نانوفناوری در عمران

فهرست مطالب

نانوفناوری در عمران

نانوفناوری یکی از فعال ترین حوزه های تحقیقاتی در هر دو زمینه علم و مهندسی می باشد. واژه نانوفناوری معنای بسیار مفصل و دامنه وسیعی را ارائه می‌کند که ممکن است از حوزه‌ای به حوزه دیگر تغییر کند. نانوفناوری تقریباً در تمام زمینه‌های مهندسی کاربردهای زیادی دارد. شروع فناوری نانو، رشد مهندسی عمران را متحول کرده است. تحقیقات در زمینه فناوری نانو که مربوط به ساخت و ساز است هنوز در مراحل اولیه است. این تحقیقات باید دنبال شود تا اطمینان حاصل شود که از مزایای این فناوری می توان برای ایجاد عمر طولانی تر و زیرساخت های اقتصادی تر استفاده کرد.

حوزه مصالح ساختمانی با کاربردهایی که ویژگی های بتن، فولاد، شیشه، آجر و مواد عایق را بهبود می بخشد، می تواند یکی از ذینفعان اصلی این تحقیقات باشد. استفاده از نانومواد در ترکیب برخی از مواد مانند سیمان منجر به کاهش قابل توجه آلودگی CO2، استفاده از عایق های حرارتی عملکردی، استفاده بهینه از انرژی برای تهویه مطبوع خواهد شد. استحکام، دوام و سایر خواص مواد به طور چشمگیری در مقیاس نانومتر تحت تأثیر قرار می گیرند. با توجه به اندازه ذرات کوچک، نانوفناوری بر روی نانومواد با عملکردهای منحصر به فرد از نظر استحکام، دوام، سرعت ساخت بالا و کاهش اثرات زیست محیطی تمرکز دارد. این مقاله کاربرد فناوری نانو را در مصالح ساختمانی برای کارهای مختلف مهندسی عمران ارائه می‌کند. استفاده از فناوری نانو در ساخت و ساز رتبه 8 از 10 برنامه کاربردی را کسب کرده است که تأثیر قابل توجهی بر کشورهای در حال توسعه دارند. با ظهور فناوری نانو در ساخت و ساز، نتایج بسیاری حاصل شده است که منجر به تولید مواد بصورت مقرون به صرفه، تمیزتر و پایدار شده است. کاربردهای نانوذرات، نانولوله ها و نانوالیاف منجر به ایجاد مصالح ساختمانی جدید و ترکیبات جدید مقاوم، بادوام و با استحکام شده است. استفاده از مواد نانوفناوری در حالی که در سازه‌های ساختمانی گنجانده شده‌اند نه تنها به افزایش طول عمر آن‌ها کمک می‌کند، بلکه انرژی مصرف‌شده توسط آنها را نیز کنترل می‌کند و در عین حال برهمکنش و واکنش‌های آن‌ها را نسبت به عوامل مختلف مانند آتش، خوردگی، نفوذ آب، شکستگی ها، ترک ها و غیره تعیین می‌کند. نانوفناوری همچنین به حوزه جوشکاری رسیده است. با افزودن نانوذرات کلسیم و منیزیم، جوش شکننده می تواند تبدیل به جوش قوی شود. علاوه بر این، با تبدیل شدن ذرات به اندازه نانو، نسبت اتم‌های روی سطح نسبت به داخل آن‌ها افزایش می‌یابد و این منجر به خواص جدید می شود. بتن محکم‌تر، بادوام‌تر و راحت‌تر قرار می‌گیرد، فولاد سخت‌تر و شیشه خود تمیز شونده می شود. بتن گسترده ترین ماده مورد استفاده در جهان تخمین زده می شود که تولید سالانه آن حدود 20 میلیارد تن بیشتر از هر ماده دیگری در این سیاره زمین است. به طور کلی در طراحی مخلوط بتن از سیمان، سنگدانه های ریز و سنگدانه های درشت استفاده می شود که نقش تعیین کننده ای درطراحی یک عیار خاص از بتن دارد. کاربرد نانوفناوری در ساخت و ساز، به دلیل خواص منحصر به فرد می تواند در بسیاری از زمینه ها برای فرآیندهای طراحی و ساخت استفاده شود. کاربردهای نانوفناوری در مهندسی ساخت و ساز بسیار زیاد است. برخی از این برنامه ها عبارتند از

