کاربرد نانومواد و نانو تکنولوژي در مهندسي عمران

تحقيقات اخير در مورد نانومواد و نانوتکنولوژي کاربرد بالقوه اين مواد را در در حوزه هاي مختلف مانند پزشکي، سازه، صنعت خودروسازي، ارتباطات راه دور و انفورماتيک برجسته کرده است و دليل آن خواص خاص مواد در مقياس نانو است. دامنه مواد ساختماني را مي توان يکي از فوايد اصلي اين تحقيقات در بهبود خواص بتون؛ استيل (آهن يا فولاد) ،شيشه و مواد عايق باشد محسوب نمود. بهبود مقاومت مواد و افزايش دوام آنها با کاهش ردپاي کربن ساختمان منجر به کاهش آلودگي هوا مي شود. بطور کلي، قسمت اعظم آلودگي ها به دليل توليد مواد ساختماني و انرژي حاصل از آنها به هنگام کار مي باشد. کاربرد نانو مواد در ترکيب برخي مواد مانند سيمان منجر به کاهش قابل توجهي از آلودگي دي اکسيد کربن و استفاده از عايقهاي حرارتيباعث استفاده کافي انرژي در تهويه هوا ميشود. فزون بر اين ، استفاده از نانومواد ها در سطح عناصر سازه اي ساختمان با واکنشهاي فتوکاتاليکي به تميزي محيط کمک مي کند.

مقدمه:

نانومواد  بر حسب مواد فيزيکي شان بصورت حداقل يک بعدي بين ۱ تا ۱۵۰ نانومتر ( ۱ نانومتر برابر است با ده به توان منهاي نه متر) تعريف ميشوند. خواص نانو مواد از خواص با مواد يکسان در مقياس ميکرو ( ۱۰ به توان منهاي شش متر) يا مقياس ماکرو ( ده به توان منهاي شش  تا ده به توان منهاي سه متر) متغير است.

کاربرد نانومواد و نانو تکنولوژي در مهندسي عمران

کاربرد نانومواد و نانو تکنولوژي  در مهندسي عمران

علم نانو مطالعه پديده و دستکاري مواد را در مقياس نانو نشان مي دهد و و گسترش علوم مشترک در مقياس نانو ميباشد.

نانوتکنولوژي به عنوان طرح، توصيف مشخصات، توليد و کاربرد ساختاري، ابزار و سيستم ها با کنترل شکل و اندازه در مقياس نانو تعريف ميشود.نانوتکنولوژي مستلزم تکنيک هاي پيشرفته تصويربرداريدر مطالعه و بهبود رفتار ماده و طراحي و توليد گردهاي بسيار ريز، مواد جامد يا مايع به اندازه ذره بين ۱ تا ۱۰۰ نانومتر بنام نانوذره مي باشد. در حال حاضر، کاربرد نانومواددر ساختمان عمدتا به دلايل زير کاهش يافته است: عدم دانش در ارتباط با نانومواد مناسب و رفتار آنها در ساختمان،  عدم وجود استاندارد مشخصي براي طراحي و اجراي عناصر ساختماني با استفاده از نانومواد، کاهش پيشنهاد محصولات نانو، عدم اطلاعات دقيق در خصوص محتواي محصولات نانو، هزينه هاي گزاف، عدم شناخت خطرات سلامت در ارتباط با نانو مواد.

آزمون نظام مهندسی عمران ۹۸

منابع آزمون نظام مهندسی عمران محاسبات پایه ۳

جهت بکارگيري نانومواد در مقياس گسترده در صنعت ساختمان ضروري است تحقيقات در مراحل ديگري انجام شود: انتخاب نانوموادي که پتانسيل استفاده در ساختمان را داشته باشند و مطالعه خواص آنها، مطالعه رفتار عناصر ساختماني تحت بارهاي مختلف که حاوي نانومواد هستند، توسعه طراحي خاص و استانداردهاي ساختماني.

مقاله حاضر بخشي از نخستين مرحله تحقيق مي باشد و ترکيب نانومواد مناسب جهت  بکارگيري در ساختمان را نشان ميدهد.

