Johdanto

Nanoteknologia on siirtynyt laboratorion ulkopuolelle käytännön sovelluksiin monilla toimialoilla, eikä rakentaminen ole poikkeus. Muunnettavissa olevista kehityssuunnista yksi on nanoteknologian lisäaineiden käyttö betonin suorituskyvyn parantamiseksi. Nämä suunnitellut hiukkaset, jotka ovat tyypillisesti alle 100 nanometriä, ovat vuorovaikutuksessa sementtimatriisin kanssa atomiskaalassa, ja tuottavat betonia, joka on vahvempi, kestävämpi ja kestävämpi kuin tavanomaiset yhdistelmät. Kun globaali infrastruktuuri vanhenee ja kysyntä joustavan materiaalin kasvaa, nanoaddiktoreiden roolista tulee olennainen insinööreille, urakoitsijoille ja speksoreille.

Rakennusalan osuus hiilidioksidipäästöistä on merkittävä, mikä johtuu suurelta osin sementin tuotannosta. Nanoteknologia tarjoaa betonirakenteiden tehokkuuden ja pitkäikäisyyden parantamisen avulla tien materiaalien kulutuksen ja huoltotaajuuden vähentämiseen ja siten ympäristöjalanjäljen pienenemiseen. Tässä artikkelissa tarkastellaan nanoaddiktoreiden taustalla olevaa tiedettä, niiden suoritushyötyjä, nykyisiä haasteita ja tulevaisuuden tutkimussuuntia.

Mitä ovat Nano-teknologia lisäaineet?

Nanoteknologian lisäaineet ovat molekyyli- tai atomitasolla käsiteltäviä materiaaleja, joiden ainutlaatuisia ominaisuuksia nanomittakaavassa syntyy. Betonissa ne lisätään tyypillisesti hienojauheina tai kolloidisina suspensioina sekoittamisen aikana. Näiden hiukkasten korkea pinta-ala-tilavuus-suhde mahdollistaa voimakkaan kemiallisen reaktiivisuuden ja fysikaalisen vuorovaikutuksen sementtihydraatiotuotteiden kanssa.

Nanoadditives-aineita ovat yleensä:

  • Nano-silica (SiO2):[ Laajimmin tutkittu lisäaine. Se toimii potzolaanina, reagoi kalsiumhydroksidin kanssa muodostaen kalsium-silikaatti-hydraattia (C-S-H) geeliä, joka lisää mikrorakennetta.
  • Nano-titania (TiO2):[ tunnettu fotokatalyyttisistä ominaisuuksista. Se voi hajottaa orgaanisia yhdisteitä ja vähentää typen oksideja antamalla konkreettisia itsepuhdistuvia ja ilmanpuhdistusominaisuuksia.
  • Nano-alumina (Al2O3):[ parantaa varhaisikää ja hankausta estävää vaikutusta edistämällä vakaiden nesteytysvaiheiden muodostumista.
  • Kirjan nanoputket (CNT) ja grafiittioksidi:[ Paranna vetolujuutta ja halkeamankestoa siltavaikutusten avulla nanomittakaavassa.

Nämä lisäaineet on sisällytetty annoksiin, jotka vaihtelevat tyypillisesti 0,5-5 painoprosenttia sementtiä. Pienetkin määrät voivat tuottaa mitattavissa parannuksia mekaanisiin ja kestävyysominaisuuksiin. Keskeisiä mekanismeja ovat täyttö nanoporoja, jotka muutoin rajoittavat lujuutta, kiihtyvät nesteytysreaktiot, ja vahvistaa kasvojenvälistä siirtymävyöhykettä aggregaattien ja tahnan välillä.

Suorituskyvyn parantamisen mekanismit

Mikrorakenteen tiheys

Tavallinen betoni sisältää mikro- ja nanokokoisia aukkoja, jotka heikentävät matriisia. Nano-silika-hiukkaset ovat esimerkiksi halkaisijaltaan noin 10.50 nm. Ne täyttävät tilat suurempien sementtijyvän ja C-S-H-levyjen välillä vähentäen kokonaishuokoisuutta. Tämä tiivistyminen vaikeuttaa veden, kloridien ja aggressiivisten kemikaalien tunkeutumista suoraan parantaa kestävyyttä.

