بررسی و دستکاری خصوصیات درونی در مقیاس نانومتر در ماده برای به دست آوردن خواص استثنایی و عملکرد مواد، یکی از فعال ترین زمینه های تحقیق کنونی است. پتانسیل کاربرد فناوری نانو در مصالح ساختمانی سیمان، بسیار زیاد است. در حال حاضر کارردهای فناوری نانو در مواد سیمانی در زمینه های مختلف از جمله ساخت جاده های بتنی مورد بررسی قرار گرفته است. فناوری نانو دارای پتانسیل بسیار بالایی است که نسل جدیدی از بتن قوی تر و با دوام تر، با رفتار مورد نظر تنش- فشار و احتمالا طیف وسیعی از خواص تازه معرفی شده را به همراه داشته باشد. بهبود رفتار خمشی بتن ممکن است موجب کاهش ضخامت بتنی مورد استفاده در ساخت روسازی بتن شود.
روسازی بتن
فناوری نانو دارای توان بالقوه و توانایی بسیار بالایی برای کنترل خصوصیات مواد از جمله مواد بتنی بر سیمان می باشد. این علم ذرات بسیار کوچک است که با مطالعه و استفاده از مواد و دستگاه هایی که در مقیاس نانومتر مانند یک میلیاردم متر و یا 10-9 متر هستند، بررسی می شود. یک نانومتر آنقدر کوچک است که ما نمی توانیم چیزی در آن اندازه،بدون استفاده از میکروسکوپ های بسیار قدرتمند (که برای چیزهایی که بسیار کوچک هستند یعنی اتم ها و مولکول ها استفاده می شوند) ببینیم. این بیشتر در مورد استفاده از خواص جدیدی است که تنها به علت مقیاس نانو و تولید اجزای مفید یا کاربردی بوجود می آید و در این مقیاس بسیار متفاوت از زمانی که آنها در شکل بزرگتر هستند، می باشد. با استفاده از این تکنولوژی محصولات ساخته شده، پایدارتر، پاک تر، ایمن تر و دقیق تر می باشند و در زمینه های متنوعی مثل پزشکی، کشاورزی، ارتباطات و صنعت استفاده می شود.
کامپوزیت های شبه سیمانی
فناوری نانو برای ایجاد مواد، دستگاه ها و سیستم های جدید در سطح مولکولی، نانو و میکرو مورد استفاده قرار می گیرد. علاوه به مفهوم فناوری نانو برای کامپوزیت های سیمان پرتلند به طور پیوسته در حال رشد است. بیشترین گزارش تحقیقاتی در مورد کاربرد فناوری نانو در سیمان مواد در رابطه با پوشش یا افزایش خواص مکانیکی و الکتریکی است. برخی از نانو ذرات که به طور گسترده ای در صنایع بتن سیمانی استفاده می شوند عبارتند از دی اکسید تیتانیوم (TiO2)، نانوسیلیکا (SiO2SiO2)، آلومینا (Al2O3)، نانو لوله کربنی (CNT) و غیره. فعال ترین زمینه های تحقیقاتی مربوط به سیمان و بتن عبارتند از: درک هیدراتاسیون ذرات سیمان و استفاده از مواد تشکیل دهنده نانو مانند آلومینا و ذرات سیلیس. یک مقیاس معمول از ترکیبات مختلف بتن معمولی در شکل 3 آمده است.
مقیاس بعد مواد تشکیل دهنده بتن
اندازه متوسط ذرات سیمان پورتلند حدود 50 میکرون است. در برنامه هایی که نیازمند محصولات نهایی نازک و زمان چیدمان سریع تر هستند، سیمان میکرو با حداکثر اندازه ذرات حدود 5 میکرون استفاده می شود. شناختن ساختار و خصوصیات مواد در مقیاس نانو، توسعه برنامه های کاربردی جدید و محصولات جدید را برای ترمیم یا خواص مواد ساختمانی بهبود بخشد. به عنوان مثال، ساختار ژل کلسیم سیلیکات هیدرات (C-S-H) که مسئول خواص مکانیکی و فیزیکی خمیر سیمان است، عبارتند از انقباض، خزش، تخلخل، نفوذپذیری و کشش. ژل C-S-H را می توان اصلاح کرد تا دوام بیشتری به دست آورد. مواد سیمانی حاوی نانو لوله های کربنی می توانند برای تقویت و افزایش خواص الکتریکی و الکترونیکی بتن علاوه بر خواص مکانیکی آنها استفاده شوند. توسعه بتن هوشمند با استفاده از نانو لوله های کربنی ساده تر خواهد بود. اگر ذرات نانو سیمان را بتوان با نانو لوله ها و قطعات سیلیکا نانو اندازه گیری کرد؛ رسانایی، قدرت، سختی، انعطاف پذیری، کامپوزیت های مبتنی بر سیمان را می توان با خواص افزایش یافته، برای برنامه های الکترونیک و پوششی، بکار برد.
