نشریه شماره   185   دوهفته نامه آرشیو PDF پیام ساختمان

کاربرد نانو در صنعت ساختمان

*مهدی گلشهر

فناوری نانو، دانش و مهندسی در سطح مولکولها است. این واژه اصطلاحی کلی برای بخشی از فناوریها، تکنیکها و فرآیندهاست که شامل دستکاری و تولید مواد در کوچکترین مقیاس ممکن است. در این مقیاس، ذارات از قوانین فیزیک و شیمی کلاسیک پیروی نمیکنند و با دنیایی کاملا متفاوت روبهرو هستیم.

اهمیت این علم در کشورهای صنعتی باعث شده که دولتها سرمایه گذاری کلانی را روی این بخش داشته باشند. درآمد بالا و اشتغال زایی در سالهای آینده از نتایج پیش بینی شده این دانش و فناوری است. از سال ۱۹۹۴ تا ۲۰۰۴ سرمایه گذاری جهانی روی نانو تکنولوژی ۱۰ 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 ۱۰۰ نانومتر باشد تعریف شدهاند، یک نانومتر یک هزارم میکرون یا حدود ۱۰۰۰۰۰ برابر کوچکتر از موی انسان است.

نانو لولهها طبقه جدیدی از محصولات میباشند که انقلابی جدید در زمینه مصالح و مواد پیشرفته را بوجود آوردهاند. یک نسل جدید از نانو کامپوزیتهای چند منظوره میتوانند به عنوان نانو لولههای کربنی در نقش الیاف مسلح کننده مناسب آن مواد مورد استفاده قرار گیر ند. بنابراین نانو لولههای 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 فرمهای 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 آنها 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 گونهای 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 سالهای ۷۰ 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 سالهای ۸۰ 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 پدیدهای است که از نظر مکانیکی، الکتریکی و خواص حرارتی به طور مناسب دارای تعادل بوده و در رشتههای 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 سرامیکها میباشد.

از مهمترین پیشرفتهای 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 سازههای اتمی (محافظت از تشعشعات) را داشته باشد و نیز در سازههای ساختمانی تاثیر به سزایی در حفظ انرژی ساختمان ایفا کند.

بتن با عملکرد بالا: (HPC)

یکی از چالشهایی 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 سازههای اتمی (محافظت از تشعشعات) افزایش موثر بودن آن در حفظ انرژی ساختمانها و... را نام برد.

نانو سیلیس آمورف:

در صنعت بتن، سیلیس یکی از معروفترین 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 ۰. ۱تا ۱ میلی متر میباشد و دارای اکسید سیلیس حدود ۹۰ 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 ۵ تا ۱۰۰ نانومتر میباشد.

یکی دیگر از شاخههای کاربردی فناوری نانو در صنایع مختلف پوششهای نانویی است. پوششهای نانو ساختار در بسیاری از موارد نسبت به پوششهای 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 پوششها از جمله مواردی هستند که در مقایسه با دیگر صنایع، فناوری نانو با سرعت بیشتری در آنها 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 کاپوزیتهای موجود در این پوشش بر اساس استاندارد ASTM C-۵۱۸ دارای ضریب انتقال حرارت بسیار کم و در حدود ۰. ۰۲۷ W/mK میباشد.

سطحی که به وسیله Nansulate عایق کاری گردیده است، از تونلهای نانو متری درهم رفته تشکیل شده که دیواره این تونلها فقط چند نانو متر ضخامت دارد. هوای به دام افتاده در این تونلها بهتر از سایر عایقها عمل میکند و مانع عبور حرارت میشود.

 در اصل میتوان گفت Nansulate نسل جدید عایق کاری است که با بهرهگیری از فناوری نانو فقط چندین میکرون ضخامت دارد و با کیفیت بالاتر 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 زمینههای فراوانی برای کارهای نظری و عملی در دانشگاههای کشور وجود دارد که امید است که با معرفی مصالح با ساختار نانو راه برای گامهای بلندتر در این زمینه باز شود.

 

*کارشناس ارشد عمران