كاربرد نانو تكنولوژی در بتن

كاربرد نانو تكنولوژی در بتن

 

چكيده

از آنجايي كه دانش نانو و فناوري نانو يك زمينه ي فرارشته اي و فرابخش مي باشد علم ها و صنايع متعدد از جمله مهندسي عمران متاثر از اين فناوري شده‌است. به وسيله ي مطالعات آزمايشگاهي صورت گرفته روي بتن با نانو سيليس رفتار اين ذرات مورد بررسي قرار گرفته كه جداول و ارقام نشانگر اين می باشند كه ذرات نانو منجر بهبود خاصیت بتن مي شوند.

 

پیشگفتار

شايد توان نگرش جديد هزاره ي سوم در علم ها فناوري را نانو دانست . فناوري نانو سبب شده‌است تا علم ها متفاوت با ديدگاههاي مبتني بر اين فناوري توسعه و گسترش و پيشرفت شگرفي را شاهد باشند و از آنجايي كه دانش نانو و فناوري نانو يك زمينه ي فرارشته اي و فرابخش مي باشد علم ها و صنايع گوناگون از جمله مهندسي عمران متاثر از اين فناوري شده‌است كه اول مقاله به كاربرد اين ذرات در بتن پرداخته گردیده و در زمينه ي عواملي زیرا نفوذ پذيري آب در بتن مقاومت سايشي مقاومت فشاري و انعطاف پذيري در بتن روسازي آیتم مطالعه قرار گرفته كه اول به افزايش مقاومت در قبال نفوذ پذيري آب در بتن با بكارگيري نانو سيليس مي پردازد .

در اين آزمايش به مقايسه ي دو نوع بتن پرداخته مي شود 1. بتن با نانو سيليس 2. بتن معمولي كه براي تهيه اين دو دسته بتن از شن و ماسه هاي خوب دانه بندي گردیده مصرف شده كه با حداكثر اندازه ي mm25-5 و با مدول نرمي 7/2 از روان ساز اعلاء يا (super plusticizer) طوري اضافه مي شود که اسلامپ بين دو نوع بتن برابر شود و نسبت ادغام كردن ذرات بتن در جدول شماره ي يك براي يك متر مكعب بتن و بر پایه ی اندازه گيري رطوبت آمده شده‌است .

جدول شماره 1_ نسبت اخطلاط ذرات بتن برای يك متر مكعب

نانو سیلیس kg/m3	سیمان kg/m3	خاکستر kg/m3	آب kg/m3	ماسه kg/m3	شن kg/m3	روان ساز kg/m3	حجم kg/m3 اعلاا
بتن معمولی	0	389	80	190	645	100	2/5	2418
بتن با نانوسیلیس	13/9	370	79	188	647	1088	13/5	2400

هر دو نوع بتن در قالبهاي مكعبي به اندازه ي cm15×15×15 ريخته مي شوند و بعد از 24 ساعت كه شكل گرفته از قالب ها بيرون آورده گردیده و براي عمل آوردن و نگهداري بتن در كابيني با رطوبت 95 % و دمايي نزدیک به 3+20 یا این که 3-20براي 28 روز نگهداري مي شود در اين آزمايش مقاومت فشاري بتن اندازه گيری ميشودكه اعداد به دست آمده در اين آزمايش براي هردو بتن در جدول شماره ي 2 نشان داده شده‌است .

براي آزمايش نفوذ پذيري بتن از سيلندرهايي به ارتفاع mm150 كه قطر يك سر آن mm175 و قطر سر ديگر سيلندر mm185 براي اندازه گيري نفوذ پذيري بتن با نانو سيليس و بتن معمولي استفاده شده هر كدام از اين دو مدل بتن در شش سيلندر ريخته گردیده و بعداز 24 ساعت شكل مي گيرند و براي curing يا نگهداري بتن آن را در يك كابين در ابتدا آب با فشار mpa1/0 به كف بتن ها پاشيده مي شود بعداز 8 ساعت mpa1/0 به فشار آب اضافه مي شود

در صورتی روي سطح بتن لكه هاي آب ديده شد پديده ي رسوخ آب در بتن انجام یافته و چنانچه بين پديده در سه سيلندر از شش سيلندر پديدار شود آزمايش متوقف مي شود و فشار آب ثبت مي شود در انتهاي آزمايش سيلندرها از دستگاه بيرون آورده مي شود و هر كدام از آنها‌را دو نصف مي كنند تا ميزان عمق نفوذ آب در بتن اندازه گيري شود در بتن هاي معمولي در فشار mpa 5/0 در سه سيلندر اين پديده روئيت شد و در بتن هاي با نانو سيليس اين پديده در فشار mpa 2/3 در سه سيلندر اتفاق افتاد و بعد از آن آزمايش متوقف شد ، كه عمق متوسط نفوذ پذيری در بتن معمولي cm6/14 و در بتن با نانو سيليس عمق متوسط نفوذ آب در بتن cm1/8 اندازه گيري گردیده كه در جدول 2 آمده میباشد

