نانو سيمان و نانو بتون

مقدمه :
نانو تكنولوژي يك رشته جديد نيست ، بلكه رويكردي جديد در تمام رشته‌ها است. در سالهاي اخير تحقيقات زيادي در خصوص افزودن نانو ذرات به سيمان انجام گرفته است.
فناوري نانو كاربردهاي وسيعي در حوزه‌هاي مختلف از جمله صنايع غذايي ، دارويي ، پزشكي ، بيوتكنولوژي ، الكترونيك و كامپيوتر و ارتباطات و حمل و نقل و انرژي و محيط زيست و هوا فضا و …

دارد. تغيير مقياس ساخت باعث تغييراتي اساسي در نحوه طراحي سيستم‌ها خواهد داشت ، زيرا در مقياس نانو ، نيروهاي بين‌مولكولي و نيروهاي ديگر مرتبط وارد محاسبات مي‌شوند. كنترل مواد در مقياس نانو به معناي ساختن ساختارهاي بنياني در مقياسي است كه در آن اندازه‌ها خواص اساسي معين مي‌شود (نانو آخرين مقايس توليد) و بنابراين كنترل خواص مواد حاوي ذرات نانو بهتر امكان‌پذير مي‌باشد.

نانو ذرات افزودني به سيمان هم مي‌تواند از نوع تركيبات تشكيل دهنده خود سيمان (اكسيد سيليس ، اكسيد آهن و آلومينا) باشند و هم از تركيباتي ديگر (براي مثال كربونانو تيوب) كه در جهت ايجاد خواصي مشخص و معين در سيمان ، كاربرد دارند. به عنوان مثال ، براي حصول به سيماني با خواص مناسب جهت استفاده در چاه‌هاي نفت افزودن نانو ذرات مناسب مي‌باشد. در حال حاضر متخصصين پژوهشگاه صنعت نفت به دانش فني مورد نياز براي ساخت نانو افزودني

مناسبي براي كنترل خواص سيمان كاري جداره چاههاي نفتي دست يافته‌اند. هدف اصلي استفاده از نانو افزودني‌ها در سيمان جداره چاههاي نفتي مقابله با وجود مشكلاتي از لحاظ پايين بودن فشار مخزن و ضرورت ايجاد فشار لازم توسط سيمان استفاده شده مي‌باشد.
همچنين استفاده از كربن نانوتيوب به عنوان نانو افزودني در سيمان پتانسيل فوق‌العاده قوي (سيمان سخت) ايجاد مي‌كند چون هم يك ماده تقويت كننده ايده‌آل مي‌باشد و هم قطر آن شبيه اندازه كلسيم ـ سيليكات ـ هيدرات است از ديگر كاربردهاي كربن نانوتيوب در صنعت ساختمان استفاده از آن به عنوان اجزاء ساختاري و عامل انتقال حرارت مي‌باشد به نحوي كه يكي از كاربردهاي آن ، استفاده از آن براي گرم كردن ساختمان‌ها مي‌باشد.

در حال حاضر در كشور چين ، بيشترين تحقيقات در جهت بررسي خواص نانو سيمانها انجام شده است و لذا بسياري از مقالات معتبر در خصوص بررسي خواص نانو سيمانها مربوط به دانشگاه‌هاي اين كشور است. به طور كلي مهمترين عامل در كنترل خواص نانو سيمانها ، علاوه بر خواص نانو

ذرات ، اختلاط مناسب نانو ذرات و سيمان مي‌باشد. نانو سيمانها به دليل مقاومت بالا و خواص ساختاري بهبود يافته ، كاربردهاي زيادي دارند براي مثال ، از اين نوع سيمانها ، براي ساخت آسمان خراشها ، ساختمان‌هاي رياست جمهوري و نظامي (ضد گلوله) و در مناطقي كه خورندگي زياد است ، استفاده مي‌شود.
بطور كلي ، استفاده از افزودني‌ها در توليد سيمان ، علاوه بر تأثيراتي كه بر خواص سيمان دارد ، به دليل مصرف كمتر سيمان ، كاهش مصرف انرژي و كاهش گازهاي گلخانه‌اي را نيز به همراه دارد.
نانوسيمانهاي حاوي نانو سيليس :
مهمترين تركيب پوزولانها ، سيليكا آمورف و يا سيليس شيشه‌اي است كه در نتيجه واكنش آنها با

