فناوری نانو در صنعت ساختمان رشته فنی مهندسی

فناوری نانو و پوشش های ساختمانی
نانو پوشش های ساختمان درسطوح داخلی وخارجی ساختمان ها ازجمله: سطوح شیشه ای، پلاستیکی، چوبی، فولادی، سنگی،آجری، کاشی، سرامیکی،سیمانی و بتنی و... استفاده می شوند. دراین سطوح (سطوح هوشمند) که عموما" فوق آبدوست و یا فوق آبگریزهستند واکنش ها برروی سطح صورت می گیرد. لازم به ذکر است که نانوپوشش ها ساختمان آنتی باکتریال بوده وبرای سلامتی انسان بی ضررهستند.

نانو پوشش های سنگ وچوب
این نانو پوشش ها ی آنتی باکتریال، مقاوم در برابر آب، هوا، مواد ارگانیکی و غیر ارگانیکی هستند و یکی از پوشش های اصلی صنعت ساختمان به شمار می روند. نانو پوشش های سنگ وچوب ترکیباتی هستند که ضمن حفظ ظاهر اصلی سطح باعث عدم ایجاد چسبندگی در سطح شده و آب، چربی وسایرو آلودگی ها را از سطح دفع می کنند. ضمنا" نانو پوشش های سنگ وچوب برای سطوح سنگی نفوذ پذیرکه خاصیت مکندگی دارند نیز موارد استفاده بسیاری دارند. ترکیبات این نانو پوشش ها معمولا" شامل الماس، نقره، شیشه و سرامیک می باشند و باتوجه به موارد مصرف ممکن است متفاوت باشند، اما در اکثرآن ها فاز حامل آب والکل است وذرات آنها تا 300 درجه سانتیگراد مقاوم هستند.
مزیت ها: پوشش سطوح منفذ دار، حفظ تنفس سطوح، حفظ سطوح در برابرعوامل محیطی، امکان تمیز شدن لک ها ازجمله؛ چربی ها وروغن ها با آّب، جلوگیری از ایجاد کپک، جلبک و مشابه آنها و محافظت سطوح ازتاثیرنم وکثیفی ها.

موارد مصرف

سطوح چوبی
نانوپوشش های سنگ وچوب، علاوه بر استفاده در سطوح چوبی معمولی برای سطوح چوبی جلادار وسطوح چوبی رنگ شده هم مورد استفاده قرارمی گیرند. درسطوح چوبی جلادارسه ماه پس ازاعمال جلا مورد استفاده قرارمی گیرند وبرای سطوح چوبی رنگ شده ازنانوپوشش های چند منظوره استفاده می شود.

سیمان های الیافی
ساختمان هایی که با سیمان های الیافی ساخته می شوند پس از مدتی به منبع لکه وکثیفی تبدیل می شوند. سیمان استفاده شده درنمای ساختمان ها، کثیفی هاوکپک ها رامکیده وباتاثیر نورخورشید آنها رابخوبی درداخل ماتریس جایگزین می کند و دورکردن این لکه ها وکثیفی ها کار بسیار مشکلی است. استفاده ازنانوپوشش های سنگ وچوب درنمای ساختمان باعث عدم نفوذ کثیفی ها، باکتری ها وغیره به داخل ماتریس می شوند وظاهر اولیه نما را به خوبی حفظ می نمایند.

آجرها وسرامیک ها
درخت های بزرگ اطراف ساختمان ها با به جا گذاشتن آثار خود برروی سطوح ساختمان ها باعث می شوند نمای ساختمان ها به مرور زمان رنگ سبز درختان رابه خود گرفته وبرای تمیز کردن آن ها می بایست ازابزارتمیزکننده بافشارهای قوی استفاده شود، اما این عمل نیز باعث می شود پس از چند ماه درسطح ساختمان چسبندگی بیشتری ایجاد شود و سریع تر وراحت تراز قبل کثیفی ها رابه خود جذب کنند دراین گونه موارد نیز استفاده از با نانوپوشش های سنگ وچوب ضروری به نظر می رسد.

ماسه سنگ ها و بتن گازی
بتن گازی وماسه سنگ هایی که ساختار سفید رنگی دارند واغلب در آتلیه ها و ایوان ها به کار می روند، کثیفی ها وچربی ها را جذب کرده وظاهر آنها خیلی سریع به صورت نامطلوبی تغییرمی کند. در این شرایط استفاده ازتمیز کننده های بافشار بسیار قوی نیز کارساز نمی باشد. اما در صورت استفاده از نانو پوشش های سنگ وچوب درحالی که به سطح اجازه تنفس داده می شود، باعث عدم نفوذ مواد به سطح می شوند، بدین ترتیب رنگ وساختار اصلی سطح حفظ می شود.

