מבוא

ננוטכנולוגיה עברה מעבר למעבדה ליישומים מעשיים בתעשיות רבות, והבנייה אינה יוצאת דופן.בין ההתפתחויות הטרנספורמציות ביותר היא השימוש בתוספים ננוטכנולוגיה כדי לשפר את הביצועים קונקרטיים. חלקיקים מהונדסים אלה, בדרך כלל קטנים מ -100 ננומטרים, אינטראקציה עם מעבורת מלט בקנה מידה אטומי, הפקת בטון חזק יותר, יציב יותר, ובר קיימא יותר מאשר שילובים גלובליים וביקוש למהנדסים, עבור חומרים ננואידים חיוניים, תכונות חיוניות, תכונות חיוניות, תכונות חיוניות, ומפתחות, תכונות חיוניות, חומרים חיוניים, ומשתנים, הופך להיות חזק, חומרים חיוניים, חומרים ננו-מספקטיביות, ומודרניות, הופך להיות יותר, חומרים חיוניים, 000.

מגזר הבנייה מהווה חלק משמעותי של פליטות פחמן, בעיקר בשל ייצור מלט.על ידי שיפור היעילות והארוכות של מבנים קונקרטיים, ננוטכנולוגיה מציעה דרך להפחית את צריכת החומר ותדירות תחזוקה, ובכך להפחית את טביעת הרגל הסביבתית. מאמר זה בוחן את המדע שמאחורי ננו-עדיקים, את היתרונות שלהם ביצועים, אתגרים נוכחיים וכיוונים מחקר עתידי.

מה הם ננו-טכנולוגיה?

תוספי ננו-טכנולוגיה הם חומרים מעובדים ברמה המולקולרית או האטומית כדי לנצל תכונות ייחודיות שמופיעות ב nanoscale. בטון, הם בדרך כלל מוסיפים כמו אבקות דקות או השעיות קולונואידיות במהלך ערבוב. יחס פני השטח הגבוה-area-to-volume של חלקיקים אלה מאפשר תגובת כימי חזקה ואינטראקציות פיזיות עם מוצרי hydration מלט.

ננו-additives משותף כוללים:

  • (FLT:0)Nano-silica (SiO2): איור 1 1 הוא הנפוץ ביותר.זה פועל כמו pozzolan, להגיב עם hydroxide סידן כדי ליצור ג'ל נוסף סידן-שילאי (C-S-H) אשר מסמן את המיקרו-מבנה.
  • (FLT:0)Nano-titania (TiO2): אנדרט 1 ידוע עבור תכונות פוטו-קטליטיות.זה יכול לשבור את המזונאים האורגניים ולהקטין את תחמוצות החנקן, נותן יכולות ניקוי עצמי קונקרטיות וטיהור אווירי.
  • (ב) [ה]] [ה]: [ה]]] [ה]]], [ה], [ה],] [ה]], [ה], [ה]]]]], [ה'], [ה'], [ה'], [ה'], [ה']''''''''''']''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''
  • (ב) ו-Gateene oxide:0 (Carbon nanotubes) ו- גרף:FreaLT:1 Enhance Tenile Power and סדק Resistance באמצעות הגדלת השפעות על ננומטרי.

תוספים אלה משולבים במינון בדרך כלל החל מ 0.5% ל-5% על ידי משקל מלט. אפילו כמויות קטנות יכול לייצר שיפורים למדידה בתכונות מכניות ועמידות. מנגנונים מרכזיים כוללים מילוי nanopores כי אחרת להגביל את כוח, מאיץ תגובות היממה, וחיזוק אזור המעבר בין גזע לבין פסטה.

מכניזם של שיפור ביצועים

הכחשה מיקרו

בטון רגיל מכיל חללים בגודל מיקרו וננו אשר מחלישים את חלקיקי המטריקס.ננו-סיליקה, למשל, הם בערך 10-50 ננומטר בקוטר.הם ממלאים חללים בין גרגרי מלט גדולים יותר וגליונות C-S-H, הפחתת הנפיחות הכוללת.ההההההשגציה הזו הופכת את זה יותר קשה למים, כלורידים, וכימיקלים אגרסיביים לחדור, לשיפור ישיר.

