بتن رایج ترین ماده مورد استفاده برای ساخت و ساز است که تقریبا تمام سیمان تولید شده در جهان را مصرف می کند. استفاده زیاد از سیمان موجب افزایش تولید و نشر گازهای گلخانه ای از جمله CO2 می شود و در نتیجه موجب اثر گلخانه ای می شود.یک روش برای کاهش مقدار سیمان در مخلوط بتن استفاده از پودر سیلیکا می باشد. یکی از انواع پودر سیلیکا که توانایی بالایی برای جایگزین سیمان دارد و بعنوان افزودنی بتن مورد استفاده قرار می گیرد نانو سیلیکا میباشد. بطور کلی دانه بندی سیمان حاوی ذرات با اندازه های مختلف است که این دانه بندی ذرات، خواص مخلوط بتن را تعیین میکند . برخی خواص بتن مانند روان بودن و کارایی بتن به اندازه ذرات بستگی دارد.
سیلیس در ایران به‌وفور یافت میشود. این ماده از دو عنصر سیلیسیوم و اکسیژن تشکیل شده و از لحاظ ساختاری شبیه ساختار مولکول آب است. ذرات سیلیس در صنایعی چون الکترونیک، کاتالیزورها، پوششﻫﺎ و رنگدانهﻫﺎ کاربرد وسیعی دارند. اما استفادة بسیار از این ماده خطرناک است و برای کسانی که در معرض آن قرار می‌گیرند مشکلات تنفسی به وجود می‌آورد. روشﻫﺎی شیمیایی سنتزِ نانوذراتِ سیلیس پرهزینه‌اند، زیرا مواد مورد نیاز در این روش‌ها گران قیمت‌اند. بنابراین، دانشمندان تلاش می‌کنند تا روش‌ها و منابع مقرون به‌صرفه بیابند. در ایران معادن متعددی وجود دارند که کلوخهﻫﺎی سیلیس را میتوان از آنها استخراج کرد. برای تبدیل این کلوخه‌ها به ذرات ریز، شاید تصور شود که با آسیابﻫﺎی پرقدرت میتوان این کلوخهﻫﺎ را آنقدر ریز کرد تا به اندازه نانومتری برسند ولی تا به حال آسیابی ساخته نشده است که بتواند پیوندهای کووالانسی بسیار قوی سیلیس را بشکند. بنابراین، برای ریز کردن کلوخه سیلیس باید با استفاده از پراکندهﻫﺎی شیمیایی به ذرات نانومتری سیلیس دست یافت. پراکندهﻫﺎ موادی هستند که مانندِ پلی میان اتمﻫﺎ و مولکولﻫﺎ قرار ﻣیگیرند و از ایجاد پیوندهای قوی بین آنها جلوگیری ﻣیکند. نانو سیلیکا بر بتن دو عملکرد جداگانه دارد: ۱) اثر شیمیایی: (واکنش پوزولانی) سیلیکا با کلسیم هیدروکسید ژل CSH بیشتری را در مرحله پایانی تشکیل می دهد. ۲) اثر فیزیکی: چون نانو سیلیس ۱۰۰۰۰۰ مرتبه کوچکتر از ذرات تشکیل دهنده سیمان است در نتیجه نانو سیلیس میتواند حفره های باقی مانده موجود در بتن را پراکنده و در نتیجه دانسیته (چگالی ) بتن را افزایش دهد. افزایش نانو سیلیکا به دوغاب سیمان و بتن موجب اثرات مختلفی می شود . یکی از این ذرات اثر شتاب دهندگی است که مکانیسم اصلی این تاثیر مربوط به سطح ویژه ی بالای نانو سیلیکا است چون این ذرات بعنوان محل هسته زایی برای تشکیل ژل CSH عمل می کنند. همچنین اثر شتاب دهنده که در نتیجه افزایش نانو سیلیکا به وجود می آید به طور غیر مستقیم به وسیله اندازه گیری تغییر ویسکوزیته دوغاب سیمان تعیین می شود. نتایج نشان میدهد که نانو سیلیکا می تواند میکرو ساختار بتن را بهبود بخشد و نفوذپذیری آب در بتن سخت را کاهش دهد. بیشترین اثری که از افزایش نانو سیلیکا گزارش شده ، تاثیر این نانو ذرات بر خواص مکانیکی بتن بوده است. همچنانکه قبلآ توضیح داده شد افزایش نانو سیلیکا موجب افزایش چگالی ، کاهش تخلخل و بهبود