کاشی ها و لوح های سنگی
استفاده ازنانوپوشش های سنگ وچوب باعث می شوند ساختمان ها همراه با باغچه ها و مجسمه های اطراف آن ها از تاثیرات محیطی محفوظ مانده و به مرورزمان در رنگ آن ها تغییری ایجاد نشود.

شیشه
نانو پوشش های شیشه در صنایع ساختمان واتومبیل بیشترین کاربرد را دارند، در ادامه به برخی ازکاربرد های آنها در صنایع ساختمانی اشاره شده است.

شیشه های خود تمیز شونده
این نوع نانو پوشش ها، باضخامت چند نانومتر در سطح شیشه یک فیلم آب دوست تشکیل می دهند، سطح هیدروفیل آنها از تاثیر نور خورشید یک فوتوکاتالیست تشکیل داده وآب جمع شده در سطح، درمقابل نیروی جاذبه زمین میزان آب/ هوا را برروی خود افزایش داده وبدین ترتیب آب جمع شده در سطح تماما" پخش شده وبخودی خود امکان تمیز شدن رابوجود می آورد.
نانوپوشش های استفاده شده برروی شیشه پس از شش هفته خاصیت خود تمیزشوندگی را از خود نشان می دهند. بنا به گفته متخصصین نانوذرات TiO2 موجود در این نانو پوشش ها دارای دو خاصیت است ؛ یکی از آن ها فوق العاده هیدروفیل بودن آن است، دیگر آن که دارای خاصیت ضد عفونی کنندگی است، زیرا TiO2 قادربه شکستن وتجزیه آلاینده های آلی است. این تاثیرپس ازگذشت چند هفته در شیشه ایجاد می شود، زیرا تیتانیوم دی اکساید باید در داخل ماتریس شیشه جایگزین شده٬ و شیشه ها را از کثیفی های موجود رها کرده وسپس کثیفی های محیط رابه صورت کاتالیتیک تجزیه نموده واز بین ببرد. خاصیت پخش شوندگی مساوی آ ب در سطح باعث می شود بدون اینکه لکه ای باقی بماند سطح ازکثیفی ها عاری شود.

شیشه های کنترل کننده انرژی
این نوع شیشه ها ضمن دارابودن تنوع دررنگ وسایر خصوصیات، قادرند باکاهش شدید امواج ماوراء بنفش ومادون قرمز عبوری وتنظیم عبور نورمرئی، در زمستان تا 85درصد ودر تابستان تا 80درصد از هدر رفتن انرژی داخل ساختمان جلوگیری کرده ودر صرفه جوئی مصرف انرژی، نقش بسزائی داشته باشند.

شیشه های محافظ در برابر آتش
شیشه های محافظ دربرابر آتش نیز یکی دیگراز دستاوردهای فناوری نانو است. این محصول از طریق قراردادن یک لایه شفاف محتوای نانو ذرات سیلیس (SiO2) درمیان دو صفحه شیشه ای ساخته می شود که در هنگام گرم شدن شیشه این لایه شفاف تبدیل به محافظی سخت، تیره ومقاوم دربرابر آتش می شود.

بتن
تحقیقات بسیاری در زمینه بکارگیری فناوری نانو درساختمان بتن درحال انجام است به منظور درک این مطلب در سطح علم پایه از فناوری هایی مانند؛ میکروسکپ هایAFM ،SEM ، FIB که برای مطالعه در مقیاس نانو ساخته شده اند استفاده می شود

نانوسیلیس ها(SiO2)
با استفاده از نانوذرات سیلیس می توان میزان تراکم ذرات را در بتن افزایش داده که این به افزایش چگالی میکرو ونانوساختارهای تشکیل دهنده بتن ودر نتیجه ویژگی های مکانیکی می انجامد. افزودن نانوذرات سیلیس به مواد بر مبنای سیمان هم موجب کنترل تجزیه شیمیایی ناشی ازH-C-S(کلسیم- سیلیکات - هیدرات)، که در اثر نشست کلسیم در آب رخ می دهد، ونیز جلوگیری از نفوذ آب به داخل بتن می شود که هردوی این موارد دوام بتن را افزایش می دهند.