جدول شماره 2_ مقاومت فشاري و عمق متوسط نفوذ آب

عمق متوسط نفوذ پذيري	فشار آب	مقاومت فشاري (mpa) 28 روزه	اسلامپ	نوع بتن
6/14	5/0	44	175	بتن معمولي
1/8	2/3	5/47	175	بتن با نانو سيليس

در ادامه ی بررسي ميكرو سکوپي اين دو نوع بتن از هر كدام از بتن ها تكه هايي به اندازههای mm5 با برهه زمانی نگهداري گوناگون جدا گردیده و داخلiso-proylalchohol انداخته مي شود براي متوقف كردن واكنش هيدراته شدن بتن در شكل 1 و 2 عكسهايي از بتن معمولي و بتن با نانو سيليس با زمان نگهداري 28 روزه به وسيله ي ميكروسكوپ الكتروني گرفته گردیده كه ذرات آن 2000 برابر بزرگتر گردیده اند .

و شكل شماره ي 3و4 عكسهايي به ترتيب از بتن معمولي و بتن با نانو سيليس با مدت نگهداري 180 روزه میباشد كه ذرات آن 5000 برابر بزرگ گردیده اند در عكس شماره ي يك ذرات flyash (نرم خاكستر) يا ( خاكستر آتشفشاني ) در چسب سيمان وجود دارا‌هستند شكل شماره ي 2 نشان مي دهد كه واكنش هيدراتاسيون زيادي انجام یافته و نتایج آن CSH يا كلسيم سيليكات هيدرات میباشد عكس 1 و2 ثابت مي كند كه فعاليت هيدراتاسيون قابل انعطاف خاكستر در بتن با نانو سيليس خيلي زودتر و سريعتر از بتن معمولي انجام مي گيرد .

كاربرد نانو تكنولوژی در بتن

عکس شماره _1 ميکروساختار بتن معمولی با محافظت 28 روزه

 

 

عکس شماره2 _ميکروساختار بتن نانو سيليس با مراقبت 28 روزه

 

عکس شماره ي 3 بيانگر اين میباشد كه در بتن معمولي كريستال هاي(oH)2 ca يا كلسيم هيدروكسيد هنوز وجود دارا‌هستند و عكس شماره ي 4 نشان مي دهد كه در بتن با نانو سيليس عمل هيدراتاسيون در حجم بيشتري انجام شده و به علت توليد CSH كلسيم سيليكات هيدرات بتن با نانو سيليس خيلي فشرده تر از بتن معمولي میباشد كريستال هاي بزرگتر مانند(oH)2 ca كلسيم هيدروكسيد در اين دسته بتن ناپديد گردیده اند .

كريستال هاي كلسيم هيدروكسيد به وسيله ي واكنش هاي شيميايي سيمان و آب تشكيل مي شود كه شش ضلعي میباشد به همين دليل سطح تماس دانه هاي شن و ماسه را با چسب سيمان را كاهش مي دهد و منجر نفوذ پذيري آب در بتن مي شود نانو سيليس به خاطر سطح مخصوصش فعاليت بالايي دارااست و مي تواند واكنش دهد و CSH يا كلسيم سيليكات هيدرات توليد كند و هيدروكسيد را كاهش دهد CSH منافذ را پر مي كند و بتن را متراكم نفوذ ناپذير و با دوام مي سازد .

عکس شماره3_ ميکروساختار بتن معمولی با مراقبت180 روزه

 

عکس شماره4 _ميکروساختار بتن نانو سيليس با مراقبت 180 روزه

در بتن روسازي يكي از عواملي كه مد لحاظ میباشد مقاومت سايشي اين بتن میباشد كه با آزمايش هاي گوناگون اثبات گردیده كه با اضافه كردن پلي پروپيلن مقاومت سايشي اين نوع بتن افزايش مي يابد حالا در اين آزمايش به مقايسه ي بتن معمولی و بتن نانو سيليس و بتن پلي پروپيلن پرداخته شده‌است كه كداميك مقاومت سايشي بيشتري دارا هستند .

