تکنولوژی نانو در صنعت ساختمان

کاربرد فناوری نانو و نانو مواد در صنعت ساختمان

تکنولوژی نانو در صنعت ساختمان ، فناوری نوین و یکی از علوم جدید در راستای پیشرفتهای فنی قرن حاضر است.

به کارگیری مواد با ساختارهایی بر مبنای ابعاد نانومتری ما را به سمت توسعه رهنمون ساخته است.

حوزه فناوری نانو با جهش بزرگی که در طول ده سال گذشته داشته، توسعه قابل توجهی کرده است.

برخی برآوردها پیش بینی میکنند که محصولات و خدمات مربوط به فناوری نانو، بعد از سال 2015 میتواند به هزار میلیارد یورو در سال برسد (2001, NSF ) در دنیای پیشرفته امروز صنعت ساختمان، سرمایه گذاری کلان و دراز مدتی بوده و میبایست این صنعت را با کمک فناوریهای نوین جهان از راکد ماندن دور نگهداشت و فناوریهای نوین را در این صنعت عظیم به کارگرفت.

فناوری نانو در صنعت ساختمان، در رتبه 8 از 10 برنامه های کاربردی قرار دارد که مسلما بر جهان درحال توسعه تاثیر گذار است.

محصوالت فناوری نانو را میتوان برای طراحی و فرآیندهای ساخت در بسیاری از اجزا ساختمان استفاده کرد.

محصوالت تولید شده فناوری نانو ویژگیهای منحصر به فرد زیادی دارد و به طور قابل توجهی میتواند، مشکلات در حال حاضر ساخت وساز را رفع کند و ممکن است روند ساخت وساز را تغییر دهد.

روشهای نوین طراحی سازه ها و سیستمهای پایش و کنترل مداوم آنها، در کنار قابلیت جدید مصالح و مواد متشکله ی ساختمانها، صنعت ساختمان را به سوی باز دهی و کارآیی بیشتر و دوام و پایایی طولانی تر و سازگاری بهتر با نیازهای انسانی، هدایت میکند.

تحقیقات و تحوالت در زمینه کاربرد فناوری نانو نشان میدهد که استفاده از این فناوری و نانو مواد میتواند مصالح ساختمانی مرسوم را بهبود بخشد، مصالحی مانند بتن، سیمان، فوالد، شیشه، رنگها، پوششها، عایقها و…

مفاهیم اساسی تکنولوژی نانو

نانومواد به عنوان آن دسته از مواد فیزیکی با حداقل یکی از ابعاد بین 1 … 150 نانومتر تعریف شده است.

یکی از اساسیترین تفاوتهای بین نانومواد و مواد با مقیاس بزرگ، این است که نانومواد، نسبت سطح به حجم استثنایی دارند.

درنتیجه سطح بیشتر نانومواد در مقایسه ی با حجم آنها نقش بسیار مهمی در خصوصیات این مواد ایفا میکند.

در حالت کلی، فناوری نانو عبارت است از تحلیل و تحقیق پیرامون مواد در مقیاس نانو. بر این اساس، هر فعالیت پژوهشی که در مقیاس زیر 100 نانومتر انجام شود، مصداق فناوری نانو خواهد بود.

در این مقیاس است که ویژگیهای مواد، دستخوش تغییر وتحول میشوند در این فناوری با تولید ساختارهایی در مقیاس نانومتر، امکان کنترل خواص ذاتی مواد از جمله دمای ذوب، خواص مغناطیسی ، ظرفیت بار و حتی رنگ مواد بدون تغییر در ترکیب شیمیایی بوجود می آید .

دو روش اصلی در استفاده از فناوری نانو وجود دارد. در ابتدا، روش ˮ بالا به پایین ” که بسیار دقیق است،

1-روش گرفتن یک تکه از ماده و بریدن وکوچک کردن آن به ابعادی که میخواهیم.

در این روش نانومواد و دستگاهها از مواد بزرگتر بدون کنترل سطح ساخته میشوند.

2- ساخت مواد خیلی کوچک، روش “ پایین به بالا ” که در طی این روش ساخت، اتمها و مولکولها به طور خیلی دقیق کنار هم قرار میگیرند و هر جا که نیاز باشد، چنین مجموعه ی خود آرایش یافته ای را پدید می آورند.

در اینجا، واحدهای ساختمانی مولکولی یا اتمی طوری طراحی میشوند که به خوبی در کنار هم جای گیرند و به هم بچسبند تا اشیای بزرگتری را بسازند.

در این روش نانومواد و دستگاهها از اجزای مولکولی ساخته میشوند.

کاربرد تکنولوژی نانو در صنعت ساختمان

صنعت ساختمان، صنعتی است که شامل بخش های متعددی می باشد و از این رو، تغییرات در آن، با سرعت بسیار کمی به وقوع میپیوندد.