نانولوله های کربنی (CNT)
تحقیقات گسترده ای درخصوص کاربردهای نانولوله های کربنی در حال انجام است وتاکنون خواص قابل ملاحظه ای از آن ها کشف شده است؛ برای مثال باوجود اینکه چگالی آن ها یک ششم چگالی فولاد است، مدول یانگ آنهاپنج برابر واستحکام آنها هشت برابر فولاد است. درصورت افزودن نیم الی یک درصد وزنی از این نانولوله ها به ماتریس بتن خواص نمونه ها به طور قابل توجهی بهبود می یابد. (نانولوله ها ی کربنی به صورت های تک جداره ویاچند جداره مورد استفاده قرار می گیرند.

نانو ذرات رس (Nano-Clay)
برخی از انواع نانوذرات درچسب های (ملات های binder) مختلف ونحوه تاثیر آنها برروی ویژگی های کلیدی مرتبط با فرسایش بتن؛ مانند ممانعت ازانتقال یون های کلر، مقاومت دربرابر دی اکسید کربن، پخش بخار آب، جذب آب وعمق نفوذ هدایت می شوند. نوعی حلال متشکل از رزین اپوکسی باوزن ملکولی پایین ونانوذرات رس(Nano-Clay)، نتایج امیدوارکننده ای را در این زمینه نشان داده است.

نانوذرات اکسید آهن یا هماتیت(Fe2O3)
درصورت اضافه نمودن نانوذرات اکسید آهن به ماتریس بتن علاوه بر افزایش مقاومت بتن، پایش سطوح تنش بتن را ازطریق اندازه گیری مقاومت الکتریکی برشی امکان پذیر می سازد.

نانوذرات دی اکسید تیتانیوم (TiO2)
نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم هم برای بهبود ویژگی های بتن در نمای ساختمان ها به عنوان پوشش بازتاب کننده مورد استفاده قرار می گیرد. این نانو ذرات ازطریق واکنشهای فوتوکاتالیستی قوی قادر به شکستن وتجزیه آلاینده های آلی،ترکیبات آلی فرار(VOC) وغشای باکتریایی هستند، به همین جهت برای ایجاد خاصیت ضد عفونی کنندگی به رنگ ها، سیمان ها وشیشه ها اضافه می شوند. بتن حاویTiO2 دارای رنگ سفید و درخشندگی خاصی است و این درخشندگی رابطور موثری حفظ می نماید. درحالی که ساختمان های ساخته شده بابتن معمولی فاقد چنین ویژگی هستند.

فولاد
فولاد یکی از فلزات بسیار مهم در صنعت ساخت وساز است. تحقیقات نشان داده است اضافه نمودن نانو ذرات مس به فولاد از ناهمواری های سطحی فولاد می کاهد و درنتیجه تعداد عوامل افزایش دهنده تنش ودر نهایت ترک خوردگی های ناشی از خستگی سازه هایی مانند پل ها و برج ها، که در آنها بارگذاری به طور متناوب انجام می گیرد رامحدود می سازد.

حسگرها
حسگرها ی مبتنی برفناوری نانو نیز می توانند به نوبه خودکاربردهای زیادی در سازه های بتنی داشته باشند؛ برای کنترل کیفیت ودوام بتن، این حسگرها می توانند برای هدف های مختلفی نظیر؛ اندازه گیری چگالی، میزان افت بتن، پارامترهای موثر دردوام بتن مانند؛ دما، رطوبت، غلظت کلر، PH ؛دی اکسیدکربن، تنش، خوردگی میلگردها وارتعاش طراحی شوند.

بتن خودتراکم (Self Compacting Concrete) یک فن آوری نوپا در عرصه ساخت و ساز دنیاست. این نوع بتن که کارایی بسیار بالایی دارد میتواند تحت اثر وزن خودش و بدون جداشدن دانه ها در میان انبوه اجزای سازه ای جریان یابد. به عبارت دیگر این نوع بتن بدون نیاز به لرزاننده (ویبره) و به خاطر وزن خودش متراکم میشود.
با توجه به فراگیرشدن این صنعت در دنیا و روی آوردن دست اندرکاران عرصه ساخت و ساز به استفاده از بتن خودتراکم، بر آن شدیم تا در طی یک روند ادامه دار به معرفی و ذکر نتایج تحقیقات انجام شده در مورد آن بپردازیم.
بخش مهندسی عمران دانشگاه شهید باهنر کرمان اولین تجلی گاه جدی ظهور بتن خودتراکم در ایران است. تحقیقاتی که توسط دانشجویان کارشناسی ارشد و زیر نظر دکتر مقصودی عضو هیئت علمی این بخش صورت گرفته و میگیرد شایان توجه و قابل تحسین است. در ادامه اولین فصل از این مقوله که به معرفی بتن خودتراکم اختصاص دارد میپردازیم.