براي تهيه ي بتن ها از سيمان پرتلند و شن و ماسه ي خوب دانه بندي گردیده با اندازه هاي بين mm 25-5 استفاده شده و از ماده مضاف UFN براي پخش شدن نانو سيليس در بتن براي بالا بردن كارايي و از هوازدا براي كاهش مقدار حباب در بتن مصرف شده میباشد در جدول شماره ي 3 نسبت ادغام كردن مواد براي يك متر مكعب آمده میباشد

كه بعد از تهيه كردن بتن ساده بتن با مواد پلي پروپيلن و بتن با نانو سيليس هر كدام را در قالبهايي به اندازه mm100×100×100 براي آزمایش مقاومت فشاري در قالب هاي mm400×100×100 براي آزمایش انعطاف پذيري و در قالبهايي به اندازه ي mm150×150×150 براي آزمایش مقاومت سايشي مي ريزيم و بعد از عمل ويبراسيون و براي خروج حبابها و فشرده شدن بتن ها و گذشت 24 ساعت براي شكل گيري در يك اتاق با رطوبت استاندارد و دماي 3+20c یا این که 3-20 نگهداری میگردند.

كاربرد نانو تكنولوژی در بتن

جدول شماره 3_ نسبت مخلوط مواد برای يك متر مكعب

اسلامپ cm	Defoamer	UNF	نانو سيليس	پلي پروپلين	شن	ماسه	سيمان	آب	(kg / m3)
4-3	ـــ	4/5	ـــ	6/0	1260	650	360	151	بتن با پلي پروپيلن
3-2	216/0	4/5	6/3	ـــ	1260	650	4/356	151	بتن با نانو سيليس
6-5	ـــ	4/5	ـــ	ـــ	1260	650	360	151	بتن معمولي

بعداز اتمام برهه زمانی نگهداري بتن ها ماشين سايش روي سطح بتن گذارده مي شود ماشين سايش قطري به اندازه ي mm75 داراست كه با حركت چرخشي عمل سايش را انجام مي دهد . در هنگام فعالیت سايش به وسيله فشار آب خاكهاي توليد گردیده بر اثر عمل سايش را پاك مي كنيم . عمق اوليه بعد از 30 چرخش اندازه گيري مي شود بعداز آن ماشين سايش 1000 دور مي زند و باز همه عمق سايش را اندازه گيري مي گيريم و بعد از اينكه ماشين سايش 5000 دور مي زد عمق سايش به mm5/1 مي برسد و آزمايش متوقف مي شود .ارتباط سايش (Ia) با عمق سايش (p) با تعداد زمان دستگاه به شكل زير میباشد .

هر چقدر (Ia) مقاومت سايش بيشتر باشد مقاومت سايشي بين بيشتر میباشد و زماني كه Ia بزرگتر از 60/1 رسد به مقاومت سايشي بتن مي توان اطمينان كرد در جدول شماره ي 4 مقاومت سايشي سه جور از بتن اندازه گيري گردیده به كه به شرح زير میباشد .

جدول شماره 4_ مقاومت سايشي

قاومت سايشي سطح	انواع بتن
19/1	بتن معمولی
42/1	بتن با پلي پروپيلن
06/3	بتن با نانو سيليس

در جدول شماره ي 5 مقاومت فشاري و انعطاف پذيري بتن اندازه گيري شده كه به شرح زير میباشد .

مقاومت فشاري (MPA)	انعطاف پذيري بتن (MPA)
08/59	46/4	بتن معمولي
02/61	99/5	بتن باپلي پروپلين
36/66	69/5	بتن با نانو سيليس

در جدول شماره ي 5_ مقاومت فشاري و انعطاف پذيري بتن

نتيجه گيري

نتيجه اي كه از آزمايش نفوذ پذيري آب به دست آمده اين میباشد كه واكنش آب با سيمان كريستال هاي Ca(OH)2 كلسيم هيدروكسيد توليد مي شود كه شكل شش وجهي داراست و منجر مي شود تا سطح تماس دانه هاي ماسه و شن را با چسب سيمان كاهش دهد و حفره هايي در بتن ايجاد مي كند كه به نفوذ پذير بودن بتن كمك مي كند و نانوسيليس به خاطر واكنش پذيري بالاي خویش با اين ماده واكنش مي دهد و توليد CSH كلسيم سيليكات هيدرات مي كند كه سبب ساز پر كردن حفرات بتن مي شود و مقاومت نفوذ پذيري بتن را افزايش مي دهد و بتن نانو سيليس ضخيم تر از بتن معمولي میباشد و آزمايش الكتروني روشن مي كند كه نانو سيليس متراكم و يكدستر از بتن معمولي میباشد .

در آزمايش مقاومت سايشي بتن روسازي با اضافه كردن نانو سيليس به بتن مقاومت سايشي به طور چشم گيري افزايش مي يابد و حتي از بتن با پلي پروپلين هم مقاومت سايشي بيشتري دراد بنابراين بتن با نانو سيليس گزينه ي بهتري براي بتن روسازي استاما برای مکان هايي که به بتن با انعطاف پذيری نياز میباشد بهتر میباشد از بتن با پروپيلن بهره برد زیرا بتن نانو سيليس متراکم میباشد و طبق جدول شماره (4) از انعطاف پذيری کمتری نسبت به بتن نانو سيليس برخوردار‌است.