استحکام پیوند بین سیمان و مصالح می شود. بتن های تولید شده با نانو سیلیکا استحکام فشاری و خمشی بسیار بالاتری را از خود نشان می دهند برای مشاهده این اثرات مفید، غلظت این ذرات باید در حد مجاز کنترل شود. در غلظت های بالا از نانو سیلیکا ، انقباض خودبخودی بتن افزایش می یابد در نتیجه پتانسیل ترک خوردگی آن افزایش می یابد که برای اجتناب از این اثر مقدار زیادی از فوق روان کننده و آب باید اضافه شود . در غلظت های بسیار پایین نیز این ذرات تاثیر چندانی به استحکام بتن نخواهد داشت.
استفاده از نانو سیلیکا بخاطر قیمت آن فقط محدود به بتن های عملکرد بالا ( HPC) بتن های زیستی و بتن های خود متراکم (SSC) می باشد. در مورد بتن های زیستی و خود متراکم استفاده از این نانو ذرات ضروری است . این بتن ها در هرکجا می توانند استفاده شوند هم در زیر ساخت هم در ساختمان. نانو سیلیکا در بتن های HPC , SSC بعنوان یک عامل ضد روان کننده استفاده میشود. این ذرات همچنین برای افزایش انسجام بتن و کاهش تمایل به جدا شدن استفاده می شود.
فرمول تهیه بتن خود متراکم
ماسه ۱۰۰۰ کیلوگرم
شن ۸۰۰ کیلوگرم
سیمان ۳۸۰ کیلوگرم
پودر سنگ ۱۰۰ کیلوگرم
آب ۱۸۰ کیلوگرم
فوق روانساز (ژل نانوسیلیس) ۰/۵ تا ۱ کیلوگرم
حداکثر لای و رس شن و ماسه ۴ درصد.
کاربرد نانوذرات . در سال های اخیر مطالعات بر روی نانو ذرات سیلیس متمرکز شده، با این هدف که بتوان با استفاده از این ماده، مشخصات بتن را بیش از پیش افزایش داد. افزودن نانو سیلیس به بتن موجب افزایش مقاومت فشاری، کششی و خمشی، کاهش زمان گیرش و کاهش نفوذ پذیری آب درون بتن و همچنین مقاومت بالاتر در برابر حمله های شیمیایی می شود. آزمایشاتی که بر روی نانو سیلیس انجام شده، نشان داده اند که این ذرات نه تنها برای محیط زیست مشکل ساز نیستند بلکه نتایج بهتری در مقایسه با میکرو سیلیس ارائه می کنند. تحقیقات نشان داده است که اضافه کردن نانو سیلیس بیشتر از میکرو سیلیس باعث افزایش مقاومت در بتن می شود. نانو سیلیس مخلوط شده با بتن در دراز مدت باعث حفظ سلامت کارگران، بتن و محیط زیست می شود. نانو سیلیس همچنین می تواند باعث کاهش مصرف سیمان، بهبود کیفیت بتن و افزایش کارایی آن شود. اضافه کردن ۱۰ درصد نانو سیلیس باعث افزایش ۲۶. درصدی مقاومت فشاری بتن گردید در حالی که همین مقدار میکروسیلیس افزایش ۱۵ درصدی مقاومت فشاری بتن در را در برداشت. حتی اضافه کردن مقدار ۰/۲۵ درصدی نانو سیلیس باعث ۱۰ درصد افزایش مقاومت فشاری و ۲۵ درصد افزایش مقاومت خمشی می گردد. Sio2 Nano یک افزودنی فوق پیشرفته و براساس تکنولوژی نانو می باشد که جهت ساخت بتن های خاص و توانمند طراحی شده است. استفاده از نانوسیلیس در بتن ریزی های مجاور سواحل دریاها به طور جدی مورد توجه مهندسین ساختمان قرار گرفته است . با توجه به خصوصیات منحصر به فرد آن مانند بهبود خواص مکانیکی و افزایش دوام بتن در روند به کار گیری آن در کشورهای پیشرفته رو به افزایش است . نانو با حالت غیر کریستالی به شکل ذرات بی نهایت ریز با قطر نانوئی برای استفاده به عنوان یک ماده سیمانی در بتن بسیار مناسب است. مصرف و به کارگیری Sio2 Nano با استاندارد ASTM C1240 مطابقت دارد .