تاریخچه
برای ایجاد سازه های بتنی بادوام، به تراکم کافی تأمین شده توسط نیروی کار ماهر نیاز است. بحران کاهش نیروی کار ماهر در صنعت ساخت و ساز ژاپن در اوایل دهه 80 میلادی از یک سو، تراکم نامناسب ناشی از افزایش حجم آرماتورهای مصرفی به منظور بهبود عملکرد سازه ای و همچنین تمایل به استفاده از آرماتورهای با قطر کمتر به منظور کنترل ترک خوردگی از طرف دیگر باعث کاهش کیفیت کارهای اجرایی انجام گرفته گردید. این موضوع برای چندین سال مورد بحث و بررسی قرار گرفت تا اینکه نظریه بتن خودتراکم (Self Compacting Concrete) به عنوان راه حلی برای رفع مشکل دوام سازه های بتنی توسط Okamura در سال 1986 مطرح گردید. بتن خودتراکم (SCC)، بتنی است که تحت اثر وزن خود متراکم شده و نیاز به هیچ لرزاننده (ویبره) ای برای ایجاد تراکم ندارد. این مسأله باعث صرفه جویی اقتصادی و کاهش زمان ساخت و ساز و در نتیجه بالارفتن راندمان نهایی میشود. بتن خودتراكم با عمر كمتر از 20 سال زمینه‌ساز حل بسیاری از مشكلات سازه های بتنی به خصوص در مقاطع با تراكم زیاد میلگرد گردیده است. از دیگر خصوصیات ویژه این بتن میتوان به كارایی بالا، مقاومت زیاد در برابر جداشدگی و تسریع در عملیات ساخت و ساز اشاره كرد. چنین مشخصاتی باعث شده است تا كاربرد آن به خصوص در اعضا با تراكم بالای آرماتور روز به روز بیشتر گردد.
بتن خودتراکم علاوه بر استفاده فراوانی که در سازه های با تراکم بالای آرماتور دارد گاهی نیز بصورت غیرمسلح، مثلاً در خاکریزها مورد استفاده قرار میگیرد. از مزایای دیگر استفاده از آن میتوان به کاهش آلودگی صوتی ناشی از سر و صدای لرزاننده ها، کاهش نیروی انسانی، جلوگیری از بیماریهای ناشی از استفاده از لرزاننده ها و حفظ سلامت کارگران و بالارفتن کیفیت محصولات نهایی اشاره کرد.
در مقایسه با ژاپن، تحقیقات در اروپا و آمریکا چندی پیش آغاز گردیده و در حالیکه اکنون در ژاپن به بتن خودتراکم از نقطه نظر بتن با مقاومت بالا نگاه میشود، در اروپا بتن خودتراکم با مقاومت متوسط همچنان مورد نظر می باشد. این در حالی است که تا قبل از شروع فعالیت ها در بخش مهندسی عمران دانشگاه شهید باهنر کرمان، در ایران هیچگونه گزارش تحقیقاتی در مورد چنین بتن هایی مشاهده نشده بود.
در بخش مهندسی عمران دانشگاه شهید باهنرکرمان، تحقیقات در قالب پایان نامه کارشناسی ارشد سازه در مورد طراحی، ساخت و بررسی بعضی خواص مکانیکی بتن خودتراکم زیر نظر استاد راهنمای پایان نامه (نگارنده) آغاز گردید و در دفاع از پایان نامه مزبور از داوری اساتیدی چون دکتر رمضانیانپور و دکتر فدایی بهره گرفته شد.
در حال حاضر تعدادی از دانشجویان کارشناسی ارشد بخش مزبور مشغول بررسی خواص آزمایشگاهی و تیوریک بتن های خودتراکم با مقاومت بالا (HSSCC) بوده و تعداد دیگری از دانشجویان ارشد به طور همزمان درگیر تحقیق در مورد نانو بتن ها (nano-concrete)، از دو دیدگاه تکنولوژی بتن و سازه می باشند.
از پروژه های مطرحی که در ساخت آنها از بتن خودتراکم استفاده شده، می توان به موارد ذیل اشاره کرد:

1- برج Landmark: این برج با 296 متر ارتفاع و 70 طبقه مرتفع ترین برج در ژاپن بوده و در یوکوهاما واقع شده است. برای پرکردن 66 ستون در نه طبقه ابتدایی آن از بتن خودتراکم استفاده شده است. در این پروژه مجموعاً m3885 بتن مصرف شده است.
Akashi-Kaikyo: این پل به طول 3. 910 کیلومتر بلندترین پل معلق جهان می باشد و در سال 1998 افتتاح شده است. در این پروژه حدود m3290000 بتن خودتراکم استفاده شده و در نتیجه 20 درصد در زمان ساخت و ساز صرفه جویی شده است.
LNG در دیواره های این منبع که در ازاکای ژاپن قرار دارد m312000 بتن خودتراکم استفاده شده است. با کاربرد این بتن، برای دیواری به ارتفاع 38. 4 متر، تعداد قطعات (lots) از 14 به 10، تعداد کارگرها از 150 به 50 نفر و زمان اجرا از 22 ماه به 18 ماه کاهش یافت.
در ادامه به طور خلاصه به معرفی بیشتر چنین بتنی پرداخته شده است.
2- پل معلق
3- منبع گاز

طرح اختلاط
در حال حاضر سه شیوه مختلف برای تولید SCC در نظر گرفته میشود. در مقایسه با بتن معمولی (NC) برای تولید SCC در شیوه اول، میزان مولد پودری افزایش پیدا میکند، درحالت دوم از مواد لزج کننده استفاده میشود و در حالت سوم ترکیبی از دو حالت قبل بکار گرفته میشود. لازم به یادآوری است، میزان فوق روان کننده مصرفی نسبت به بتن معمولی در هر سه حالت افزایش می یابد.

ویژگیهای بتن خودتراکم تازه
در حال حاضر معیار جهانی استانداری برای پذیرش بتن SCC وجود ندارد. با این وجود، چند آزمایش که بارها در گزارشات تکرار شده اند به عنوان آزمایشات مورد قبول برای سنجش ویژگیهای بتن تازه خودتراکم در نظر گرفته میشود.
Slump flow test)
این آزمایش توسط انجمن مهندسین عمران ژاپن به منظور ارزیابی قابلیت تغییرشکل بتن تحت وزن خود بدون حضور هیچ قیدی بجز اصطکاک صفحه جریان براساس اصول آزمایش مخروط اسلامپ برای بتن های معمولی تدوین شد. در این آزمایش قطر توده بتن پخش شده به عنوان معیار سنجش مدنظر می باشد. همچنین جداشدگی در صورت وقوع در اطراف لبه های توده پخش شده قابل مشاهده می باشد.
LBox Test - L
با این آزمایش خواص متفاوتی از قبیل قابلیت روانی، انسداد و جداشدگی بتن مورد سنجش قرارمی گیرد. در این آزمایش قسمت قائم جعبه ابتدا تا حدود 12. 7 لیتر از بتن پر میشود و بعد از یک دقیقه دریچه باز شده و بتن پس از عبور از سفره آرماتور در قسمت افقی جریان می یابد. پس از توقف کامل بتن، ارتفاع بتن در انتهای قسمت افقی (h¬2) و همچنین ارتفاع بتن مانده در قسمت قائم (h1) اندازه گیری شده و نسبت h2/h1 به عنوان معیار سنجش عبورکنندگی مطرح می گردد.

3- آزمایش قیف (V-funnel test)
این آزمایش به منظور سنجش توانایی بتن برای تغییر جهت جریان و عبور از میان مقاطع مسلح و مقید بدون جداشدگی و وقوع انسداد در جریان انجام می گیرد. در این آزمایش زمان خروج کامل بتن از قیف بعد از بازشدن دریچه به عنوان معیار سنجش در نظر گرفته میشود.

آزمایشات بتن سخت شده
در تحقیقات انجام شده برای سه شرط عمل آوری متفاوت (شرایط عمل آوری غرقاب)، (شرایط عمل آوری محیط معمولی) و (شرایط عمل آوری محیط سولفات) نمونه های بتنی (SCC) ساحته شده و با انجام آزمایشات مقاومت فشاری، مدول الاستیسیته، مقاومت گسیختگی بتن، انقباض و انبساط نمونه ها در سنین کوتاه و طولانی مدت تعیین و گزارش شده است.

فناوری نانو در صنعت ساختمان رشته فنی مهندسی

مطالب مشابه :

فناوری نانو در صنعت ساختمان رشته فنی مهندسی

نامه جمعی از دانشجویان ایران اسلامی به امام خامنه ای (مدظله العالی)

منابع دکترای مکانیزاسیون کشاورزی 2405 - منابع دکتری نیمه متمرکز 91

گرایش و رشته های جدید تربیت بدنی