مقدمه مقدماتی

فناوری نانو فراتر از آزمایشگاه را به کاربردهای عملی در بسیاری از صنایع منتقل کرده است و ساخت و ساز استثنا نیست.در میان تحول ترین تحولات استفاده از مواد افزودنی نانو برای افزایش عملکرد بتن است، این ذرات مهندسی شده، به طور معمول کوچکتر از 100 نانومتر، تعامل با ماتریس سیمان در مقیاس اتمی، تولید بتن است که قوی تر، بادوام تر، و پایدارتر از مخلوط های معمولی است، زیرا زیرساخت های جهانی و مواد انعطاف پذیر برای درک ضروری پیمانکاران، و عوامل نانو، و انعطاف پذیر، و تولید کننده، نقش اساسی پیمانکاران، و تقویت کننده، و پایدار، توسعه می شود.

بخش ساخت و ساز به سهم قابل توجهی از انتشار کربن، عمدتا به دلیل تولید سیمان، با بهبود کارایی و طول عمر ساختارهای بتنی، نانو ارائه می دهد یک مسیر برای کاهش مصرف مواد و فرکانس نگهداری، در نتیجه کاهش ردپای زیست محیطی، این مقاله بررسی علم پشت نانو افزودنی، مزایای عملکرد آنها، چالش های فعلی و جهت های تحقیق آینده است.

افزودنی های نانو-تکنولوژی چیست؟

مواد افزودنی نانو فناوری مواد پردازش شده در سطح مولکولی یا اتمی برای بهره برداری از خواص منحصر به فرد که در مقیاس نانو ظهور می کنند، به طور معمول به عنوان پودر های خوب یا تعلیق کولوئید در هنگام مخلوط کردن اضافه می شوند. نسبت سطح بالا به حجم این ذرات فعال واکنش شیمیایی قوی و تعاملات فیزیکی با محصولات سیمان.

نانو- افزودنی های رایج شامل:

  • [SiO2): گسترده ترین افزودنی مطالعه شده است، آن را به عنوان یک pozzolan عمل می کند، واکنش با هیدروکسید کلسیم اضافی - هیدراته (C-S-H) ژل، که ساختار میکرو را تقویت می کند.
  • Nano-titania (TiO2): شناخته شده برای خواص فتوکاتاlytic.این می تواند آلودگی های ارگانیک را تجزیه و تحلیل کند و اکسید نیتروژن را کاهش دهد، و به خود تمیز کردن بتن و قابلیت های تهویه مطبوع.
  • Nano-alumina (Al2O3): قدرت اولیه و مقاومت در برابر با ترویج تشکیل فازهای آب و برق پایدار را بهبود می بخشد.
  • نانولوله های نانو کربن (CNTs) و اکسید گرافن: تقویت قدرت کششی و مقاومت در برابر شکستن از طریق اثرات پر کردن در مقیاس نانو.

این مواد افزودنی به طور معمول در دوزهایی که از 0.5 تا 5٪ با وزن سیمان ترکیب می شوند، حتی مقادیر کمی می توانند بهبود قابل اندازه گیری در خواص مکانیکی و دوام ایجاد کنند. مکانیزم های کلیدی شامل پر کردن نانو منافذ است که در غیر این صورت قدرت را محدود می کند، واکنش های هیدراتاسیون را تسریع می کند و منطقه انتقال متقابل بین کل و خمیردندان را تقویت می کند.

مکانیسم های ارتقاء عملکرد

ساختار Microstructure Densification

بتن معمولی حاوی حفره های کوچک و نانو است که باعث تضعیف ماتریس ذرات نانو-سیلیکا می شود، به عنوان مثال، تقریبا 10-50 نانومتر در قطر است. آنها فضاهای بین دانه های سیمان بزرگ و ورق های C-S-H را پر می کنند، کاهش کل منافذ آن را برای آب، کلرید و مواد شیمیایی تهاجمی برای نفوذ به طور مستقیم بهبود دوام.

⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

نانوذرات به عنوان سایت های نوکلئواسیون برای محصولات هیدراتاسیون خدمت می کنند. کلسیم سیلیکات هیدراته (C-S-H) به طور ترجیحی در ذرات با سطح بالا رشد می کند، که منجر به یک چسب یکنواخت و متراکم تر می شود.این سرعت توسعه قدرت در اوایل سن، که برای ساخت و ساز سریع و عملیات پیش از انتشار مفید است.

اصلاح Rheology

سطح بالا از نانو افزودنی می تواند تقاضای آب را افزایش دهد، اما هنگامی که به درستی با سوپرپلاستیک پراکنده می شوند، آنها قابلیت کار را بهبود می بخشند و رفتار تیکستروپیک اغلب مشاهده می شود، به این معنی که جریان های بتنی به راحتی در زیر پاشنه می رود اما سفت و سخت در استراحت -ایده آل برای پمپاژ و کار پیچیده.

خود-Healing و Smart Performanceity

برخی از نانو افزودنی های افزودنی، مانند نانو-تتانیا، دارای خواص فتوکاتاتیک هستند که آلاینده های آلی را تحت نور UV تجزیه می کنند، سطوح مشخصی را تمیز می کنند، مانند عوامل شفابخش کپسوله شده در مقیاس نانو، می توانند با رطوبت واکنش نشان دهند تا به طور خودکار این قابلیت ها زندگی خدمات را گسترش دهند و هزینه های نگهداری را کاهش دهند.

مزایای نانو-تکنولوژی افزودنی

افزایش قدرت

مطالعات متعدد نشان داده است که افزایش قدرت فشرده 20 تا 40٪ زمانی که نانو-silica در دوزهای بهینه استفاده می شود. T کشش و انعطاف پذیری نقاط قوت نیز بهبود، اغلب به دلیل پیوند بهتر در رابط کل-گذشته است.این بخش های ساختاری نازک تر، طولانی مدت و ظرفیت بارگیری بالاتر بدون افزایش محتوای سیمان را فعال می کند.

قابلیت های پیشرفته

کاهش منافذ به طور مستقیم مقاومت در برابر چرخه های یخ زده، حمله سولفات و کلرید را در حال حرکت بهبود می بخشد.برای ساختارهای دریایی یا عرشه های پل در معرض نمک زدایی، بتن نانو می تواند زندگی خدمات را در مقایسه با مخلوط های معمولی دو برابر کند. میکروساختارهای متراکم همچنین جذب آب و کارآیی را کاهش می دهد، محافظت از فولاد از خوردگی.

بهبود پایداری

از آنجا که نانو افزودنی اجازه می دهد تا محتوای clinker سیمان پایین تر در حالی که حفظ یا بهبود عملکرد، ردپای کربن در هر متر مکعب بتن کاهش می یابد، علاوه بر این، ساختارهایی که مدت زمان بیشتری نیاز به تعمیر و جایگزینی کمتر، صرفه جویی منابع و انرژی تجسم یافته دارند.

قابلیت کار بهتر و کیفیت سطح

به طور مناسب پراکنده نانو-سیلیکا می تواند قابلیت جریان را بهبود بخشد و خونریزی را کاهش دهد. سطح حاصل صاف تر و کمتر مستعد به کشیدن عسل است.در بتن معماری، نانو افزودنی جزئیات تیز و پایان نامه بالاتر را فعال می کند.

چالش ها و ملاحظات

هزینه های بالا

هزینه تولید ذرات نانو-پور بالا در مقایسه با مخلوط های معمولی بالا است، اگرچه فقط دوز های کوچک مورد نیاز است، قیمت واحد می تواند 10 تا 50 برابر بیشتر از میکروبلیکا یا پرواز به عنوانh محدود می شود.این محدود به استفاده گسترده از برنامه های با کارایی بالا و یا تخصصی است.

خطرات سلامتی و ایمنی

استنشاق ذرات نانو هوا در طول تولید یا مخلوط کردن خطرات بهداشتی ناشناخته را ایجاد می کند. اندازه کوچک آنها به آنها اجازه می دهد تا به بافت عمیق داخل ریه نفوذ کنند.دست زدن مناسب نیاز به کنترل گرد و غبار، تهویه و تجهیزات محافظ شخصی دارد.