لوله های نانوکربنی
نانو بتن
نانو بتن به عنوان یک بتن ساخته شده با ذرات سیمان با اندازه های مختلف از چند نانومتر تا حداکثر 100 میکرومتر تعریف شده است. مواد نانو، مواد تشکیل دهنده با حداقل یک بعد در اندازه نانومتر هستند. بنابراین برای رسیدن به سیمان نانوپورتلند، اندازه ذرات باید کاهش یابد. اگر این ذرات نانو سیمان را بتوان با نانولوله ها و نانو ذرات سیلیکا واکنش داد، کامپوزیت های مبتنی بر سیمان قوی، سخت و انعطاف پذیر، با خواص افزایش یافته، برای کاربردهای الکترونیکی ایجاد می شوند. همچنین اطلاعات محدودی درباره تولید نانوساختار وجود دارد. اگر سیمان با ذرات اندازه نانوگیری بتواند تولید و پردازش شود، فرصت های زیادی را در زمینه های کامپوزیت های مبتنی بر سیمان ایجاد می کند. فالیت های پژوهشی فعلی در بتن با استفاده از نانو سیمان و نانوسیلیکا شامل موارد زیر است:
- مشخصات هیدراتاسیون سیمان
- تاثیر افزودن سیلیکا نانو به بتن
- سنتز سیمان با استفاده از نانو کامپوزیت ها و پوشش ها (برای حفاظت از بتن).
ویژگی های نانو بتن می تواند برای ایجاد محصولات منحصر به فرد، موثر باشد، که همچنین می تواند به اشکال پیچیده در بیاید. نانوبلورهای حاوی نانو لوله ای کربنی می توانند برای تقویت و ایجاد مدارهای الکتریکی استفاده شوند. محققان ادعا می کنند که عمر مفید بتن می تواند با استفاده از یک افزودنی نانو سایز که باعث کند شدن حمل و نقل تداخلی یون در بتن می شود، دو برابر شود. آنها تصور می کنند به جای تغییر اندازه و تراکم منافذ در بتن، "بهتر است که ویسکوزیته محلول را در بتن تغییر دهیم تا سرعت را کاهش دهیم که در آن کلرید و سولفات ها وارد بتن می شوند. شنا در یک استخر عسل بیشتر از یک استخر آب طول می کشد". پژوهشگران نشان داده اند که نانو افزودنی ها می توانند به طور مستقیم با مواد شیمیایی بتن مخلوط شوند، اما در مورد عملکرد بهتر، هنگامی که مواد افزودنی مخلوط می شوند بتن با شن و ماسه سبک جاذب و اشباع کننده، دیده می شود. ادعا شده است که تمام نمونه ها برای مواد CSH، بدو�� توجه به نمونه ائلیه خواص واحدی را نشان داده اند. ین به علت کد ژنومی ماده شناخته شده است که قدرت خمیر سیمان یک تابع از مواد معدنی خاص نیست، اما مربوط به طرز چیدمان نانوذرات است. پروفسور فرانتس جوزف اولم از مهندسی مدنی و محیطی در MIT گفت: "اگر همه چیز بستگی به ساختار ساختاری نانو ذراتی داشته باشد که بتن را می سازند، نه به خود مواد، ما احتمالا می توانیم آن را با یک ماده ای که ویژگی های دیگر بتن را دارد (قدرت، دوام، دسترسی به توده و هزینه کم)، اما در طول تولید، CO2 خیلی زیادی آزاد نمی کند، جایگزین کنیم.