Nukleointi ja nopeutettu nesteytys

Nanopartikkelit toimivat nesteytystuotteiden tumallisina sivustoina. Kalsiumsilikaattihydraatti (C-S-H) kasvaa ensisijaisesti pinta-alapartikkeleissa, mikä johtaa yhtenäisempään ja tiheämpään tahnaan. Tämä nopeuttaa varhaisen iän lujuuskehitystä, mikä on hyödyllistä nopealle rakenteille ja ennustustoiminnoille.

Rheologian muuttaminen

Korkea pinta-ala nano-additives voi lisätä veden kysyntää, mutta kun asianmukaisesti hajallaan superplastizers, ne parantavat työkykyä ja vähentää erottelua. Thiksotrooppinen käyttäytyminen havaitaan usein, mikä tarkoittaa betoni virtaa helposti alle leikkaus, mutta jäykistyy levossa.

Itsensä parantaminen ja älykäs toiminta

Jotkut nano-additives, kuten nano-titania, ovat fotokatalyyttisiä ominaisuuksia, jotka hajottavat orgaanisia epäpuhtauksia UV-valossa, pitää betonipinnat puhtaina. Toiset, kuten kapseloidut parantavat aineet nanomittakaavassa, voivat reagoida kosteuden kanssa tiivistää halkeamia automaattisesti. Nämä ominaisuudet pidentää käyttöikää ja vähentää ylläpitokustannuksia.

Nanoteknologian lisäaineiden edut

Lisääntynyt vahvuus

Lukuisat tutkimukset ovat ilmoittaneet puristuslujuus voittoja 20.40%, kun nano-silica käytetään optimaalinen annos. Veto- ja taivutusvoimat myös parantaa, usein 10.25%, koska parempi side agregaatti-tahna käyttöliittymä. Tämä mahdollistaa ohuempi rakenne osat, pidemmät spans, ja suurempi kuormituskapasiteetti lisäämättä sementtiä sisältöä.

Parannettu kestävyys

Vähentynyt huokoisuus parantaa suoraan resistenssiä jäätymis-haavan syklit, sulfaatti hyökkäys, ja kloridi tunkeutuu. Merirakenteiden tai sillan kannet altistuvat deicing suoloja, nano-muunneltu betoni voi kaksinkertaistaa käyttöikää verrattuna perinteisiin sekoituksiin. Tiheämpi mikrorakenne myös alentaa veden imeytymistä ja läpäisevyyttä, suojaa teräs korroosiota.

Kestävän kehityksen parantaminen

Koska nanoadditives mahdollistaa sementtiklinkkerin alemman sisällön samalla kun ylläpidetään tai parannetaan suorituskykyä, hiilijalanjälki betonikuutiometriä kohti pienenee. Lisäksi rakenteet, jotka kestävät kauemmin ja tarvitsevat vähemmän korjausta ja korvaamista, säästävät resursseja ja ruumiillista energiaa. Jotkut nano-titania-aineet myös kaappaavat saasteita ja edistävät kaupunkiilman puhdistumista.

Parempi työkyky ja pinnan laatu

Asianmukaisesti hajotettu kolloidinen nano-silika voi parantaa virtauskykyä ja vähentää verenvuotoa. Tuloksena oleva pinta on sileämpi ja vähemmän altis hunajakombisoinnille. Arkkitehtuuribetonissa nano-addiktaatit mahdollistavat terävämmät yksityiskohdat ja kiiltävät viimeistelyt.

Haasteet ja näkökohdat

Korkeat kustannukset

Puhtaiden nanohiukkasten valmistuskustannukset ovat edelleen korkeat verrattuna perinteisiin seoksiin. Vaikka tarvitaan vain pieniä annoksia, yksikköhinta voi olla 10.50 kertaa suurempi kuin mikrosilika tai lentotuhka. Tämä rajoittaa laaja-alaista käyttöönottoa suorituskykyisiin tai erikoissovelluksiin. Jatkuvan tutkimuksen tavoitteena on tuottaa nanoaddiktaatteja teollisuusjätevirroista kustannusten vähentämiseksi.

Terveys- ja turvallisuusriskit

Ilmassa olevien nanohiukkasten inhalointi valmistuksen tai sekoittamisen aikana aiheuttaa tuntemattomia terveysriskejä. Niiden pieni koko mahdollistaa niiden tunkeutumisen syvälle keuhkokudokseen. Kunnollinen käsittely edellyttää pölynhallintaa, ilmanvaihtoa ja henkilökohtaisia suojalaitteita. Nanomateriaalille altistumisen raja-arvoja koskevat sääntelypuitteet ovat edelleen kehittymässä, mikä aiheuttaa huolta urakoitsijoiden vastuusta.

