کاربرد فناوری نانو و نانو مواد در صنعت ساختمان

تکنولوژی نانو در صنعت ساختمان ،  فناوری نوين و يکی از علوم جديد در راستای پیشرفتهای فنی قرن حاضر است.

به کارگیری مواد با ساختارهايی 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 يورو در سال برسد (2001, NSF ) در دنیای پیشرفته امروز صنعت ساختمان، سرمايه گذاری کلان و دراز مدتی بوده و میبايست اين صنعت را با کمک فناوریهای نوين جهان از راکد ماندن دور نگهداشت و فناوریهای نوين را در اين 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 فرآيندهای ساخت در بسیاری از اجزا ساختمان استفاده کرد.

محصوالت تولید شده فناوری نانو ويژگیهای منحصر به فرد زيادی 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 نوين طراحی سازه ها و سیستمهای پايش و کنترل مداوم آنها، در کنار قابلیت جديد مصالح و مواد متشکله ی ساختمانها، صنعت ساختمان را به سوی باز دهی و کارآيی بیشتر و دوام و پايايی طولانی تر و سازگاری بهتر با نیازهای انسانی، هدايت میکند.

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

مفاهیم اساسی تکنولوژی نانو 

نانومواد به عنوان آن دسته از مواد فیزيکی با حداقل يکی از ابعاد بین 1 … 150 نانومتر تعريف شده است.

يکی از اساسیترين تفاوتهای بین نانومواد و مواد با مقیاس بزرگ، اين است که نانومواد، نسبت سطح به حجم استثنايی دارند.

درنتیجه سطح بیشتر نانومواد در مقايسه ی با حجم آنها نقش بسیار مهمی در خصوصیات اين مواد ايفا میکند.

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

در اين مقیاس است که ويژگیهای مواد، دستخوش تغییر وتحول میشوند در اين فناوری با تولید ساختارهايی در مقیاس نانومتر، امکان کنترل خواص ذاتی مواد از جمله دمای ذوب، خواص مغناطیسی ، ظرفیت بار و حتی رنگ مواد بدون تغییر در ترکیب شیمیايی بوجود می آيد .

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

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

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

2- ساخت مواد خیلی کوچک، روش “ پايین به بالا ” که در طی اين روش ساخت، اتمها و مولکولها به طور خیلی دقیق کنار هم قرار میگیرند و هر جا که نیاز باشد، چنین مجموعه ی خود آرايش  يافته ای  را پديد می آورند.

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

در اين 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 اين رو، تغییرات در آن، با سرعت بسیار کمی به وقوع میپیوندد.

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

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

تحوالت اخیر در زمینه های مختلف از فناوری نانو نشان میدهد که اين فناوری رويکرد نويد بخشی را در مواجه با بسیاری از اين چالشها دارد.

همچنین طول عمر زياد محصولات اين صنعت و هزينه های بسیار زياد، از ديگر مختصات اين صنعت بزرگ در دنیا هستند. در کشور ايران نیز میتوان گفت بزرگترين و گسترده ترين صنعت، صنعت ساختمان است.

شايان ذکر است که صنعت ساختمان، از اولین صنايعی بود که فناوری نانو در آن به عنوان فناوری نويد بخشی معرفی شد و میتواند اين 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 ساير نانوذرات جديد 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 اين مقاله به بررسی برخی از اين کاربردها در مصالح ساختمانی به نمايندگی از طیف وسیعی از مهندسی عمران و صنعت ساختمان میپردازيم.

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 شايد نتوان بدون وجود اين مادهی کم نظیر، بسیاری از فرآيندهای ساخت وساز را انجام داد.

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

مواد سیمانی، قابلیت شگفت انگیز تبديل از يک سیستم معلق مايع به جامد سفت و سخت، بدون هیچ ماده ی خارجی ورودی در دمای اتاق را دارند، اما اين فرآيند از هیدراتاسیون بسیار پیچیده است، که شامل دهها نوع واکنش شیمیايی میباشد، در نتیجه بسیاری از جنبه ها هنوز هم به خوبی قابل درک نیست.