آجر

آجر یک جزء همه کاره در زمینه مهندسی معماری و ساختمان است. آجر از سیمان، ماسه، آب، آهک و خاک رسی تشکیل شده است. برخی از خواص مانند سختی، جذب، مقاومت فشاری، مقاومت در برابر یخبندان، شکوفه‌دهی و غیره آجر به آجر بسته به نوع آجر، یعنی آجرهای سفالی سوخته معمولی، آجرهای آهکی شنی، آجرهای خاکستری بادی، آجرهای مهندسی و غیره متفاوت است. آب جزئی است که در صورت وجود مازاد برای هر سازه ای می تواند خطرناک باشد. به همین ترتیب، تماس آب با آجر در جایی که نیازی به آن نیست، می تواند بر خواص آجر تأثیر منفی بگذارد و می تواند آجرها و ساختاری که آجر در آن استفاده می شود را از بین ببرد. برای غلبه بر این مشکل، دافع آب در قالب پوشش آبگریز معرفی شده است، پوشش آبگریز آجر به آن کمک می کند تا آب ناخواسته را دفع کند و استحکام، دوام، چقرمگی، سختی و سایر خواص فیزیکی آجر را حفظ کند.

بتن

یکی از پرکاربردترین مواد در صنعت ساخت و ساز، بتن است که امروزه تحقیقات زیادی در زمینه فناوری نانو بتن در دنیا انجام شده است و درک خواص نانوبتن، راه‌های جدیدی را برای بهبود استحکام، دوام و نظارت آن ایجاد می‌کند. بتن، ترکیبی از سیمان پرتلند به عنوان اتصال دهنده، آب، سنگدانه ها به عنوان پرکننده و همچنین یک ماده متخلخل با منافذ در اندازه های مختلف میلی متر تا نانومتر است. در اکثر کاربردها سطح بتن در معرض سایش خارجی، قرار گرفتن در معرض محیط و فرسایش مایعات تهاجمی مانند آب، محلول های معدنی، روغن، حلال ها و غیره قرار می گیرد. هنگامی که بتن خشک با مایعی مانند آب سروکار دارد، بیشتر آب جذب می شود. منافذ ناشی از نیروهای مویرگی بتن به جذب کلی و تخلخل آن در محلول های آبی بستگی دارد. به عنوان مثال، آسیب یخ زدگی و ذوب زمانی رخ می دهد که آب در بتن اشباع به دلیل تغییرات دما یخ می زند که باعث ایجاد تنش های قابل توجه در مواد می شود. این اثر تجمعی چرخه های انجماد و ذوب در نهایت باعث ترک خوردگی، خرد شدن، انبساط و پوسته پوسته شدن بتن می شود. بنابراین سنتز بتن ضد آب به منظور بهبود دوام آن و به ویژه تولید بتن فوق العاده بادوام بسیار مهم است. تجزیه و تحلیل های بسیاری از بتن در سطح نانو به منظور درک ساختار آن انجام می شود. چنین تحلیلی از تکنیک های مختلفی برای مطالعه در آن مانند میکروسکوپ نیرو اتمی (AFM)، میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و پرتو یون متمرکز (FIB) استفاده می کند. به عنوان یک مزیت جانبی از توسعه این ابزارها، درک ساختار و رفتار بتن در سطح بنیادی می باشد. محققان با افزودن نانومواد مهندسی شده و استفاده از این فناوری سعی در رفع عیوب بتن و افزایش کارایی آن دارند. از نانومواد مختلفی مانند نانوذرات سیلیس، اکسید تیتانیوم، اکسید آهن، اکسید آلومینیوم، اکسید روی، پر اکسید روی، گرافن، اکسید زیرکونیوم، کربنات کلسیم و خاک رس می توان برای توسعه عملکرد و خواص بتن از جمله مقاومت کششی و فشاری بالا یا تولید بتن با سطوح خود تمیز شونده و خود ترمیم شونده استفاده کرد.

