EN ورود به کارتابل افراد ثبت نام افراد ورود نهادهای ترویجی
5030
filereader.php?p1=main_bc1e1db923366e12a

موضوع: کاربردهای فناوری نانو

فصل: فناوری نانو در صنعت ساختمان


بخش‌ اول: کاربرد فناوری نانو در بهبود خواص مکانیکی و خواص سطحی مصالح ساختمانی
بخش دوم: بهبود خواص ظاهری شیشه‌های ساختمان
بخش سوم: بهبود خواص عملکردی شیشه‌های ساختمان


بخش اول: کاربرد فناوری نانو در بهبود خواص مکانیکی و خواص سطحی مصالح ساختمانی


نویسندگان: اسماعیل نوروزی، محسن افسری ولایتی



مقدمه

با گسترش روز افزون جمعیت و افزایش میزان ساخت‌وساز و همچنین به دلیل محدود بودن منابع و مصالح مصرفی، تقاضا برای استفاده از مصالح جدید در صنعت ساختمان افزایش پیدا کرده است. تلاش در جهت پیدا کردن راه حل‌هایی برای اصلاح کیفیت، افزایش کارایی مصالح و کاهش مصرف ماده خام و انرژی، موجب استفاده از فناوری‌های نوین در این صنعت شده است. یکی از بزرگ‌ترین فناوری‌های نوین در قرن حاضر فناوری نانو است که استفاده از آن در راستای برطرف کردن نیازهای صنعت ساختمان، می‌تواند راهگشا باشد. از مزایای استفاده از این فناوری می‌توان به افزایش کیفیت مصالح، صرفه‌جویی در مصرف انرژی و به تبع آن صرفه‌جویی اقتصادی اشاره کرد. در ادامه به برخی از کاربردهای فناوری نانو در صنعت ساختمان به طور خلاصه اشاره شده است.


1- افزودن نانومواد جهت افزایش استحکام سیمان و بتن

بتن (یک محصول مصنوعی ساخته شده از سیمان، مکمل¬های بتن مانند شن، ماسه و آب) با تولید سالانه بالغ بر 10 میلیارد تن در سراسر جهان، فراوان‌ترین کالایی است که به وسیله بشر تولید می¬شود و مهم¬ترین مصالح ساختمانی است که در ساخت و سازها بکار می¬رود.
طبق رابطه‌ی هال-پچ افزودن حتی مقدار جزئی از فاز دوم در یک ماده زمینه باعث افزایش استحکام مکانیکی می¬شود:


filereader.php?p1=main_2e73a057e6c20280d

در رابطه فوق σf استحکام نهایی شکست، σy نقطه استحکام تسلیم (تنشی که قبل از آن ماده رفتار الاستیک و بعد از آن رفتار مومسان دارد) و d اندازه‌ی قطر ذرات است که توان منفی نشان می‌دهد هر چه قطر ذرات کم‌تر باشد، استحکام ایجاد شده بیش‌تر است؛ یعنی افزودن مواد با ابعاد نانو تأثیر شگرفی بر استحکام نهایی فاز زمینه دارد. در شکل زیر شماتیک افزایش استحکام با کاهش اندازه ذرات مشخص شده است:


filereader.php?p1=main_38b3eff8baf566274

شکل1: نمودار تأثیر اندازه ذرات فاز اضافه شونده بر استحکام


در شکل 1 مشخص است که افزایش استحکام در ماده منجر به دو نوع رفتار از ماده می‌شود:
1- رفتار الاستیک (که در تنش‌هایی قبل از تنش تسلیم رخ می‌دهد)
2- رفتار پلاستیک (مومسان) که در تنش‌هایی بیش از تنش تسلیم رخ می‌دهد.


فکر کنید:
با توجه به اینکه به نظر می‌رسد سیمان و بتن از استحکام قابل قبولی جهت تکمیل پروژه‌های ساختمانی برخوردار است، ضرورت استفاده از افزودنی‌ها (شامل افزودنی‌های نانو) برای افزایش استحکام در آنها چیست؟ همچنین درباره بهبود دیگر رفتارهای بتن‌ها و سیمان‌ها با افزودن نانوافزودنی‌ها فکر کنید.