ניקיון ושיקום

חלקיקים משמשים אתרי ניקוי עבור מוצרי hydration. Calcium לייבשה (C-S-H) גדל מעדיף באופן מועדף על חלקיקים בעלי רמה גבוהה, המוביל למשטח אחיד וצפוי יותר.זה מאיץ את התפתחות הכוח בגיל מוקדם, אשר מועיל לבנייה מהירה ופעולות טרוםcast.

שינוי הרטוריקה

השטח הגבוה של ננו-אדידים יכול להגדיל את הביקוש למים, אבל כאשר מפוזרים כראוי עם superplasticizers, הם לשפר את יכולת העבודה ולהפחית את ההפרדה.התנהגות Thixotropic הוא לעתים קרובות נצפה, כלומר זורם ישירות מתחת ל Shear אבל נוקשה במנוחה -ide for Pumping and intricate Formwork.

הגשמה עצמית ותפקוד חכם

כמה ננו-אדריגים, כגון ננו-טיטהניה, בעלי תכונות פוטו-קטליטיות המפרות את הזיהום האורגני תחת אור UV, שמירה על משטחים קונקרטיים נקיים. אחרים, כמו סוכני ריפוי מלוכדים ב- nanoscale, יכולים להגיב עם לחות סדקים באופן אוטומטי.יכולות אלה להאריך את חיי השירות ולהפחית את עלויות תחזוקה.

היתרונות של ננו-טכנולוגיה Additives

כוח מוגבר

מחקרים רבים דיווחו על עלייה של כוח דחוס של 20-40% כאשר ננו-סייקה משמשת במינון אופטימלי. Tensile ו flexural גם לשפר, לעתים קרובות על ידי 10-25%, בשל חיבור טוב יותר בממשק ה-paste המצטבר.זה מאפשר חלקים מבניים דקים, אורכו יותר, וקיבולת עומס גבוהה יותר ללא תוכן גדל.

שיפור יכולת

פורוזיות מופחתת משפרת ישירות את ההתנגדות למחזורי הקפאה, התקפה סולפטת, וכלור באגרסיביות.עבור מבנים ימיים או סיפון גשר שנחשפו למלחים, בטון ננו-מתוני יכול להכפיל את חיי השירות בהשוואה לתערובת קונבנציונלית.מבנה המיקרו הדחוס יותר גם מוריד ספיגה מים וכושר, הגנה על חיזוק פלדה מפני קורוזיון.

שיפור יכולת

מכיוון שננו-additives מאפשרים תוכן קידוד מלט נמוך יותר תוך שמירה או שיפור ביצועים, טביעת הרגל פחמן למטר מעוקב של בטון מופחת.בנוסף, מבנים כי אחרון זקוקים יותר פחות תיקון והחלפת, חיסכון משאבים ואנרגיה מגולמת. כמה ננו-חומרים כמו ננו-טניה גם ללכוד את האקטנטים, לתרום לניקוי אוויר עירוני.

עבודה טובה יותר ואיכות פני השטח

ננו-סייקה מתפזר כראוי יכול לשפר את זרימת הדם ולהקטין את הדימום.המשטח המתקבל הוא חלק יותר ופחות נוטה לדבש.ב בטון אדריכלי, ננו-דידיים מאפשרים פרטים חדים יותר וסימני ברק גבוהים יותר.

אתגרים ושיקולים

עלויות גבוהות

עלות הייצור של חלקיקים גבוהים חלקיקים נשאר גבוה בהשוואה לפרסומות קונבנציונליות.למרות שרק מינונים קטנים נדרשים, מחיר היחידה יכול להיות גבוה פי 10-50 מאשר מיקרו-סיליקה או זבוב אפר. זה מגביל אימוץ נרחב לביצועים גבוהים או יישומים מיוחדים. מחקר מתמשך נועד לייצר ננו-דיטים מפסולות תעשייתיות כדי להפחית עלויות.