هيدروكسيد كلسيم ، سيليكات كلسيم هيدراته شده ، توليد مي‌شود.
سرعت واكنش و واكنش‌پذيري پوزولان‌ها ، سيليكا آمورف و يا سيليس شيشه‌اي است كه در نتيجه واكنش آنها با هيدروكسيد كلسيم ، سيليكات كلسيم هيدراته شده، ‌توليد مي‌شود. بنابراين بديهي است كه نانو سيليس‌ها بدليل سطح مقطع بيشتر از اهميت خاصي برخوردار باشند.
تحقيقات انجام شده نشان داده است كه مقاومت فشاري ۷ روزه و ۲۸ روزه سيمانهاي حاوي نانو

سيليس بيشتر از سيمانهاي حاوي ميكرو سيليس مي‌باشد. 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.
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 ۷ روز نشان داده كه مقدار Ca(OH)2 براي سيمانهاي حاوي ۱۰% نانو سيليس ۱۶/۴% و براي سيمانهاي حاوي ۱۰% دوده سيليس نيز بعلت افزايش واكنشهاي پوزولاني و ايجاد سيليكات كلسيم هيدراته شده و پر شدن منافذ سيمان افزايش

مي‌يابد. آناليز XRD ميزان واكنش CH با نانو سيليس و دوده سيليس نشان داده شده است ، نتايج حاصل نشان مي‌دهد با افزايش نانو سيليس و دوده سيليس ، پيك مربوط به CH در طول زمان كاهش مي‌يابد.
بررسي XRD سيمانهاي حاوي نانو سيليس و دوده سيليس و مقايسه آن با سيمان معمولي نشان داده است كه افزودن ۳% نانو سيليس به ملات سيمان باعث كاهش اندازه كريستالهاي CH

مي‌شود ، كريستالهاي CH جمع‌تر شده و اصطلاحاً چين خورده و در نتيجه سطح مشترك مواد واكنش دهنده نسبت به سيمانهاي حاوي دوده سيليس ، مناسبتر مي‌باشد.
افزودن نانوسيليس و دوده سيليس بر روي زمان گيرش سيمان مؤثر مي‌باشد و زمان گيرش اوليه كاهش مي‌يابد. با افزايش نانو سيليس به سيمان ، ملات سيمان متراكم‌تر شده و نفوذپذيري نسبت به سيمان معمولي بتدريج 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.
نانو سيمانهاي حاوي nano-Al2O3
نتايج حاصل از تحقيقات حاصل از افزودن nano-Al2O3 به سيمان نشان داده است، مقاومت فشاري و مدول الاستيسيته سيمانهاي حاوي nano-Al2O3 نسبت به سيمانهاي معمولي افزايش مي‌يابد.
استفاده از نانو آلومينا در سيمان ، با همگن‌سازي مناسب و به مقدار مناسب (۵%) ، باعث

افزايش مدول الاستيسيته مي‌شود. براي مثال ، مدول الاستيسيته سيماني حاوي ۵% نانو الومينا در طول ۲۸ روز ، ۱۴۳% افزايش مي‌يابد، در صورتي كه در سيمانهاي حاوي ميكرو سيليس اين مقدار معادل ۱۵% مي‌باشد.
تغييرات مدول الاستيسيته سيمانهاي حاوي نانو آلومينا ، بستگي به دانسيته و تعداد منافذ و تخلخل موجود در ملات سيمان دارد.

