کاربرد نانو در صنعت ساختمان

*مهدی گلشهر فناوری نانو، دانش و مهندسی در سطح مولکول ها است. این واژه اصطلاحی کلی برای بخشی از فناوریها، تکنیک ها و فرآیندهاست که شامل دستکاری و تولید مواد در کوچک ترین مقیاس ممکن است. در این مقیاس، ذارات از قوانین فیزیک و شیمی کلاسیک پیروی نمیکنند و با دنیایی کاملا متفاوت روبه رو هستیم. اهمیت این علم در کشورهای صنعتی باعث شده که دولت ها سرمایه گذاری کلانی را روی این بخش داشته باشند. درآمد بالا و اشتغال زایی در سال های آینده از نتایج پیش بینی شده این دانش و فناوری است. از سال 1994 تا 2004 سرمایه گذاری جهانی روی نانو تکنولوژی 10 برابر شده و اختراعات زیادی هم در این زمینه ثبت گردیده است. در این مقاله با توجه به جدید بودن علم نانو تکنولوژی آنچه که مد نظر است معرفی مواد نانو ساختار و نیز بیان مزایای استفاده از این مواد در صنعت ساختمان سازی با توجه به نتایج آزمایشگاهی میباشد. مواد نانو به عنوان موادی که حداقل یکی از ابعاد آن (طول، عرض، ضخامت) زیر 100 نانومتر باشد تعریف شده اند، یک نانومتر یک هزارم میکرون یا حدود 100000 برابر کوچک تر از موی انسان است. نانو لوله ها طبقه جدیدی از محصولات میباشند که انقلابی جدید در زمینه مصالح و مواد پیشرفته را بوجود آورده اند. یک نسل جدید از نانو کامپوزیت های چند منظوره میتوانند به عنوان نانو لوله های کربنی در نقش الیاف مسلح کننده مناسب آن مواد مورد استفاده قرار گیر ند. بنابراین نانو لوله های کربنی از اجزای کلیدی بدست آوردن هدف اصلی ذکر شده در فوق به عنوان مصالح ساختمانی با عملکرد بالای چند منظوره، بازی میکنند. خواص فیزیکی و شیمیایی مواد نانو (در شکل و فرم های متعددی که وجود دارند از جمله ذرات، الیاف، گلوله و..) در مقایسه با مواد میکروسکوپی تفاوت اساسی دارند. تغییرات اصولی که وجود دارد نه تنها از نظر کوچکی اندازه بلکه از نظر خواص جدید آن ها در سطح مقیاس نانو میباشد. هدف نهایی از بررسی مواد در مقیاس نانو، یافتن طبقه جدیدی از مصالح ساختمانی با عملکرد بالا میباشد، که آنها را میتوان به عنوان مصالحی با عملکرد بالا و چند منظوره اتلاق نمود. منظور از عملکرد چند منظوره، ظهور خواصی جدید و متفاوت نسبت به خواص مواد معمولی میباشد به گونه ای که مصالح بتوانند کاربردهای گوناگونی را ارائه نمایند. مواد نانو ساختاری که با توجه به نوظهور بودن میتوانند تحولی شگرف در صنعت ساختمان سازی و صنایع وابسته به آن ایجاد کنند. مواد نانو کمپوزیت: مواد نانو کمپوزیت بر پایه پلیمر (ماتریس پلیمری) اولین بار در سال های 70 معرفی شده اندکه از تکنولوژی سول-ژل (Sol-Gel) جهت انتشار (Disperse) دادن ذرات نانو کانی درون ماتریس پلیمر استفاده شده است. هرچند تحقیقات انجام شده در دو دهه گذشته برای توسعه تجاری این مواد توسط شرکت تویوتا در ژاپن در اواخر سال های 80 صورت گرفته است، ولی رشته نانو کمپوزیت پلیمر هنوز در مرحله جنینی و در آغاز راه میباشد. در این شرایط نانو آلومینا، بهترین ساختار نانوئی است که افق جدیدی را در صنعت سرامیک نوید میدهد. زیرا کاربرد این مواد پدیده ای است که از نظر مکانیکی، الکتریکی و خواص حرارتی به طور مناسب دارای تعادل بوده و در رشته های مختلف کاربرد دارد. از جمله میتوان به چند نمونه اشاره کرد: تکنولوژی نانو فلز آرتوناید که اخیراً به طور تجاری، الیاف نانویی آلومینا، انقلابی در رشته سرامیک به وجودآورده است. ذرات نانویی غیر فلز مانند: نانو سیلیکا، نانو زیرکونیا و مواد دیگر اصلاح کننده سرامیک ها میباشد. از مهم ترین پیشرفت های به وجود آمده در صنعت مصالح ساختمانی، بتن با عملکرد بالا میباشد، برای درک بهتر رفتار این نوع مصالح باید ساختار بتن و خمیر سیمان در مقیاس نانو مورد بررسی قرار گیرد و نیز بتوان با کاربرد مصالح نانو، بتن با عملکرد بالا و چند منظوره ساخت که دارای خاصیت الکترو مغناطیسی بوده و قابلیت به کار گیری در سازه های اتمی (محافظت از تشعشعات) را داشته باشد و نیز در سازه های ساختمانی تاثیر به سزایی در حفظ انرژی ساختمان