סיכון בריאות ובטיחות

שאיפת חלקיקים באוויר במהלך הייצור או ערבוב מציבה סיכונים בריאותיים לא ידועים. הגודל הקטן שלהם מאפשר להם לחדור עמוק לתוך רקמת ריאות.טיפול נכון דורש בקרת אבק, אוורור וציוד הגנה אישי.

אכזבה והזדקנות

חלקיקים ננו-חלקיקים נוטים להתגאומלות בשל אנרגיה על פני השטח גבוהה, יצירת קלומפסים שיכולים ליצור כתמים חלשים.פיזור יעיל דורש לעתים קרובות טיפול קולי או גולשים כימיים מיוחדים.פיזור לא עקבי מוביל לביצועים משתנים ואפילו יכול להפחית את הכוח אם agglomerates לפעול כמו concentrators מתח.

ביצועים לטווח ארוך לא ידועים

בעוד שבדיקות מעבדה לטווח קצר מבטיחות, נתונים על הביצועים של 50 עד 100 שנים של בטון ננו-מתוני עדיין מוגבלים.שאלות נשארות על נטיעת חלקיקים פוטנציאליים לאורך זמן ועל השפעתם על הסביבה.

כיוונים עתידיים ומחקר

הרתעה עצמית

החוקרים מטביעים מיקרו-capsules או רשתות פולשניות המכילות סוכני ריפוי המופעלים על ידי סדק.ב- nano-scale, זרזים ניתן להוסיף כדי להאיץ את היווצרות של פחמן סידן או ממלאים פולימרים. טכנולוגיה זו יכולה להפוך את התשתית לתדירות הרבה פחות.

סטרין ונזקים

שילוב צינורות פחמן או ננו-צ'יואן לתוך בטון יוצר רשת מוליכים חשמלית שמשנה התנגדות תחת לחץ.זה מאפשר ניטור בריאות מבני בזמן אמת ללא חיישנים חיצוניים. בטון חכם כזה יכול להזהיר מפני עומס יתר או עייפות לפני הנזק הנראה לעין מתרחש.

מערכות היברידיות ורב-שותף

שילוב nano-additives שונים - לדוגמה, ננו-סייקה עבור כוח וננו-טיטה לשליטה בזיהום - יכול לייצר בטון שעומד בקריטריונים מרובים של ביצועים.אופטימיזציה סינרגיה בין חלקיקים לבין אינטראקציה שלהם עם פוזולנים מסורתיים היא תחום פעיל של חקירה.

סטנדרטיזציה וקודים

(הופנה מהדף NIST) יש צורך בשיטות מבחן סטנדרטיות ומפרטים של ביצועים. ארגונים כמו FLT:0 (המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) IRFLT:1 ו-FLT:2 American Concrete InstitutecioFLT 3:0) מפתחים הנחיות עבור קונקרטיים ננו-מתו.

מסקנה

תוספי ננוטכנולוגיה מייצגים התקדמות מרכזית בטכנולוגיה קונקרטית.על ידי מניפולציה של החומר ב nanoscale, מהנדסים יכולים ליצור קונקרטי חזק יותר, עמיד יותר, ותגובה סביבתית יותר מאי פעם. היתרונות כגון כוח מוגבר, עמידות מוגברת, ושיפור כתובת קיימות רבות של האתגרים הדוחקים של התעשייה, החל מתשתית ארוכת טווח להפחתה פחמן.

לקריאה נוספת, עיין בסקירה מקיפה שפורסמה ב-FLT:0NanomaterialsFLT:1 וההנחיות של FLT:2 American Society of Civil EngineerssveFLT:3 על חומרים מתעוררים.שילוב של ננוטכנולוגיה עם בטון אינו רק שיפור מצטבר - זהו שינוי טרנספורמטיבי שיעצב את עתיד הבנייה.