نمونه حل شده

برای افزودن یک نانوماده به سیمان یا ماده اولیه یک بتن از تعریف بچ استفاده می‌شود. منظور از یک بچ (=آمیز) یک ترکیب مناسب و دلخواه از تمام افزودنی‌ها به زمینه است. معمولاً در محاسبه مقدار بچ از دو نوع تعریف علمی استفاده می‌شود:
1- درصد وزنی که عبارت است از نسبت وزن جزء به مجموع وزن کل
2- درصد مولی که عبارت است از کسر مولی جزء به مجموع مول-های موجود

فرض کنید یک سیمان پورتلند با تنش تسلیم 400 مگا‌پاسکال در دست است، استفاده از 15 درصد وزنی نانوسیلیکا با اندازه ذرات 25 نانومتر استحکام شکست این سیمان را چقدر بالا می-برد؟
لازم به ذکر است پارامتر Ky از طریق آزمایشات و رسم نمودارهای استحکام بدست می‌آید که برای این سیمان برابر با 0/35 است.
طبق رابطه هال-پچ اندازه ذرات جزء ثانوی مهم‌ترین عامل تأثیرگذار در افزایش استحکام شکست است. استفاده از این نانوماده به اندازه 15 درصد وزنی است، یعنی اگر 100 گرم از بچ سیمان فوق در دست باشد نیاز به 15 گرم از افزودنی است، لذا در محاسبات باید 15/0 لحاظ شود.
σf = 400+ (0.15*0.35) *( 25*10-9 ) -1/2 = 732 MPa


2-انواع افزودنی‌های نانو مقیاس در صنعت بتن و سیمان

با توجه به آنکه در مهندسی سازه، وزن سازه‌ها جزء نکات کلیدی است، مهندسان عمران به دنبال استفاده از بتن‌های سبک-تر و با استحکام بالاتر هستند. فناوری نانو از طریق به کارگیری نانوپودرها به عنوان مواد مکمل در مخلوط بتن یا سیمان باعث بهبود در مقاومت، استحکام و فرآیندپذیری مصالح شده و تغییر در خواص دیگری مانند حفاظت الکترومغناطیسی، محافظت گرمایی، کنترل هدایت حرارتی، تغییر رنگ و واکنش‌های کاتالیستی می‌گردد.
افزودن سیلیکای کلوئیدی (که در بازار به نام سیلیکاژل معروف است) با pH اسیدی 2 تا 5 که اندازه ذراتش به طور معمول در محدوده 5 تا 30 نانومتر است، سبب بهبود تراکم ذرات می‌شود و با ایجاد پیوندهای جانبی، استحکام بتن را افزایش می‌دهد. همچنین از آنجایی که سیلیکای کلوئیدی ماهیت آب¬گریزی دارد، از نفوذ آب به درون بتن نیز جلوگیری می‌کند.


پیوند جانبی:
مقصود از پیوند جانبی در بند فوق، پیوندهای شیمیایی ثانویه است. بطور کلی دو نوع پیوند در شیمی وجود دارد: 1- پیوند اولیه که بین دو عنصر ایجاد می¬شود (یونی، کئووالانسی و فلزی) 2- پیوند ثانویه که معمولا بین دو مولکول ایجاد می¬شود (واندروالس و هیدروژنی). پیوند هیدروژنی بین هیدروژن و یکی از سه عنصر اکسیژن، فلوئور یا نیتروژن است؛ از آنجایی که در سیلیکا ژل پیوندهای زیادی از اکسیژن و هیدروژن است، به راحتی با سوپرمولکول¬های بتن پیوند ثانوی ایجاد کرده و استحکام را زیاد می¬کند.