توزیع و Agglomeration

نانوذرات نانو تمایل به جذب به دلیل انرژی سطح بالا دارند، تشکیل توده هایی که می توانند نقاط ضعف ایجاد کنند. پراکندگی موثر اغلب نیاز به درمان اولتراسونیک یا مواد افزودنی شیمیایی تخصصی دارد. پراکندگی پروتونی منجر به عملکرد متغیر می شود و حتی می تواند قدرت را کاهش دهد اگر آستررها به عنوان هماهنگ کننده های استرس عمل کنند.

عملکرد طولانی مدت ناشناخته است

در حالی که تست های آزمایشگاهی کوتاه مدت امیدوار کننده هستند، داده های مربوط به عملکرد 50 تا 100 ساله بتن نانو هنوز محدود است.پرس ها در مورد احتمال ابتلا به نانوذرات نانو در طول زمان و تاثیر آنها بر محیط زیست، توسعه یافته اند.

مسیر های آینده و تحقیقات

خود-Healing Concrete

محققان میکروکپسول ها یا شبکه های عروقی را که حاوی عوامل شفا دهنده فعال شده توسط کراکینگ هستند، در مقیاس نانو، کاتالیزورها می توانند برای تسریع تشکیل کربنات کلسیم یا پرکننده های پلیمری اضافه شوند.این تکنولوژی می تواند تعمیر و نگهداری زیرساخت ها را بسیار کمتر کند.

آسیب و آسیب دیدگی

ذخیره سازی نانولوله های کربنی یا نانوچیتوسان به بتن، یک شبکه رسانای الکتریکی ایجاد می کند که مقاومت را تحت استرس تغییر می دهد، این امر نظارت بر سلامت ساختاری واقعی بدون سنسورهای خارجی را قادر می سازد.

سیستم های ترکیبی و چند جانبه

ترکیب نانو افزودنی های مختلف - به عنوان مثال، نانو-سیلیکا برای قدرت و نانو-تتانیا برای کنترل آلودگی - می تواند بتن را تولید کند که با معیارهای عملکردی چندگانه مطابقت دارد. Optimizing synergy بین ذرات و تعامل آنها با pozzolan های سنتی یک منطقه فعال از تحقیقات است.

استاندارد و قوانین

برای فناوری نانو برای تبدیل شدن به جریان اصلی، روش های آزمون استاندارد و مشخصات عملکرد مورد نیاز است. [۱] سازمان هایی مانند موسسه ملی استانداردها و فناوری (NIST) و موسسه بتن آمریکایی در حال توسعه دستورالعمل برای بتن نانو است.

نتیجه گیری

افزودنی های فناوری نانو نشان دهنده پیشرفتی اساسی در تکنولوژی بتن است.با دستکاری ماده در مقیاس نانو، مهندسان می توانند بتن را ایجاد کنند که قوی تر، بادوام تر و پاسخگوتر از همیشه قبل است. مزایای زیست محیطی مانند افزایش قدرت، دوام بالا، و بهبود آدرس پایداری بسیاری از چالش های فشار دهنده صنعت، از زیرساخت تا کاهش کربن، با این حال موانع مربوط به هزینه، ایمنی سلامت، و تجزیه و تحلیل طولانی مدت، باید به طور کامل مواد و تحلیل شود، به عنوان مقیاس های دقیق و تحلیل دقیق و تحلیل دقیق، به طور مداوم مواد، به طور مداوم، به طور دقیق، به طور منظم، به سرعت، به سرعت، به سرعت افزایش یافته است.

برای مطالعه بیشتر، با بررسی جامع منتشر شده در Nano Materials و دستورالعمل های جامعه مهندسان عمران در مواد نوظهور ، ادغام فناوری نانو با بتن نه تنها یک بهبود تدریجی است - این یک تغییر تحولی است که آینده ساخت و ساز را شکل می دهد.