ثابت شد است كه تركيب ملات سيمان ، شامل خمير سيمان ، سنگ دانه و ITZ-interfacial transition zone مي‌باشد. ITZ شامل منافذ موجود در مخلوط سيمان است. نيروي واندروالسي بين سيمان و سنگ دانه ، بستگي به مقاومت و دانسيته و تعداد منافذ ITZ دارد ملات سيمان‌هاي حاوي نانو آلومينا ۳۰% نسبت به سيمان پرتلند معمولي كنترلي (شاهد) فرج كمتري دارند.
نانو آلومينا باعث افزايش مقاومت فشاري سيمان مي‌شود. براي مثال نتايج نشان داده مقاومت فشاري ۷ روزه سيمانهاي حاوي نانو آلومينا ۳۰% نسبت به سيمان پرتلند معمولي كنترلي (شاهد) بيشتر است.
نانو سيمانهاي حاوي nano-Fe2O3

سيمانهاي حاوي nano-Fe2O3 كمتر از ۱۰% 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 ، باعث كاهش مقاومت فشاري مي‌شود.
نانو سيمانهاي حاوي نانو مونتموريلونيت (Organo-modifield montmorillonite)
تحقيقات انجام شده نشان داده است كه استفاده از نانو مونتموريلونيت اصلاح شده، با مواد آلي در سيمان باعث مي‌شود ، نفوذپذيري ملات سيمان تا ۱۰۰ مرتبه كاهش يابد و مقاومت فشاري ۴۰% و مقاومت خمشي تا ۱۵% افزايش يابد.

نانو سيمانهاي حاوي نانو اكسيد روي
اگر اكسيد روي با بخشي از CaO جايگزين شود باعث پايداري فاز C3S مي‌شود و اضافه كردن ۵% مول نانو اكسيد منتج به بالاترين مقاومت فشاري يعني مقاومتي در حدود ۱۶۶ مگاپاسكال خواهد شد.
نانو سيمانهاي حاوي نانو اكسيد روي
اگر اكسيد روي با بخشي از CaO جايگزين شود باعث پايداري فاز C3S مي‌شود و اضافه كردن ۵% مول نانو اكسيد منتج به بالاترين مقاومت فشاري يعني مقاومتي در حدود ۱۶۶ مگاپاسكال خواهد شد.
نانو بتن
يكي از چالشهايي كه در رشته مصالح ساختماني بوجود آمده است ، توليد بتنهاي با عملكرد بالا ، مقاومت زياد و دوام در برابر شرايط نامناسب جوي مي‌باشد. ا ين نوع بتن‌هاي مقاوم ، از مخلوط سيمانهاي مقاوم بهمراه ساير افزودنيها ساخته مي‌شوند.
استفاده از خاكستر بادي ، الياف ، ميكرو سيليس ، پليمرها به عنوان افزودني باعث بهود خواص بتن ، افزايش مقاومت ، دوام بيشتر و سايش كمتر و مقاومت در برابر خوردگي مي‌شود. مواد نانو ساختار نيز با توجه به رفتارهاي بارزي كه از خود نشان داده‌اند ، مورد توجه بخش صنعت و دانشگاه در دهه‌هاي اخير قرار گرفته‌اند. در اين ميان صنعت بتن نيز با توجه به نيازهاي خود چه از نظر استحكام ، مقاومت و دوام و نيز كارايي بالا ، از استفاده كنندگان مهم مواد نانو ساختار مي‌باشد.
خواص ، رفتار و عملكرد بتن بستگي به نانو ساختار ماده زمين بتن و سيماني دارد كه چسبندگي ، پيوستگي و يكپارچگي را بوجود مي‌آورد. بنابراين ، مطالعات بتن و خمير سيمان در مقياس نانو براي توسعه مصالح ساختماني جديد و كاربرد آنها بسيار حائز اهميت مي‌باشد.

با استفاده از نانو ذرات در بتن مي‌توان خواص ديگري از جمله خاصيت الكترومغناطيسي و قابليت به كارگيري در سازه‌هاي اتمي (محافظت از تشعشعات) و حفظ انرژي ساختمانها و … را كنترل نمود.
با توجه به مقاومت بالا در برابر خوردگي و سايش در مناطقي كه نياز به استفاده از بتونهاي با كارايي بالا مي‌باشد‌، براي مثال باندها، فرودگاه، پلها، ساختمانهاي بلند (آسمان خراشها) و پاركينگها كاربرد زيادي دارند. همچنين با توجه به اينكه مي‌تواند از نانو ذراتي در بتون استفاده نمود كه جلوي تشعشعات راديو اكتيو را بگيرد، از اين نوع بتن‌ها در ساخت بلوكهاي نگهداري ضايعات هسته‌اي نيز استفاده مي‌شود. بكارگيري فناوري نانو در بتن به دو طريق انجام مي‌گيرد.
۱- استفاده از نانو سيمان