ایفا کند. بتن با عملکرد بالا: (HPC) یکی از چالش هایی که در رشته مصالح ساختمانی به وجود آمده است، بتن با عملکرد بالا میباشد. این نوع بتن مقاوم از نوع مصالح کامپوزیت بوده و از نظر دوام جزو مصالح کامپوزیت و چند فازی مرکب و پیچیده میباشد. خواص، رفتار و عملکرد بتن بستگی به نانو ساختار ماده زمینه بتن و سیمانی دارد که چسبندگی، پیوستگی و یکپارچگی را به وجود میآورد. بنابراین، مطالعات بتن و خمیر سیمان در مقیاس نانو برای توسعه مصالح ساختمانی جدید و کاربرد آنها بسیار حائز اهمیت میباشد. روش معمولی برای توسعه بتن با عملکرد بالا اغلب شامل پارامترهای مختلفی از جمله طرح اختلاط بتن معمولی و بتن مسلح با انواع مختلف الیاف میباشد. در مورد بتن به طور خاص، علاوه بر عملکرد با دوام و خواص مکانیکی بهتر، بتن با عملکرد بالای چند منظوره (MHPC) خواص اضافه دیگری را دارا میباشد، از جمله میتوان به خاصیت الکترو مغناطیسی، و قابلیت به کار گیری در سازه های اتمی (محافظت از تشعشعات) افزایش موثر بودن آن در حفظ انرژی ساختمان ها و... را نام برد. نانو سیلیس آمورف: در صنعت بتن، سیلیس یکی از معروف ترین موادی است که نقش مهمی در چسبندگی و پر کنندگی بتن با عملکرد بالا (HPC) ایفا میکند. محصول معمولی همان سلیکیافیوم یا میکرو سیلیکا میباشد که دارای قطری در حدود 0. 1تا 1 میلی متر میباشد و دارای اکسید سیلیس حدود 90 درصد میباشد. میتوان گفت که میکرو سیلیکا محصولی است که در محدوده بالای اشل اندازه نانو متر جهت افزایش عملکرد کامپوزیت مواد سیمانی به کار برده میشود. تمام کارهای انجام یافته بر روی کاربرد مواد نانو سیلیس کلوئیدی (Colloidal Nano Silica) در بخش اصلاح خواص ریولوژی، کار پذیری و مکانیکی خمیر سیمان بوده است. آنچه در اینجا مطرح است نتایج اولیه محصولات نانو سیلیس با قطری در محدوده 5 تا 100 نانوم تر میباشد. یکی دیگر از شاخه های کاربردی فناوری نانو در صنایع مختلف پوشش های نانویی است. پوشش های نانو ساختار در بسیاری از موارد نسبت به پوشش های معمولی دارای مزایای بسیاری هستند که از جمله آنها میتوان به مقاومت در برابر اتنقال حرارت، مقاومت در برابر خوردگی، افزایش سختی، سایش، پوسیدگی، کاهش آلودگیهای محیط و غیره اشاره کرد. نانو پوشش ها از جمله مواردی هستند که در مقایسه با دیگر صنایع، فناوری نانو با سرعت بیشتری در آن ها رشد پیدا کرده است. Nansulate ترکیب دو کلمه Nanotechnology و Insulation بوده که به معنی نانو عایق میباشد. طبق تحقیقات انجام گرفته توسط موسسه استاندارد آمریکا، Nansulate مانند یک سد حرارتی عمل مینماید و از هر سه راه انتقال حرارت (رسانش – همرفت – تابش) جلوگیری میکند. نانو کاپوزیت های موجود در این پوشش بر اساس استاندارد ASTM C-518 دارای ضریب انتقال حرارت بسیار کم و در حدود 0. 027 W/mK میباشد. سطحی که به وسیله Nansulate عایق کاری گردیده است، از تونل های نانو متری درهم رفته تشکیل شده که دیواره این تونل ها فقط چند نانو متر ضخامت دارد. هوای به دام افتاده در این تونل ها بهتر از سایر عایق ها عمل میکند و مانع عبور حرارت میشود. در اصل میتوان گفت Nansulate نسل جدید عایق کاری است که با بهره گیری از فناوری نانو فقط چندین میکرون ضخامت دارد و با کیفیت بالا تر ضمن انجام عایق کاری ایده آل، مسائل زیست محیطی را نیز برآورده میکند و مشکل خوردگی زیر عایق (CUI) را نیز برای همیشه حل مینماید. Nansulate® ضد خوردگی نیز میباشد و با توجه به اینکه رطوبت و نور خورشید در طی سالیان متمادی تاثیری بر کارکرد آن ندارد، میتوان گفت از لحاظ برآوردهای اقتصادی نیز بسیار با صرفه و کم هزینه میباشد. نتیجه گیری: منظور از مقاله فوق نشان دادن مصالح جدید ساختمانی و بیان مزایای استفاده از این نوع مواد در صنعت ساختمان میباشد، البته به دلیل نو بودن این نوع مصالح زمینه های فراوانی برای کارهای نظری و عملی در دانشگاه های کشور وجود دارد که امید است که با معرفی مصالح با ساختار نانو راه برای گام های بلند تر در این زمینه باز شود. *کار شناس ارشد عمران