وجود قوانین و مقررات سختگیرانه، از مشخصه های این صنعت است.

طیف گستردهای از چالشها وجود دارند که صنعت ساختمان با آنها مواجه است، مانند عملکرد نانو مواد در مواجه با مسائل محیط زیست، تاثیرات مخرب بر سلامت انسان و ایمنی مربوط به مواد اولیه و خواص آنها.

تحوالت اخیر در زمینه های مختلف از فناوری نانو نشان میدهد که این فناوری رویکرد نوید بخشی را در مواجه با بسیاری از این چالشها دارد.

همچنین طول عمر زیاد محصولات این صنعت و هزینه های بسیار زیاد، از دیگر مختصات این صنعت بزرگ در دنیا هستند. در کشور ایران نیز میتوان گفت بزرگترین و گسترده ترین صنعت، صنعت ساختمان است.

شایان ذکر است که صنعت ساختمان، از اولین صنایعی بود که فناوری نانو در آن به عنوان فناوری نوید بخشی معرفی شد و میتواند این صنعت را با تحوالت عظیمی مواجه کند.

به کارگرفتن فناوری نانو در صنعت ساختمان، شامل توسعه مفهوم و درک درستی از هیدراتاسیون ذرات سیمان و استفاده از مواد در ابعاد نانو مانند آلومینا و سیلیکا و سایر نانوذرات جدید است.

همچنین موجب ارتقای مشخصه ها و کیفیتهای حیاتی مواد و مصالح ساختمانی (مقاومت، دوام، سبکی و غیره) میشود، فناوری نانو کاربردهای گستردهای را در صنعت ساختمان دارد که در ادامه این مقاله به بررسی برخی از این کاربردها در مصالح ساختمانی به نمایندگی از طیف وسیعی از مهندسی عمران و صنعت ساختمان میپردازیم.

نانو سیمان

تکنولوژی نانو در سیمان را میتوان اینگونه بیان کرد که کاربرد انواع سیمان در حوزه های مختلف صنعت ساختمان به اندازهای فراگیر است که شاید نتوان بدون وجود این مادهی کم نظیر، بسیاری از فرآیندهای ساخت وساز را انجام داد.

به همین علت، اکثر تحقیقات فناوری نانو که در صنعت ساختمان انجام میشود مربوط به ساختار مواد پایه سیمانی و مکانیسم شکستگی در کامپوزیت است.

مواد سیمانی، قابلیت شگفت انگیز تبدیل از یک سیستم معلق مایع به جامد سفت و سخت، بدون هیچ ماده ی خارجی ورودی در دمای اتاق را دارند، اما این فرآیند از هیدراتاسیون بسیار پیچیده است، که شامل دهها نوع واکنش شیمیایی میباشد، در نتیجه بسیاری از جنبه ها هنوز هم به خوبی قابل درک نیست.

با توجه به پیچیدگی واکنشها در مواد سیمانی، پیشرفت هایی که شده تا حد زیادی بر اساس رویکرد تجربی در مقیاس ماکروسکوپی است.

ورود روشی از علوم نانو این پتانسیل را دارد که انقلابی در مواد سیمانی پدید آورد و فرآیندهای فیزیکی- شیمیایی مقیاس میکرو و نانو را فعال کند تا بتوان رفتارماکروسکوپی را برای درک و دستکاری، کنترل کرد بسیاری از مشخصات بتن و مواد پایه سیمانی، به وسیله ی ریزساختارهای نانو مقیاس، به ویژه ماده ی بسیار متغیرکلسیم اداره میشود که قابل توجهترین پیشرفت فناوری نانو در مواد سیمانی در همین فاز از خمیر تجهیزات است سیمان جدید و پیشرفته مشاهده ساختار مواد در سطح اتمی و حتی اندازه گیری استحکام،سختی و دیگر خواص اولیه مقیاس میکرو تا مقیاس نانو از پایه مواد، ممکن شده است.

با توجه به تعریف گستردهای از فناوری نانو، در حال حاضر نمونه هایی از کاربرد آن در استفاده از مواد سیمانی وجود دارد

نانو بتن

بتن یکی از رایج ترین مصالح ساختمانی است و به طور گسترده در صنعت ساختمان مورد استفاده قرار میگیرد.

بتن ساخته شده با تکنولوژی نانو یک نانوساختار، چند فازی، مواد کامپوزیتی که دارای سنین مختلف و متشکل از فاز آمورف، اندازه کریستال میکرومتر تا نانومتر و آب محدود است، که تقریبا در همه ساخت وسازها از جمله جادهها، پلها و انواع ساختمانها کاربرد گستردهای دارد.

تعامل این علم با علم بتن میتواند نقطه عطفی در صنعت ساختمان ایجاد کند.

هدف نهایی از بررسی نانو بتن در مقیاس نانو، یافتن نسلی جدید از مصالح ساختمانی با عملکردهای بالا و با خواصی جدید و متفاوت نسبت به خواص مصالح معمولی است.