۲- کاربرد نانومواد در ساختمان

از انجائيکه اندازه ذرات يک عامل بحراني است، اهميت خواص مواد خاصدر مقياس هاي بزرگتر نانو متفاوت ميباشد. پديده فيزيکي  بطور متفاوت زير حد مجاز رخ مي دهد، جاذبه تاثيري ندارد، نيروهاي الکترواستاتيک و اثرات کوانتومي غالب ميشود. همزمان تناسب اتم ها نسبت به اتم هاي داخلي در سطح افزايش مي يابد، و به اصطلاح اثر نانو بوجود ميآيد. همه اين خواص نانو بر روي رفتار مواد در مقياس ماکرو اثر مي گذارد و از اينجاست که  قدرت نانوتکنولوژي تأکيد مي شود: اگر عناصر بطور مناسب در مقياس نانو دستکاري شوند ، درخواص ماکرو تاثير مي کند و مواد جديد و فرآيند ها گسترش مي يابند ( Ge و  Gao- سال ۲۰۰۸)

نانومواد مهم با پتانسيل کاربرد در ساختمان در زير توضيح داده مي شوند.

۱-۲ نانولوله کربني

نانولوله کربنيحالتي از کربن است که به شکل استوانه اي مي باشد. به علت قطر نانومتري آن به اين اسم نامگذاري شده است. پهناي آنها مي تواند چند ميلي متري و يک لايه يا ديواره (نانولوله تک ديواره) يا بيشتر از يک ديواره (نانولوله جند ديواره) باشد (لو و همکاران، ۲۰۱۰).

کاربرد نانومواد و نانو تکنولوژي در مهندسي عمران

نانولوله ها از خانواده ساختماني فلورن هستند و بطور فوق العاده داراي استحکام و خواص الکتريکي منحصر به فردي در رساناي موثر گرما هستند.  مثلا  آنها پنج برابر مودول هاي جوان و هشت برابر ( از نظر تئوري صد برابر) استحکام فولاد را دارند در حاليکه داراي يک ششم چگالي هستند.

مزاياي نانولوله هاي عبارتند از: دوام مکانيکي و جلوگيري از ترک بتون، افزايش خواص مکانيکي و گرمايي در سراميک و ظرفيت نظارت برسلامت ساختماني درزمان واقعي (مان ، ۲۰۰۶).

۲-۲ نانوذرات دي اکيد تيتانيوم (TIiO2)

نانو ذرات دي اکسيد تيتانيوم جهت بهبود خواص بتون به آن افزوده مي شود. اين رنگدانه سفيد بعنوان يک پوشش بازتابنده عالي يا افزودني به رنگها؛ سيمان و يا پنجره ها به علت  خواص ضدعفوني کننده اش مورد استفاده قرار مي گيرد. دي اکسيد تيتانيوم آلياژهاي آلي، ترکيبات آلي فرار و غشاي باکتريايي را از طريق واکنشهاي فتوکاتاليکي قوي با کاهش آلاينده هاي هوا در سطوح فضاي باز از بين ميبرد.  هيدورفيلي بودن  باعث خواص خودتميزي در سطوحي که  آن مورد استفاده قرار مي گيرد ميشود زير آب باران به سطح مي چسبد و  صفحاتي راتشکيل ميدهد که آلاينده ها وذرات کثيفيرا که قبلا تجزيه شده بود جمع مي کند و آنها را مي شويد.رنگ سفيدي در سطح بتون حاصل مي شود که بطورموثري سفيد بودن آن را محافظت ميکند (مان، ۲۰۰۶).

۲-۳ نانوذرات دي اکسيد سيليکون (SiO2)

بتون حاوي حجم توده خاکستر بزرگ در اوايل سنين است، نانو سيليکون بطور قابل ملاحظه اي موجب افزايش استحکام آنبا پرکردن منافذ بين ذرات خاکستر پرواز  ذرات سيمان مي شود. نانو سيليکون تنظيمات زمان ملات را در مقايسه با سيليکا دود (ميکرو سيليکا) کاهش ميدهد و آب انداختگي و جداسازي آن را با بهبود انسجام آن کم مي کند ( صدرممتازي و برزگر، ۲۰۱۰).

۲-۴ نانو ذرات اکسيد زينک (ZnO)

اکسيد زينک يک ماده منحصر به فرد است که نيمه رسانا و داراي خواص دوز پيزوالکتريک است. اکسيد زينک به مواد ومحصولات مختلف از جمله پلاسيتک، سراميک، شيشه، سيمان، لاستيک، رنگ، حسب، مهرو موم، رنگدانهو بازدارنده هاي آتش افزوده مي شود. در ساخت بتون اکسيد زينک به کار برده مي شود که موجب بهبود زمان فرايند و مقاومت بتون در مقابل آب مي شود (بروخوزن و بروخوزن،۲۰۰۹).