فولاد

فولاد از زمان انقلاب صنعتی دوم در اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم به طور گسترده ای در دسترس بوده است و از آن زمان تاکنون نقش عمده ای در صنعت ساخت و ساز داشته است. FHWA به همراه مؤسسه آهن و فولاد آمریکا و نیروی دریایی ایالات متحده، فولاد جدید، کم کربن و با عملکرد بالا (HPS) را برای پل ها در سال 1992 با مقاومت در برابر خوردگی و توانایی جوش بالاتر با ترکیب نانوذرات مس از مرزهای دانه فولاد توسعه دادند. نانولوله های کربنی 100 برابر قوی تر از فولاد و علاوه بر رسانایی حرارتی و الکتریکی بالا تنها یک ششم وزن آن را داراست. اخیراً گزارش شده است که یک کامپوزیت نانولوله‌های کربنی شش برابر قوی تر از کامپوزیت های فیبر کربن معمولی است. ادغام نانولوله کربنی با فولاد، به دلیل ماهیت گرافیکی آن کاربرد کمی دارد. بعلت اینکه دمای بالای موجود در فرآیند عناصر فولادی می‌تواند باعث ایجاد مشکلاتی در اتصال مواد توده‌ای شود که باعث افزایش ارتعاش اتم‌های کربن به‌طور قابل‌توجه و منجر به شکستن پیوند و در نهایت نقص در سازه فولادی ‌شود. خستگی موضوع مهمی است که می تواند منجر به شکست ساختاری فولاد در معرض بارگیری چرخه ای، مانند فولاد در پل ها یا برج ها شود. این می تواند در تنش هایی به طور قابل توجهی کمتر از تنش تسلیم ماده اتفاق بیفتد و منجر به کاهش قابل توجه عمر مفید سازه شود. فلسفه طراحی فعلی مستلزم یک یا چند مورد از سه معیار محدود کننده است: طراحی مبتنی بر کاهش چشمگیر تنش مجاز، کوتاه شدن عمر مفید مجاز یا نیاز به یک رژیم بازرسی منظم. افزایش‌دهنده‌های تنش مسئول ایجاد ترک‌هایی هستند که از آن‌ها شکست خستگی ناشی می‌شود و تحقیقات نشان داده است که افزودن نانوذرات مس ناهمواری سطح فولاد را کاهش می‌دهد و سپس تعداد افزایش‌دهنده‌های تنش و در نتیجه ترک‌خوردگی خستگی را محدود می‌کند. پیشرفت در نانوفناوری منجر به افزایش ایمنی، نیاز کمتر به نظارت و استفاده کارآمدتر از مصالح در ساخت و ساز مستعد مشکلات خستگی می شود. فولاد یکی از مواد مورد استفاده عمدتاً در ساخت و ساز است و تقریباً در تمام سازه ها کاربرد دارد. از ویژگی های مهم فولاد استحکام و مقاومت در برابر خوردگی است. نوع جدید فولاد از طریق یکپارچه سازی مواد نانو مس، مقاومت در برابر خوردگی بالاتری را ارائه می دهد.

قابلیت جوش نانو ذرات وانادیوم و مولیبدن می تواند مشکلات شکستگی مرتبط با پیچ استحکام بالا و کاهش شکنندگی هیدروژن را حل کند.

شیشه

تکنولوژی خود تمیز شوندگی برای شیشه توسط ادغام نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم (TiO2) با شیشه ها تجزیه غشاهای باکتریایی و هر گونه آلاینده آلی از شیشه را می توان با واکنش فوتوکاتالیستی نانو ذرات اجرا کرد. از نانوذرات دی اکسید تیتانیوم برای پوشش لعاب نیز استفاده می شود، زیرا دارای خواص ضد رسوب و استریل کنندگی است. نانوذرات دی اکسید تیتانیوم آبدوست است که می تواند قطرات باران را جذب کند و سپس ذرات کثیفی را از بین ببرد. علاوه بر این، با استفاده از نانو ذرات سیلیس دوداندود(SiO2)  می توان به عنوان یک لایه بین دو صفحه شیشه استفاده کرد که این نوع شیشه به عنوان شیشه محافظ آتش شناخته می شود.

پوشش

پیش‌بینی می‌شود که پوشش‌ها بیشترین کاربرد نانومواد را در ساخت و ساز داشته باشند. کاربردهای عمده پوشش در ساخت و ساز را می توان در رنگ های معماری و آب بند انجام داد. ترکیب پوشش با نانو ذرات یا نانو لوله برای بسیاری از اهداف پیشرفت کرده است که یکی از اهداف اصلی کاربرد فناوری نانو در ساخت و ساز ساختمان را شامل می شود.

حفاظت در برابر آتش

مقاومت سازه های فولادی در برابر آتش اغلب توسط پوششی که توسط فرآیند پاشش سیمان تولید می شود، تامین می شود. با این حال، تحقیق در مورد نانو سیمان این پتانسیل را دارد که الگوی جدیدی در این زمینه ایجاد کند، زیرا ماده حاصل می تواند به عنوان یک پوشش سخت، بادوام و با دمای بالا در اطراف فولاد استفاده شود. این امر با اختلاط نانولوله های کربنی با مواد سیمانی برای ساخت کامپوزیت های الیافی به دست می آید که می توانند برخی از خواص برجسته نانولوله ها مانند استحکام را موجب شود. الیاف پلی پروپیلن با اندازه نانو نیز به عنوان روشی برای افزایش مقاومت در برابر آتش در نظر گرفته می شود و این ممکن است گزینه ارزان تری نسبت به عایق های معمولی باشد.

