دراین مقاله به برسی به کار گیری فناوری نانودر صنعت ساختمان واستفاده ازفنون و محصولات آن به منظور بهبود خواص مواد و مصالح دستیابی به قابلیتهای نوین دراین صنعت پرداخته شده است. مصالح هسته صنعت ساختمان را تشکیل نیدهند وبا توجه به اهمیت آنها در ابن صنعت اعمال تغییرات موثر در این مواد در آینده چندان دور دستیابی به تحولات نوینی را در ساختمانسازی میدهد. تحقیقات وفناوری نانو وبه کار گیرینانوذرات درزمینه مصالح مانند بتن- فولاد- شیشه وچوب ویا روکش ها باعث کمک به تولید مصالحی با خواص بهبود یافته برآورده کردن نیاز هایی از قبیل استحکام مقاومت دوام در سازه های ساختمانی وکمک به حفاظت ازمنابع شده است
واژه های کلیدی:
بتن- سیمان- فولاد- چوب- شیشه- روکش.
مقدمه:
امروزه فناوری نانو جایگاه مهمی را در بین علوم وصنایع به خوداختصاص داده است وصنعت ساختمان سازی نیز متناسب با نیازهای خود از نوآوری های این فناوری بهره میبرد.به طورکلی فناوری نانو به بررسی ذراتی میپردازد که نانو ذره نامیده می شوند. یکنانوذره به ذره ای گفته میشود که حداقل یکی از ابعاد آن کوچکتر از200 باشد.ویژگی ای که این ذرات را حاءذ اهمیت کرده استابعاد نانومتری آنها می باشد زیرا در این مقیاس است که قوانین فیزیک کلاسیک جای خود را به قوانین فیزیک کوانتوم داده وخواص ماکروسکوپیک مواد تحت تائثیراین قوانین قرارمیگیرد درصنعت ساختمان با به کارگیری این ذرات واعمال تغییرات بر روی نانوساختارها ویا استفاده از سایر فنون وتولیدات فناوری نانو می توان خواص ماکروسکوپیک موادومصالح راتحت تاثیرقرار داد. در این مقاله نتایج تحقیقات انجام شده در بخش های بتن- فولاد- شیشه- چوب وروکشها اراءه شده است.
1- سیمان وبتن:
بطورکلی در زمینه سیمان وبتن تحلیل هلی زیادی بمنظور شناخت ساختار این مواد در مقیاس نانو صورت گرفته است که در آن ازتکنیک های متنوعی نظیر مشاهده با استفاده ازمیکروسکوپ اتمی میکروسکوپ الکترونی پیمایشی وپرتو یونی متمرکزاستفاده شده است.نتایج تحقیقات با این فنون نشان داده است که بکارگیری برخی ذرات ویا ساختارها در مقیاس نانو به بهبود خواص سیمان وبتن می انجامد.
ماده ایست که بطورمعمول در بتن ها بعنوان بخشی از طرح اختلاط مورد استفاده قرارمیگیرد. ولی یکی از پیشرفتهایی که با مطالعه بتن درمقیاس نانو حاصل شده است بهبود تراکم ذرات در بتن با استفاده از ذرات نانو سیلیس می باشد که منجر به بهبود خواص مکانیکی بتن می شود.همچنین اضافه کردن نانوسیلیس به سیمان تفکیک واکنش تشکیل(کلسیم سیلیکات هیدرات) راکه با رسوب کلسیم درآب صورت میگیرد.دربتن کنترل می کندکه بهبود دوام وروانی بتن می انجامد. خاکستر بادی نه تنها دوام ومقاومت بتن را بهبود میبخشد بلکه با جایگزینی آن نیاز به سیمان برای بتن نیز کاهش می یابدکه درحفظ منابع محیطی وکاهش تولید سیمان موثراست ولی سرعت عمل آوری بتن ومقاومت آن با افزودن خاکستربادی در مقایسه با بتن معمولی کاهش می یابدکه با جایگزینی بخشی از سیمان با ذرات نانوسیلیس در بتن های حاوی خاکستر بادی سبب افزایش چگالی ومقاومت اولیه ی بتن می شود. افزودن نانوذرات هماتیت به بتن علاوه برافزایش مقاومت در اندازه گیری بهتر مقاومت الکتریکیمقطع نیزموثراست.