با توجه به پیچیدگی واکنشها در مواد سیمانی، پیشرفت هايی که شده تا حد زيادی بر اساس رويکرد تجربی در مقیاس ماکروسکوپی است.

ورود روشی از علوم نانو اين پتانسیل را دارد که انقلابی در مواد سیمانی پديد آورد و فرآيندهای فیزيکی- شیمیايی مقیاس میکرو و نانو را فعال کند تا بتوان رفتارماکروسکوپی را برای درک و دستکاری، کنترل کرد بسیاری از مشخصات بتن و مواد پايه سیمانی، به وسیله ی ريزساختارهای نانو مقیاس، به ويژه ماده ی بسیار متغیرکلسیم اداره میشود که قابل توجهترين پیشرفت فناوری نانو در مواد سیمانی در همین فاز از خمیر تجهیزات است سیمان جديد و پیشرفته مشاهده ساختار مواد در سطح اتمی و حتی اندازه گیری استحکام،سختی و ديگر خواص اولیه مقیاس میکرو تا مقیاس نانو از پايه مواد، ممکن شده است.

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

نانو بتن

بتن يکی از رايج ترين مصالح ساختمانی است و به طور گسترده در صنعت ساختمان مورد استفاده قرار میگیرد.

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

تعامل اين علم با علم بتن میتواند نقطه عطفی در صنعت ساختمان ايجاد کند.

هدف نهايی از بررسی نانو بتن در مقیاس نانو، يافتن نسلی جديد از مصالح ساختمانی با عملکردهای بالا و با خواصی جديد و متفاوت نسبت به خواص مصالح معمولی است.

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

فناوری نانو به صورت گسترده در مطالعه خواص بتن مانند فرآيند هیدراسیون، واکنش سیلیکات قلیايی  و واکنش پذيری خاکستر، استفاده میشود.

واکنش سیلیکات قلیايی به دلیل محتوای قلیايی سیمان و سیلیس موجود در مواد واکنش ايجاد میشود.

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

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

در سنین اولیه ی آن بیفزايد و توزيع 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 افزايش مقاومت بتنهای خودمتراکم در برابر جدا شدن سنگ دانه ها میشود دی اکسید تیتانیوم، نوعی رنگدانه سفید است که به عنوان يک پوشش منعکس کننده بسیار عالی استفاده میشود

نانو فولاد

نانو فولاد يکی از مهمترين و پرکاربردترين 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 فیزيکی آن کمک میکند. طراحی امروزه فولاد برای پیش- گیری از بروز خستگی يا شکست ساختاری از فولاد ، با توجه به بارگذاری تناوبی آن،

سه قاعدهی محدود کنندهی کاهش تنش مجاز، کاهش زمان عمر مفید و افزايش بازديدهای منظم را اعمال میکنند، اعمال اين محدوديتها تاثیر قابل توجهی بر هزينه- های دوران عمر مفید سازه و استفاده مفید از مصالح خواهد گذاشت.

افزايش تنشها در فولاد ، باعث ايجاد ترکهايی است که از نتايج آن گسیختگی و خستگی در فولاد است، می شوند.

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

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

افزودن نانو ذرات باعث افزايش سختی جوش میشود.  دو محصوالت نسبتا جديد قابل دسترس امروزه، سندويک 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 هزينه های ساخت، تعمیر و نگهداری و کاهش هزينه های انرژی در صنعت ساختمان استفاده شود.

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

مقیاس اين لايه ها يا فیلمهای نازکی که به عنوان پوشش يا روکش مواد استفاده میشوند، در ابعاد نانو و نهايتا در حد میکرون هستند.

و در نهایت

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

فناوری نانو زمینه ای از تحقیقات علمی است که رشد بسیار سريعی دارد، در جهت ساخت و ساز زير 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 اين عرصه ايجاد میکند.

علاوه بر اينها، میتوان عملکردهای جديد 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 پايش سالمت سازه)، از مواد جديد انتظار داشت.

جهت دانلود مقاله در این قسمت کلیک نمایید.

منبع:
مقاله کاربرد فناوری نانو و نانومواد در صنعت ساختمان نوشته دکتر ابراهیم سلامی استادیار دانشگاه