فوم نانوسیلیکا و بهبود عملکرد بتن
نانوسیلیس شایع ترین افزودنی نانو به بتن است. گزارش شده است که نانوسیلیکا بسیار موثرتر از میکرو سیلیکا برای بهبود خصوصیاتی مانند نفوذپذیری و دوام است. علاوه بر این، مقدار حدود 15 تا 20 کیلوگرم نانوسیلیکا به اندازه 60 کیلوگرم از مصالح معمولی و یا میکرو سیلیکا به همان میزان مقاومت می کند. نانوسیلیکا افزودنی های موثر برای پلیمرها وب تن ها است. تاثیر مثبت آن در بتن های توانمند و همچنین بتن های خود متراکم نیز به اثبات رسیده است. افزودن نانوسیلیس به مواد بتنی بر سیمان، تخریب واکنش اساسی C-S-H (کلسیم- سیلیکات- هیدرات) در آب و همچنین نفوذ آب به بلوک را کنترل می کند و منجر به افزایش دوام می شود. افزودن ذرات نانو سیلیس، چگالی و مقاومت بتن را افزایش می دهد. نتایج نشان می دهد که نانوسیلیکا نه تنها به عنوان یک پرکننده برای بهبود بتن با خاکستر بادی، به حساب می آید. در نهایت می توان به طور کلی اذعان کرد که بدون خاکستر بادی و یا به همراه آن، عملکرد بتن با افزودن مقادیر متغیری از نانوسیلیکا بهبود پیدا می کند.
پوشش برای بتن
یکی دیگر از کاربردهای بسیار وسیع فناوری نانوتولید نانو پودرهای شبه سیمانی به عنوان پوشش است. امروزه مشخص شده است که رنگ زیبای شیشه های تولید شده در چک به علت استفاده از نانو ذرات است. این نشان می دهد که استفاده از فناوری نانو برای پوشش سطوح مانند اسپری کردن و ایجاد ظاهر زیبا برای محصول از زمان های قدیم استفاده شده است. پودرهای نانو دارای سطح قابل توجهی هستند. این مصالح باعث ایجاد تغییرات چشمگیر در سطح انرژی و همچنین مورفولوژی سطح می شوند. تغییر در خواص موجب بهبود قابلیت کاتالیزوری، توانایی سنجش طول موج قابل تنظیم و طراحی رنگدانه ها و رنگ های بهتر با ویژگی خود- تمیزشونده و خود- ترمیمی می گردد. یکی از زمینه های امیدوار کننده استفاده از نانو ذرات برای مواد مبتنی بر سیمان برای توسعه پوشش خود- تمیزشونده است. اکسید تیتانیوم معمولا برای این منظور استفاده می شود. این ماده به عنوان ذرات نانو برای جلوگیری از نور UV استفاده می شود. این ماده به رنگ ها، سیمان و پنجره ها خواص استریلیزاسیون اضافه می کند. زیرا TiO2 از طریق واکنش های کاتالیستی قدرتمند آلاینده های آلی، ترکیبات آلی فرار و غشاء باکتری را تجزیه می کند و می تواند آلودگی های هوا در برابر سطوح بیرونی را کاهش دهد. علاوه بر این، آن را هیدروفیل می کند و در نتیجه خواص خود- تمیز کردن را به سطحی که روی آن مالیده می شود، می دهد. در تصویری از این سطوح نشان داده شده است.
کامپوزیت ها با پوشش نانو
به علت افزایش حجم زیاد در سطوح خاص، ذرات نانو سیمان بسیار واکنش پذیر هستند و منجر به تولید گرمای زیادی در طی فرآیند هیدراتاسیون می شود. برای کنترل و تنظیم گرمای هیدراتاسیون باید از مواد افزودنی ویژه آلی و معدنی استفاده شود. برای پوشش های نانو، خواص پوشش ها خود نیاز به تحقیق گسترده ای دارد. طول عمر پوشش ها در شرایط مختلف، مقاومت در برابر سایش، مقاومت اصطکاکی، مقاومت در برابر حرارت بالا، حالت های شکست و ویژگی های الکتریکی باید با استفاده از آزمایش های جامع ثابت شود. علاوه بر این، هزینه های زیادی برای تجهیزات لازم برای مطالعه رفتار نانو سیمان و افزودنی نانو در مصالح سیمانی مورد نیاز است.