تحقیقات دیگر نشان داده اند که استفاده ازنانوسیلیس ویا نانوذرات دیگری نظیر هماتیت یا اکسیدآلومینیوم درسیمان موجب بروزتغییراتی درخواص بتن تولیدی میشود:
ذراتنانوسیلیس- هماتیتیا اکسید آلومینیوم ممکن است در بتن بصورت توده درآیندوتشکیل حفره هایی درخمیرسیمان بدهندکه موجب کاهش مقاومت می شود که برای رفع این مشکل باید از موادی در اختلاط بتن استفاده شودکه به پخش این ذرات در خمیر سیمان کمک کند.
2- هیدراسیون سریع سیمان حاوی نانو ذرات فوق سبب بروزمقاومت اولیه بالادر مرحله ی آغازین عمل آوری می شود بطوریکه بعد از هفت روز عمل آوری تقریبا فرآیندهیدراسیون سیمان متوقف میشود.
یک نسبت آب به سیمان پایین تر سیال مانده و کارایی خودرابا گذشت زمان حفظ کنند.که تنها کربوکسیلاتها به این نیاز پاسخ میدهند. بعلاوه علی رغم اینکه مقاومت بتن هایی که از فوق روان کننده های معمولی استفاده می کنند بسیار زیاد می باشد مقاومت اولیه این بتن ها بخصوص درزمستان برای باز کردن قالب ها به اندازه کافی نیست وبنابراین از عمل آوری برای سرعت بخشیدن به هیدراسیوم سیمان باید استفاده کردکه این مشکل رانیز می توان با استفاده از اخرین سری های تولیدی پلی کربوکسیلات ها حل نمود ودر زمان وانرژی صرفه جویی کرد.
امروزه ازالیاف در بتن بمنظور افزایش مقاومت سازه های بتنی استفاده می شود. استفاده از صفحات فیبرکه حاوی ذرات نانوسیلیس وذرات سخت کننده می باشندیک نوآوری در روش فوق محسوب می شوند. این نانوذرات دربتن نفوذ کرده وترکهای کوچک روی سطح بتن را می بندند. در مورد افزایش مقاومت نیز این ذرات اتصال قدرتمندی بتن سطح بتن وصفحات فیبربوجود می آورند. برای افزایش مقاومت بتن الیاف(فیبر)وصفحات کربن افزوده شده به ملات روی سطح بتن آماده قرار داده میشوندوبوسیله ی الیاف کربن بهبود یافته ومقاومت ملات وسطح مشترک سیمان و سنگدانه در برابر چرخه های تروخشک شدن افزایش یافته وکاهشی در میزان ماکزیمم بار تحملی درطی چرخه های مکرر اتفاق نمی افتد.
2- فولاد:خستگی پدیده ی مهمی ست که می توانددر طی بار گذاری های متناوب منجربه گسیختگی فولاددر سازه هایی مانندپل وسد می شود. این اتفاق همواره در تنش هایی کمتر از تنش تسلیم فولاداتفاق می افتد وازاین روسبب کاهش عمر مفید سازه می شود. تنش های درحال افزایش عامل اصلی ایجاد ترک هایی هستند که منجر به پدیده ی خستگی میشوند وتحقیقات نشان می دهند که افزودن نانو ذرات مس ناصافی سطح فولاد را کاهش داده که موجب کاهش تعداد افزاینده های تنش ودر نتیجه کاهش میزان ترک خوردگی میشود.
امروزه به پیچ هایی با مقاومت بالا در سازه هایی که در آن از اتصالات قدرتمند استفاده می شود نیاز است که در این نوع پیچ ها ریز ساختارهای مارتنسیت باز پخت شده استفاده می شود. اگر مقاومت کششی فولادهای مارتنسیت بازپخت شده از 1200 مگاپاسکال بیشترشود حتی میزان کمی هیدروژن نیزمرز لایه ها را شکننده کرده وممکن است فولاددرحین استفاده گسیخته شود.این پدیده که گسیختگی تاخیری نامیده می شود از افرایش بیشتر مقاومت پیچ های فولادی جلوگیری کرده وازاین رو مقاومت نهایی این فولاد به1000 تا 1200 مگاپاسکال محدودمی شود.استفاده ازنانو ذرات وانادیوم مولیویدیوم در پیچ های با مقاومت بالا گسیختگی تاخیری رابهبود می بخشد واین ذرات برروی کاهش شکنندگی ناشی از هیدروژن وبهبودساختارمیکروسکوپی فولاددراثرکاهش آثاردرون بلوری بخش چدنی اثر می گذارد.درطراحی های جدیدتضعیف سازه ها بمنظور ایجاد تغییر شکل های کنترل شده که با فاصله از جوش های شکننده قراردارند مورد توجه می باشد که منجربه پایین نگه داشتن تمامی تنش ها در سازه ها می شود.همواره ارتباط بین مقاومت چکشخواریفولاد مساله ی مهمی بوده است. نیروهای بزرگ درسازه های نوین صنعت ساختمان نیاز به فولاد با مقاومت بالا دارند.