Dispersio ja agglomeraatio

Nanohiukkaset yleensä agglomeroitua johtuen korkea pinta-energia, muodostaen kokkareita, jotka voivat luoda heikkoja paikkoja. Tehokas dispersio vaatii usein ultraäänikäsittelyä tai erikoistuneita kemiallisia pinta-aktiivisia. Epäyhtenäinen dispersio johtaa vaihtelevaan suorituskykyyn ja voi jopa vähentää lujuus, jos agglomeraatit toimivat stressin keskitin.

Pitkän aikavälin suorituskyvystä ei ole tietoa

Vaikka lyhyen aikavälin laboratoriokokeet ovat lupaavia, nanomuunneltujen betonien 50-100-vuotisesta suorituskyvystä on vielä vähän tietoa. Kysymyksiä nanohiukkasten mahdollisesta huuhtoutumisesta ajan mittaan ja niiden vaikutuksesta ympäristöön on edelleen kehitteillä nopeutettuja testausmenetelmiä tämän aukon umpeen kuromiseksi.

Tulevaisuuden linjaukset ja tutkimus

Itseparantava betoni

Tutkijat upottavat mikrokapseleita tai verisuoniverkostoja, jotka sisältävät krakkausten avulla aktivoituja parantavia aineita. Nanomittakaavalla voidaan lisätä katalysaattoreita kalsiumkarbonaatin tai polymeeristen täyteaineiden muodostumisen nopeuttamiseksi. Tämä teknologia voisi vähentää infrastruktuurin ylläpitoa huomattavasti.

Kanta ja vauriot

Hiilinanoputkien tai nanokitosanin sisällyttäminen betoniin luo sähköjohtavan verkon, joka muuttaa stressinsietokykyä. Tämä mahdollistaa reaaliaikaisen rakenteellisen terveysvalvonnan ilman ulkoisia sensoreita. Tällainen älykäs betoni voi varoittaa ylikuormituksesta tai väsymisestä ennen näkyvää vahinkoa.

Hybridi- ja monikomponenttijärjestelmät

Esimerkiksi erilaisten nano-additives.Nano-silika- ja nano-titania-aineiden yhdistäminen pilaantumisen torjuntaan voi tuottaa betonia, joka täyttää useita suorituskriteereitä. Hiukkasten ja niiden vuorovaikutuksen optimointi perinteisiin pozzolaneihin on aktiivinen tutkimusalue.

Standardointi ja koodit

Jotta nanoteknologiasta tulisi valtavirtaan päättynyttä, standardoituja testausmenetelmiä ja suorituskykyvaatimuksia tarvitaan. Organisaatiot, kuten [National Institute of Standards and Technology (NIST)[] ja American Concrete Institute[, kehittävät ohjeita nanomuunnelduille betonille. Lisäksi Euroopan komissio on laatinut nanomateriaalitietokannan [.

Päätelmät

Nanoteknologian lisäaineet ovat keskeinen edistysaskel betoniteknologiassa. Nanomittakaavan manipuloimalla voidaan luoda betonia, joka on vahvempi, kestävämpi ja ympäristöystävällisempi kuin koskaan aiemmin. Hyödyt, kuten vahvempi, parempi kestävyys ja parempi kestävyys, liittyvät moniin teollisuuden kiireellisiin haasteisiin infrastruktuurin pitkäikäisyydestä hiilen vähentämiseen. Kustannusten, terveyden turvallisuuden, hajonnan ja pitkän aikavälin validoinnin esteet on kuitenkin poistettava ennen kuin täysimittaisesta käyttöönotosta tulee rutiinia.Nanomuunneltu betoni on valmis muuttumaan nykyaikaisen rakentamisen vakiomateriaaliksi, joka mahdollistaa turvallisemman, pidemmän ja ympäristöystävällisemmän ja ympäristöystävällisemmän rakentamisen.

Lisätietoja saa -julkaisussa julkaistusta kattavasta tarkastelusta.Nanomateriaalit-julkaisussa julkaistut [-American Society of Civil Engineers-julkaisun ohjeet uusista materiaaleista.Nanoteknologian ja betonin yhdistäminen ei ole vain asteittainen parannus vaan myös muutos, joka muokkaa rakentamisen tulevaisuutta.