۲- استفاده از نانو افزودنيها (كربن ناتيوپ ، نانو تيتانيوم اكسيد ، نانو الياف ، نانو سيليس)
با توجه به تأثيرافزايش نانو ذرات در سيمان و بهبود خواص سيمان ، مشخص است كه استفاده از نانو سيمان‌ها در بتن نيز باعث بهبود خواص بتن مي‌شود در ادامه به بررسي تأثير انواع نانو افزودنيها و نانو سنگ دانه‌ها پرداخته خواهد شد.
[۱] Li Hui, Xiao Hui-gang, Yuan Jie, Ou Jinping. Microstructure of ement mortar with nano-particle. Composites particles. Composites Part B: Engineering 2003;35 www.siencedirect.com (march)
2- مترجم عليرضا نادرپور نانو تكنولوژي بخشي از آينده نيست همه آينده است.
۳- كاربرد نانو تكنولوژي در صنعت نفت
۴- كاربرد كربن نانو تيوپ ، گزارش شركت نفت در همايش فناوري نانو
[۵] Byung-wan Joa, Chang-Hyun Kima,* , Ghi-ho Taeb. Characteristics of cement mortar with nano-SiO2 particles, Jong-Bin parka 2005. www.siencedirect.com
[6] Zhenhua Li a , Huafeng Wang a , Shan He a , Yang Lu a , Miao Wang b

Investigations on the preparation and mechanical properties of the nono-alumina reinforced cement composite-2005. www.siencedirect.com
[7] D.D. Chung, Mentals and Material International 10″ (2004)55.
www.siencedirect.com
[8] D.D. Chung Journal of Material Science 37(2002)673. www.siencedirect.com
[9] m. Tang, H.J.Ba, Y.Li, Hournal of the Chinese Ceramic Sociey 31(203)523.
www.siencedirect.com

[۱۰] Hui Li * , Hui-gang Xiao, Jin-ping Ou, A study on mechanical and pressure- sensitive properties of cement mortar with nanophase materials-2003.
www.siencedirect.com
[11] Wen-Yih Kuo, Jong-Shin Huang * , Chi-Hsien Lin, Effects of organo-modified montmorillonite on strengths and permeability of cement mortars. 2005. www.siencedirect.com

ساختمان تيوب
ميتوان كربن نانوتيوبها را نوع اصلاح و تغيير شكل يافته گرافيت تصور كرد. گرافيت از لايه‌هاي بسيار زياد اتمهاي كربن كه بر فرم شش گوش بهم متصل و ورقه‌هاي مسطحي را تشكيل مي‌دهند شكل گرفته است. پيوند بين لايه‌ها ضعيف و پيوند بين اتمها قوي مي‌باشد.
CNT را مي‌توان ورقه يا ورقه‌هايي از گرافيت تصور كرد كه لوله شده باشند. CNT ميتواند به شكل نانو تيوبهاي تك جداره SWNT ، مثل يك ورقه لوله شده يا چند جداره MWNT شبيه به چند ورق كه با هم لوله شده باشند موجود باشد.
بتن در مقياس نانو :
بتن از جمله مواد خلل و فرج دار است و اين منافذ در مقياس نانو صورت مي‌گيرد. واكنش شيميايي كه بين سيمان ـ آب ايجاد مي‌شود در مقياس نانو است. اين منافذ نانو ، خصوصيات محصول

هيدراته سيليكا ـ كلسيم را كنترل مي‌كند به همين دليل بتن از بعضي جهات يك ماده نانو است. حملات شيميايي از طريق منافذ بتن به فولاد درون آن نفوذ مي‌كند و آن را اكسيد مي‌كند كه باعث خورندگي ، ترك و در نهايت شكست بتن مي‌شود و به همين دليل ميكرو ساختار بتن شايسته توجه بيشتري است.
مخلوطي بتني كه حاوي نانو ساختار فومد سيليكا (Fomed Silca) هستند (محصول فرعي توليد شيشه صنعتي) ،