بتنی در برابر پرتوهای گاما، هر چه چگالی بتن بیشتر باشد، خاصیت تضعیف کنندگی بهتری دارد، لذا استفاده از سنگدانه های سنگین در بتن، باعث افزایش چگالی آن و کاهش ضخامت مورد نیاز برای حفاظ می گردد. برای طراحی حفاظ نوترونها، اغلب ترکیب سه گروه از مواد شامل عناصر سنگین مانند آهن یا باریم، عناصر سبک مانند هیدروژن و مواد جذب کننده نوترون های حرارتی مانند بور مطلوب است. در میان مواد جذب

×پانزدهمین کنفرانس دانشجویان عمران سراسر کشور

۱۱، ۱۲ و ۱۳ شهریورماه ۱۳۹۳، دانشگاه ارومیه

کننده نوترون در حفاظ، عنصر بور ضمن داشتن خصوصیت جذب بالا برای نوترون ها، پرتوهای گامای ثانویه با انرژی پایین و قابلیت نفوذ کمتری تولید می نماید. لذا مواد حاوی بور اغلب در حفاظ های نوترون مورد استفاده قرار می گیرند.

در سال ۱۸۱۷ یک فرانسوی به نام ویکا، اصول شیمیایی سیمان ها را مطالعه کرد و قواعدی برای تهیه آن مشخص نمود. این ابداعات علمی نشان داد که از اختلاط سیمان، سنگدانه ها (شن و ماسه) و آب ماده ای بدست می آید که قابل ریختن در قالب است، سخت می شود و به صورت یک سنگ واقعی مصنوعی در می آید. این مخلوط سفت شده بتن نام گرفت. در حدود ۴۰۰ سال پیش از میلاد مسیح، دموکریتوس فیلسوف یونانی، برای اولین بار واژه اتم را که در زبان یونانی به معنی تقسیم نشدنی است، برای توصیف ذرات سازنده مواد به کار برد. از این رو شاید بتوان او را پدر فناوری و علوم نانو دانست .[۱] ریچارد فاینمن مقاله ای را درباره قابلیت های فناوری نانو در سال ۱۹۵۹ منتشر ساخت. با وجود موقعیتهایی که توسط بسیاری تا آن زمان کسب شده بود، ریچارد فاینمن را به عنوان پایه گذار این علم می شناسند. فاینمن بعد ها جایزه نوبل را در فیزیک دریافت کرد. دنیای فناوری نانو روز به روز گسترده تر می شد به طوری که در سال ۱۸۵۷ مایکل فارادی محلول کلوئیدی طلا را کشف کرد و در سال ۱۹۰۵ رفتار محلولهای کلوئیدی توسط آلبرت انیشتین تشریح شد. در سال ۱۹۳۲ لنگمویر، لایههای اتمی به ضخامت یک مولکول را ایجاد کرد .[۲] و در سالهای اخیر نیز دنیای فناوری نانو روز به روز پیشرفت می کند. لذا در این مقاله، به بررسی اثر استفاده از نانو رس ها در بتن و عملکرد بتن های ساخته شده، پرداخته شده است.

شرح و روش انجام کار

پیشرفت های اخیر در زمینه مواد و فرآیندها، همچنین دست کاری آنها در مقیاس نانو چشم اندازی از تولید مواد در اندازه ماکرو و محصولات جدید را پیش روی ما قرار داده است. نانوتکنولوژی چشم انداز جدیدی از تولید مواد، در مقیاس نانو را با خواص و چیدمان اتمی متفاوت در اختیار ما قرار می دهد. هدف اصلی اکثر تحقیقات نانو تکنولوژی شکل دهی ترکیبات جدید یا ایجاد تغییراتی در مواد موجود است. فناوری نانو در صنایع ساختمان هم نقش بسزایی دارد، در این راستا بیشترین سهم را صنایع فولاد، شیشه و بتن ایفا می کنند. درشکل ۱ نمونه ای از ساختار نانو ذرات نشان داده شده اند. در این مقاله به بررسی نانورس و تاثیر آن روی بتن سنگین می پردازیم.

شکل -۱ نمونه هایی گرافیکی از ذرات نانو و ذرات نانو عکاسی شده با میکروسکوپ الکترونی

برای تولید بتن سنگین به جای شن و ماسه از سنگدانه های سنگین مانند خرده های فولاد، چدن، سولفات باریم، باریت، فروفسفر، ژئوتیت، هماتیت، ایلمنیت، لیمونیت، مگنتیت و ذرات پانچی فولادی چربی زدایی شده استفاده می شود. در مواردی که به مقدار آب بلوری بالایی احتیاج است، می توان از

×پانزدهمین کنفرانس دانشجویان عمران سراسر کشور

۱۱، ۱۲ و ۱۳ شهریورماه ۱۳۹۳، دانشگاه ارومیه

سوپانتیت (که کمی سنگین تر از سنگدانه معمولی است) یا بوگیت استفاده کرد. در مواردی که به بتنی با جرم مخصوص بیش از ۴۸۰۰ kg/m3 احتیاج است از ذرات پانچی فولادی و ساچمه استفاده می شود .[۳]

به طور کلی انتخاب سنگدانه براساس خصوصیات فیزیکی، قابلیت دسترسی و هزینه انجام می شود. سنگدانه های سنگین باید تا حد معقولی از مواد ریز، روغن و مواد خارجی تاثیر گذار بر پیوستگی خمیر با ذرات سنگدانه یا هیدراسیون سیمان عاری باشند. از ویژگی های سنگدانه ها کارایی خوب، جرم مخصوص حداکثر، صرفه جویی اقتصادی، شکل مکعبی و کم بودن ذرات پولکی یا دراز در آنهاست .[۴]

شکل -۲ محدوده دانه بندی مصالح سنگی _ روش ملی طرح مخلوط بتن ایران و آئین نامه [۵] DIN 1045

بتن سنگین، بتنی است کهاساساًدارای وزن مخصوص بزرگتری نسبت به بتن های ساخته شده با سنگدانه های معمولی می باشد .[۲] بتن سنگین به دلیل حمل و نقل سنگدانه ها، حفاری معدن، حمل مصالح، شکستن دانه بندی مصالح، اختلاط مناسب سنگدانه در خمیر سیمان، جا دادن و پرداخت سطح بتن ریخته شده همواره هزینه ساخت بیشتری نسبت به بتن های معمولی دارد .[۵] کاربرد اینگونه بتن برای جلوگیری از تشعشع اشعه X و Y و… بوده اصولاً برای سازه های مربوط به تأسیسات اتمی و یا هر جا که امکان تشعشعات رادیواکتیو وجود دارد، استفاده می شود و به طور ویژه به عنوان سپر محافظ در مقابل تشعشع به کار می رود.

شکل -۳ تقسیم بندی دانه های مصالح سنگی[۶]

زباله های رادیو اکتیویته و تابش های نوترونی با قابلیت نفوذ بالا از خطرناک ترین آلاینده های محیط زیست محسوب می شوند، برای غلبه بر این مشکل می بایست از بتن های فوق سنگین با مقاومت زیاد که دارای دانسیته (چگالی) زیاد می باشد، استفاده کرد .[۶]