چوب:
چوب بطورعمده از نانولوله هایی بنام بافت لیگنوسلولوزی تشکیل شده است که مقاومت آن 2 برابر فولاد می باشد. بکار گیری نانورشته ها بعنوان یک منبع تجدید پذیرمیتواندعلاوه برارایه نوعجدیدی ازمصالح مقاوم سازی درصنعت ساختمان به حفظمنابع محیطی نیزکمک کند بهطوریکه محققین پیشبینی کرده اند که با استفاذه ازصفحات لیگنوسلولوزی در مقیاس نانو می توان ساختارهای نظیر صفحات خود ضد عفونی کننده وصفحات خود ترمیم وتجهیزات الکترونیکی لیگنوسلولوز ی را تولیدکرد.این تجهیزات لیگنوسلولوزی دارای حسگر های فعال یا غیرفعالی هستندکه بدون ایجاد اختلال در عملکرد سازه میتوان اطلاعاتی در مورد سازه وشرایط محیطی آن مانند بارهای سازهای دما میزان رطوبت وضعیت عوامل پوسیدگی نظیرقارچ هااتلاف یاافزایش حرارت واتلاف هوای عمدی فراهم کند.
شیشه:
اطلاعات انجام شده درزمینه ی شیشه 4 راهکار کلی را درجهت جلوگیری از ورود نوروحرارت در ساختمان میشود:
1- استفاده از پوشش های نازک در پنجره های شیشه ای که نسبت به بعضی از طیف های نور حساس میباشد. این پوششها قادرند طیف هایی از نور با بسامد های مادون قرمزرامتوقف کنند که موجب کاهش دمای داخل در فصول گرم میشود.
2- فناوری ترموکرومیک که بطورمستقیم دماراتحت تاثیر قرارداده وبا حفظ نور مورد نیاز عایق های حرارتی برای جلوگیری ازافزایش دما فراهم میکند.
3- دراین روش بابکارگیری فناوری فتوکورومیک شدت نور را باافزایش میزان جذب تغییرمیدهدکه درواقع استفاده ازفرایندی متفاوت نتیجه ای مشابه موردقبل حاصل می شود.
روکش:
روکشهابخش مهمی ازتحقیقات در فناوری نانو راتشکیل میدهند وتحقیقاتی در مورد استفاده آنها دربتن فولادوشیشه در حال انجام است.
درحال حاظراز فناوری نانودر تولید رنگهای عایق استفاده میشود.امروزه ازرنگهابه جهت اینکه آب را از لوله های فلزی دفع میکندوفلزراازحمله آبهای املاح دار محافظت میکندبعنوان محافظت درمقابل خوردگی استفاده میشود.
علاوه برکاربردهایی که دربخش بتن وسیمان ذکر شداین پوششها توانایی زیادی در استفاده از مواد سنگی از خود نشان میدهند. درموادسنگی بطورمعمول از چسب برای مثلث سازی واجتناب از شکستگی استفاده میشود.
حال آنکه ذرات در مقیاس نانومیتواند شفافیت وچسبندگی بهتری راایجاد کنند.
نتیجه گیری:
استفاده ازنانوسیلیس ونانوذرات هماتیت در بتن سبب کاهش مصرف سیمان وبهبود مشخصه هایی نظیر مقاومت اولیه روانی ودوام بتن می انجامد.
به کارگیری نانوذرات دی اکسید تیتانیوم باعث محافظت بتندر مقابل آلاینده ها میشود.
نانو لوله های کربنی مقاومت کششی و فشاری بتن را افزایش می دهند.همچنین درزمینه های سیمان وبتن از فناوری نانو در تولیدسنگدانه ی هوشمند و تولید الیاف وپوشش های حاوی ذرات نانو استفاده میشود.
بکارگیری ساختارهای نانو درساخت فولاد باعث افزایش مقاومت آن در برابر خستگی وافزایش خصوصیات مکانیکی پیچها وجوشها می گردد.همین طور بکارگیری مواد در مقیاس نانو به تولید شیشه هایی بامقاومت بالا دربرابر آتش منجر میگردد.