در شکل 2 یک ذره کروی از سیلیکا کلوئیدی نمایش داده شده است:


filereader.php?p1=main_ec8956637a99787bd

شکل 2: یک ذره کروی از سیلیکا کلوئیدی


از دیگر افزودنی‌های بتن می‌توان به نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم اشاره کرد که استفاده از آن سبب ایجاد خاصیت خودتمیزشوندگی بتن شده، رنگ سفید و درخشندگی به بتن می‌بخشد. همچنین به دلیل ماهیت ضدعفونی‌کنندگی این نانوماده احتمال فرسایش بتن ناشی از فعالیت‌های باکتری‌های هوازی کم‌تر می‌شود.
لازم به ذکر است وجود نانوذرات هماتیت (Fe2O3) نیز سبب افزایش مقاومت بتن می‌شود. از این افزودنی نانویی می‌توان به عنوان یک تسلیح کننده مناسب، با قابلیت پل زدن بین ترک‌ها و کاهش ابعاد و تغییر شکل ترک‌ها و بهبود رفتار چقرمگی ماده استفاده کرد.


بیشتر بدانید:
مواد از لحاظ مقاومت در برابر تغییر شکل به دو دسته می‌شوند: 1-مواد ترد (شکننده) مثل اغلب سرامیک‌ها (مثل سیمان) و کامپوزیت‌ها (مثل بتن) 2- مواد نرم (چکش‌خوار) مثل اکثر فلزات و آلیاژها. در مواد ترد معمولا با افزایش استحکام ماده شکنندگی ماده می‌شود. افزایش چقرمگی یعنی افزایش استحکام تا حد شکست. یعنی یک ماده چقرمه هم استحکام بالایی دارد و هم شکنندگی کمی دارد.
با توجه به آنکه شکست ماده ترد اغلب از رشد ترک-های درونی ماده است می‌توان با افزودنی‌های مناسب جلوی رشد ترک را گرفت تا ماده در تنش‌های بالاتری دچار شکست شود (استحکام شکست بالاتر رود).

3- نانوکامپوزیت‌های خاک رس

کانی‌های رسی به وفور در طبیعت یافت می‌شوند. از قدیم‌الایام از این کانی‌ها به دلیل پلاستیسته‌ی بالای و ماهیت هیدرولیک آنها به عنوان پرکن در مصالح ساختمانی استفاده می‌شود.


مواد هیدرولیک:
مواد هیدرولیک موادی هستند که استحکامشان با جذب آب بالا رفته و می‌توان از آنها به عنوان چسب استفاده کرد. از نمونه‌های بارز مواد هیدرولیک می‌توان به سیمان اشاره کرد. با توجه به تئوری‌های علمی جذب، اندازه ذرات نقش مهمی در میزان جذب دارد؛ هر چه اندازه ذرات یک پودر کوچک‌تر باشد سطح ویژه آن بیش‌تر شده و جذب در آن بالا می‌رود. برای جذب آب و سخت شدن پارامتر پلاستیسیته معرفی شده است. طبق تعریف ماده‌ای که آب بیشتر جذب می‌کند پلاستیسیته داشته و کارپذیری (مدت زمان شکل‌دهی خمیر حاصل از جذب آب) بالاتری دارد.

با توجه به نکته مذکور بالا استفاده از نانوکامپوزیت‌های خاک رس در مصالح مختلف می‌توان بهبود خواص مکانیکی، افزایش سختی بدون کاهش میزان شکل‌پذیری، مقاومت در برابر گرما و عوامل شیمیایی، کارپذیری مناسب، قابلیت بازیافت را نام برد.
با توجه به آنکه کانی‌های رسی جزء سرامیک‌ها بوده و در برابر حرارت مقاوم است، استفاده از آن باعث افزایش مقاومت در برابر حرارت می‌شود. کاهش عبورپذیری گازهای مختلف مانند اکسیژن، بخار آب و دی اکسید کربن نیز از جمله مزایای بهره‌گیری از نانوکامپوزیت‌ها است. از محاسن مهم نانوکامپوزیت‌های خاک رس آن است که از نظر نوری شفاف و تقریباً بی‌رنگ هستند.