پلاستیک

پلاستیک های تقویت شده با فیبر کربن (CFRP) که مواد سبک وزن هستند، خواص الکتریکی خوبی از خود نشان نمی دهند نانولوله های کربنی از جمله سفت ترین و قوی ترین الیاف شناخته شده هستند می توانند رسانایی الکتریکی و خواص اتلاف گرمای این نوع پلاستیک ها را بهبود بخشند. محققان از فناوری پلاسما برای انتقال خواص آنها بهCFRP ها استفاده کردند. این نانوذرات باید بسیار همگن باشند و به گونه ای ساخته شوند که به راحتی به پلیمر متصل شوند. آنها بلافاصله در حلال انتخاب شده قرار می‏گیرند، که می توان از آن برای پردازش بیشتر پلیمر استفاده کرد. کل این روش فقط چند ثانیه طول می کشد.

قیر

بنتونیت (BT) و بنتونیت اصلاح شده آلی (OBT) برای تقویت و اصلاح بایندر آسفالت با پردازش مذاب تحت فشارهای فراصوت و برشی استفاده شد. آسفالت اصلاح شده BT دارای ساختار درونی است، در حالی که آسفالت اصلاح شده OBT دارای ساختار لایه برداری شده است. آسفالت های اصلاح شده BT و OBT نسبت به آسفالت پایه نقطه نرم شدن، ویسکوزیته، مدول پیچیده بالاتر، زاویه فاز پایین تر و پارامتر شیاری بالاتر و خواص رئولوژیکی بهتری را نشان داده اند. اما شکل پذیری آسفالت های اصلاح شده با افزودن BT و OBT کاهش می یابد و سفتی خزشی به میزان قابل توجهی کمتر دارند. بنابراین، مقاومت به ترک در دمای پایین با افزودنBT  و OBT بهبود می یابد. آسفالت های اصلاح شده OBT دارای خواص بهتری نسبت به آسفالت های اصلاح شده BT هستند.

مصالح ساختمانی ضد آب

ضدآب کردن مصالح ساختمانی از 1000 سال گذشته یک مشکل بوده است. این مشکل به دلیل عدم درک در سطح نانو مصالح ساختمانی به طور کامل برطرف نشده است. پیشرفت جدید در علم و فناوری امکان استفاده از آخرین فناوری نانو را فراهم کرده است و محصولات ارگانو سیلیکونی سازگار با محیط زیست را تولید کرده است تا عملاً تمام انواع مختلف مصالح ساختمانی را ضد آب کند. فناوری نانو تضمین کرده است که عمر مفید این رویکرد با هزینه بسیار مقرون به صرفه منجر به چرخه عمر بیش از 20 تا 30 سال شود. مصالح ساختمانی به دلیل تخلخل ذاتی و ریزترک ها دارای نشت آب هستند. عایق رطوبتی یک روش درمانی است که انتظار می رود مواد را در برابر آب غیرقابل نفوذ کند. در 50 سال گذشته، فناوری موجب توسعه محصولات زیادی در زمینه عایق رطوبتی به ویژه با استفاده از پایه ساختاری پلیمری و انواع مواد دیگر شده است. یکی دیگر از مسائل جدی ضد آب برای جلوگیری از دست دادن استحکام ساختاری مصالح ساختمانی بتن به ویژه به دلیل واکنش قلیایی سیلیس، باران اسیدی، و حمله ضدآب کردن مصالح ساختمانی از 1000 سال گذشته یک مشکل بوده است. این مشکل به دلیل عدم درک در سطح نانو مصالح ساختمانی به طور کامل برطرف نشده است. پیشرفت جدید در علم و فناوری امکان استفاده از آخرین فناوری نانو را فراهم کرده است و محصولات ارگانو سیلیکونی سازگار با محیط زیست را تولید کرده است تا عملاً تمام انواع مختلف مصالح ساختمانی را ضد آب کند. فناوری نانو تضمین کرده است که عمر مفید این رویکرد با هزینه بسیار مقرون به صرفه منجر به چرخه عمر بیش از 20 تا 30 سال شود. مصالح ساختمانی به دلیل تخلخل ذاتی و ریزترک ها دارای نشت آب هستند. عایق رطوبتی یک روش درمانی است که انتظار می رود مواد را در برابر آب غیرقابل نفوذ کند. در 50 سال گذشته، فناوری موجب توسعه محصولات زیادی در زمینه عایق رطوبتی به ویژه با استفاده از پایه ساختاری پلیمری و انواع مواد دیگر شده است. یکی دیگر از مسائل جدی ضد آب برای جلوگیری از دست دادن استحکام ساختاری مصالح ساختمانی بتن به ویژه به دلیل واکنش قلیایی سیلیس، باران اسیدی، و حمله سولفات می باشد. ضد آب کردن همچنین از نفوذ کلرید جلوگیری می کند که کلرید می تواند منجر به خوردگی میله های فولادی تقویت شده شود.

تجربه مشتریان
TESTIMONIAL
سوالات متداول
FAQ

آیا برای خرید سوال دارید ؟
مشاوران ما در خدمت شما هستند

دیدگاه ها
COMMENTS

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.