بتن به روشهای متعدد اصالح میشود که یکی از آنها اضافه کردن نانومواد است.

فناوری نانو به صورت گسترده در مطالعه خواص بتن مانند فرآیند هیدراسیون، واکنش سیلیکات قلیایی و واکنش پذیری خاکستر، استفاده میشود.

واکنش سیلیکات قلیایی به دلیل محتوای قلیایی سیمان و سیلیس موجود در مواد واکنش ایجاد میشود.

خاکستر بادی علاوه بر این که دوام و مقاومت بتن را بهبود میبخشد، از عوامل پایدار برای کاهش نیاز به مصرف سیمان نیز است.

با این حال، خاکستر بادی سرعت بتن را در رسیدن به مقاومت اولیه و مدت زمان مراقبت از آن را در مقایسه با بتن معمولی میکاهد.

در سنین اولیه ی آن بیفزاید و توزیع اندازه ی منافذ را در بتن به وسیله ی پر کردن فضای خالی بین ذرات درشت خاکستربادی و ذرات سیمان در مقیاس نانو، بهبود ببخشد.

همچنین دوغابی از نانو سیلیس آمورف سبب افزایش مقاومت بتنهای خودمتراکم در برابر جدا شدن سنگ دانه ها میشود دی اکسید تیتانیوم، نوعی رنگدانه سفید است که به عنوان یک پوشش منعکس کننده بسیار عالی استفاده میشود

نانو فولاد

نانو فولاد یکی از مهمترین و پرکاربردترین مصالح ساختمانی میباشد. خواصی نظیر استحکام، مقاومت به خوردگی و قابلیت جوشکاری آن در طراحی و ساخت بسیار مهم هستند.

استفاده از فناوری نانو در فولاد ، به بهبود خواص فیزیکی آن کمک میکند. طراحی امروزه فولاد برای پیش- گیری از بروز خستگی یا شکست ساختاری از فولاد ، با توجه به بارگذاری تناوبی آن،

سه قاعدهی محدود کنندهی کاهش تنش مجاز، کاهش زمان عمر مفید و افزایش بازدیدهای منظم را اعمال میکنند، اعمال این محدودیتها تاثیر قابل توجهی بر هزینه- های دوران عمر مفید سازه و استفاده مفید از مصالح خواهد گذاشت.

افزایش تنشها در فولاد ، باعث ایجاد ترکهایی است که از نتایج آن گسیختگی و خستگی در فولاد است، می شوند.

افزودن نانو ذرات مس به فولاد همچنین منجر به محدود شدن افزایش تنش و در نتیجه ترکهای ناشی از خستگی است.

نانو ذرات مشکالت ناشی از گسیختگی به تعویق افتادهی مرتبط با پیچهای پرمقاومت را برطرف می- کنند.

افزودن نانو ذرات باعث افزایش سختی جوش میشود. دو محصوالت نسبتا جدید قابل دسترس امروزه، سندویک نانوفلکس و MMFX2هستند. هر دو در برابر خوردگی مقاوم هستند، اما خواص مکانیکی مختلف دارند،

نانو پوشش، رنگ و مواد عایق

تکنولوژی نانو میتواند به منظور کاهش هزینه های ساخت، تعمیر و نگهداری و کاهش هزینه های انرژی در صنعت ساختمان استفاده شود.

موادی که در صنعت ساختمان به کار میروند باید در مقابل نیروهای وارده حداکثر استحکام و مقاومت را داشته باشند و در طول زمان (عمر مفیدشان) کارایی خود را حفظ کنند.

مقیاس این لایه ها یا فیلمهای نازکی که به عنوان پوشش یا روکش مواد استفاده میشوند، در ابعاد نانو و نهایتا در حد میکرون هستند.

و در نهایت

در عرصه کاربرد تکنولوژی نانو در صنعت ساختمان و نواوری های جدید با استفاده از نانومواد میباشد.

فناوری نانو زمینه ای از تحقیقات علمی است که رشد بسیار سریعی دارد، در جهت ساخت و ساز زیر ساختها ، گسترش پیدا کند.

ورود تحقیقات فناوری نانو در صنعت ساختمان، انتظاراتی را در زمینهی ارتقای مشخصه ها و کیفیتهای حیاتی مواد و مصالح ساختمانی در ذهن متخصصان این عرصه ایجاد میکند.

علاوه بر اینها، میتوان عملکردهای جدید ذخیره سازی انرژی، خود ترمیم کنندگی، قابلیت ضد مه گرفتگی، خود درمان شوندگی و غیره و همچنین بهبود و ارتقای اجزای اصلی را که با هدف نگهداری و تضمین سلامت ساختمان استفاده میشوند (حس گرهای پایش سالمت سازه)، از مواد جدید انتظار داشت.

جهت دانلود مقاله در این قسمت کلیک نمایید.