4- نانوپوشش‌ها برای بهبود خواص سطحی مصالح:

از جمله نانوپوشش‌ها می‌توان به پوشش‌های سنگ و چوب، پوشش آجرها، سرامیک‌ها و کاشی‌ها، پوشش‌های سطوح بتنی و پوشش سیمان‌های الیافی اشاره کرد. مهم ترین مزایای استفاده از نانوپوشش‌ها عبارت است از ایجاد پوشش عایق مناسب، عدم نفوذ عوامل خوردگی به داخل این پوشش‌ها، افزایش مقاومت در برابر انتقال حرارت، افزایش مقاومت در برابر خوردگی، سایش و پوسیدگی و خاصیت خود تمیز شوندگی این سطوح.



filereader.php?p1=main_6974ce5ac660610b4

شکل3: اثر افزودنی‌ها بر سیمان به کار رفته در بتن


از افزودنی‌های تجاری جهت بهبود خواص سطحی مصالح می‌توان به لوتوس اشاره کرد. این نانوپوشش‌های ضدباکتری، مقاوم در برابر آب، هوا، مواد آلی و غیرآلی هستند و یکی از پوشش‌های اصلی برای مصالح ساختمان به شمار می‌روند. موارد مصرف لوتوس عبارتند از:


1- سطوح چوبی

نانوپوشش‌های سنگ و چوب، علاوه بر استفاده در سطوح چوبی معمولی برای سطوح چوبی جلادار و سطوح چوبی رنگ شده هم مورد استفاده قرار می‌گیرند. در سطوح چوبی جلادار سه ماه پس از اعمال جلا مورد استفاده قرار می‌گیرند و برای سطوح چوبی رنگ شده از نانوپوشش‌های چندمنظوره استفاده می‌شود.


filereader.php?p1=main_c9e1074f5b3f9fc8e

شکل4: اثر افزودنی لوتوس بر سطح یک چوب


2- آجر و سرامیک

درخت‌های بزرگ اطراف ساختمان‌ها با به جا گذاشتن آثار خود بر روی سطوح ساختمان‌ها باعث می‌شوند نمای ساختمان‌ها به مرور زمان رنگ سبز درختان را به خود گرفته و برای تمیز کردن آنها می‌بایست از ابزار تمیزکننده با فشارهای قوی استفاده شود؛ اما این عمل نیز باعث می‌شود پس از چند ماه در سطح ساختمان چسبندگی بیشتری ایجاد شود و سریع‌تر و راحت‌تر از قبل کثیفی‌ها را به خود جذب کنند در این گونه موارد نیز استفاده از نانوپوشش‌های سنگ و چوب ضروری به نظر می‌رسد.


5- نتیجه‌گیری

فناوری نانو، از جمله فناوری‌های نوینی است که کاربردهای مهم و ارزشمندی در صنایع مختلف از جمله صنعت ساختمان دارد. دانش تولید و کاربرد فرآورده‌های نانویی به طور روز افزون در حال توسعه و پیشرفت است. از جمله کاربردهای فناوری نانو در صنعت ساختمان همان طور که ذکر شد، می‌توان به افزودنی‌های بتن‌ها و سیمان‌ها اشاره کرد. این فناوری خواص مصالح را بهبود می‌بخشد و ویژگی‌های مطلوبی را در آنها ایجاد می‌کند. در بسیاری از موارد استفاده از این فناوری توجیه اقتصادی دارد. برخی از انواع فرآورده‌های نانویی در کشور وجود دارد و می‌تواند به راحتی خریداری شود و مورد استفاده قرار گیرد. لیکن، همانند تمام فناوری‌های نوین، قبل از استفاده باید مورد بررسی و تحقیق کافی قرار گیرد و به رعایت استانداردهای بین‌المللی در ارتباط با نوع مواد و روش استفاده از آنها توجه کافی شود. جهت کسب اطلاعات بیشتر در این خصوص، می‌توانید به منابع مذکور در خاتمه این بخش مراجعه کنید.






filereader.php?p1=main_bcd1b68617759b1df filereader.php?p1=main_fbaedde498cdead4f





منابع


1. Surinder Mann, "Nanotechnology and Construction", European Nanotechnology Gateway, 2006
5. E.Bell, Trudy, "Understanding Risk Assessment of Nanotechnology", 2007