موارد مصرف : ۱_ اجرای بتن در سواحل دریا ، اسکله ها و پلها ۲_ ساخت بتن های با مقاومت بالا
۳_ ساخت بتن سدها ، کانالها ، تونلها ، مخازن و منابع آب ۴_ کف سازی و نما سازی ۵_ ساخت بتن های در معرض خوردگی
افزودن نانوسیلیس به مخلوط بتن باعث می گردد Sio2 فعال آن با محلول هیدروکسید کلسیم Ca(OH)2 آزاد موجود در منافذ موئین بتن ترکیب گردد و کریستال سیلیکات کلسیم نامحلول تولید نماید و در نهایت باعث تراکم ساختار خمیر سیمان و کاهش نفوذپذیری و افزایش مقاومت بتن گردد . از جمله این مزایا می توان به افزایش مقاومت فشاری و خمشی و کششی بتن ، افزایش مقاومت بتن در برابر فرسایش ، کاهش قابل توجه نفوذپذیری بتن ،جلوگیری از نفوذ یون کلر و سولفاتها و سایر مواد شیمیایی مخرب به داخل بتن اشاره کرد .
میزان دقیق مصرف Sio2 Nano می بایست از طریق آزمایشهای کارگاهی مشخص گردد لذا به عنوان راهنمایی توصیه می شود Sio2 Nano را می توان به نسبت ۳ الی ۷ درصد وزن سیمان به بتن افزود و می تواند جایگزین همان مقدار سیمان گردد. با توجه به اینکه نانوسیلیس خاصیت کاهندگی آب دارد حتماً می بایست به همراه یکی از فوق روان کننده ها استفاده گردد. در غیر این صورت باعث ترک خوردن بتن و کاهش کارائی و عدم تراکم بتن می گردد. Sio2 Nano را به میزان لازم در زمان ساخت بتن با اجزای خشک مخلوط کرده و سپس آب و فوق روانساز را به آن اضافه میگردد. ابزار و لوازم به کار برده شده را بلافاصله پس از مصرف تمیز کرده و شسته شود مقادیر اضافی Sio2 Nano را نباید در آب و یا خاک ریخت. Sio2 Nano را باید در محیط سربسته و به دور از تابش مستقیم خورشید و دمای زیاد نگهداری شود. عدم توجه به روش انبارداری مناسب باعث آسیب دیدن محصول و یا ظرف آن می شود. همانند تمامی محصولات شیمیایی بایستی دقت شود تا از تماس با چشمها ، دهان ، پوست و مواد غذایی جلوگیری گردد. در صورت تماس با پوست و چشمها بلافاصله آن را به مدت ۱۵ دقیقه با آب شستشو داده و به پزشک مراجعه شود. اگر به طور اتفاقی بلعیده شد می بایست اقدامات پزشکی انجام شود. در ظرف ها را پس از استفاده ببندید و برای اطلاع از انبار داری ویژه یا انهدام باقیمانده مواد به برشور ایمنی محصول مراجعه نمایید.
