چکیده

اخیرا تولیدکنندگان سیمان دریافته اند که کاهش اندازه ذرات سیمان در مقیاس نانو، موجب تسریع در سفت شدن آن میشود.در این مقاله ویژگی ملاتهای سیمان دارای ذرات نانو سیلیس مورد تحقیق و مطالعه قرار گرفته است.سیلیس آمورف یا شیشه ای (عمده ترین بخش پوزولان) با هیدروکسید کلسیم حاصل از هیدراتاسیون فازهای آلیت و بلیت سیمان واکنش میدهد.سرعت واکنش پوزولانی با مقدارسطح موجود برای واکنش متناسب است.بنابراین ، میتوان برای ساخت بتنهای دارای کارایی بالا ، از ذرات نانو سیلیس استفاده کرد.نتایج بد ست آمده از آزمایشات نشان میدهند که مقاومت فشاری ملات دارای ذرات نانو سیلیس بیشتر از ملات حاوی دوده سیلیسی در سنین 7 و 28 روزه می باشد.روند هیدراتاسیون پیوسته مورد ارزیابی و کنترل قرارگرفته است که این کار با اسکن میکروسکوپ الکترونی و مطالعه مقدار باقی مانده و سرعت گرم شدن،انجام شده است.با مطالعه برروی تصاویر اسکن میکروسکوپ الکترونی نیز به وضوح میتوان دریافت که در ملاتهای حاوی مقادیر کم از نانو سیلیس و میکرو سیلیس ، ژل سیمان و ناحیه حدفاصل بین سنگدانه و ژل سیمان دارای تخلخل بالاتری در مقایسه با ملاتهای حاوی مقادیر بیشتری از نانوسیلیس و میکروسیلیس می باشد.

1.مقدمه

در سالهای اخیر نانو تکنولوژی توجه بسیاری از دانشمندان را به خود جلب کرده است زیرا این علم توانایی استفاده از ذرات در اندازه نانو را در اختیار محققین قرار میدهد و بسیاری از صنایع می توانند مواد موجود را با استفاده از این ذرا تولید کرده و محصولات جدید بسازند.نانوتکنولوژی ، توانمندی تولید مواد، ابزارها و سیستم های جدید با در دست گرفتن کنترل در سطح مولکولی و اتمی و استفاده از خواص است که در آن سطوح ظاهر میشود.در مورد استفاده از ذرات نانو در مصالح ساختمانی تحقیقات بسیار زیادی در سطح جهان صورت گرفته است..هدف نهایی از بررسی مواد در مقیاس نانو، یافتن طبقه جدیدی از مصالح ساختمانی با عملکرد بالا میباشد ، که آنهارا میتوان بعنوان مصالحی با عملکرد بالا و چندمنظوره اطلاق نمود.منظور از عملکرد چندمنظوره با ظهور خواص جدید و متفاوت نسبت به خواص مواد معمولی می باشد به گونه ای که مصالح بتوانند کاربردهای گوناگونی را ارائه نمایند.

 هویی لی تحقیقاتی در مورد ملات های سیمانی با ذرات نانو سیلیس یا نانو انجام داده و ویژگی های فیزیکی و مکانیکی آنها را بررسی کرده است.انستیتوی تحقیقاتی فوجی چیمرا در سال 2002 کاربردهای عملی نانو سیلیس را مورد بررسی قرارداده است.اما تابحال تحقیقات انجام شده بیشتر برای بدست آوردن کارایی مکانیکی بالا بوسیله جایگزینی مواد سیمانی با اندازه میکرو صورت گرفته است لو ویانگ توانستند مقاومت فشاری 8000pa را درنمونه های تحت آزمایش بدست آورند.

 جدول1 : ترکیبات شیمیایی و ویژگیهای فیزیکی مواد سیمانی با شناسایی مواد به کمک اشعه ایکس

ریچارد و چیرزی به تنهایی با توان واکنش پذیری در بازه 200-800MPa و انرژی شکافت تا ²40Kj/m ساختند.تولید بتنی با مقاومت بسیار بالا با کاربرد مواد زیرامکان پذیر است:

سیستم متراکم حاوی ذرات بسیار ریز و نرم همگن و فوق روان کننده و دوده سیلیسی.

هدف این مقاله ، بررسی تاثیرات نانو سیلیس در ملات سیمان بوده است.سیلیس نامنظم یا شیشه ای که ماده اصلی پوزولان4 به شمار میرود،با هیدروکسید کلسیم حاصل از هیدراتاسیون فازهای آلیت و بلیت سیمان واکنش میدهد.سرعت این واکنش بستگی به مقدار سطح موجود برای آزمایس دارد.بنابراین میتوان ذرات نانوسیلیس را با خلوص بالا ((99/9% با مقدار نرمی بلیون برابر برای اصلاح ویژگی های ملات سیمان بکاربرد.نتایج این آزمایشات نشان میدهد که نانوسیلیس ها نه تنها میتوانند بعنوان پرکننده برای اصلاح میکروساختارها بکارروند بلکه میتوانند نقش فعالساز واکنش پوزولانی را نیز داشته باشند.ذرات نانو سیلیس برای بهبود واصلاح مقاومت بتن بیشتر از دوده سیلیسی ارزش دارند.

2. مواد و مصالح

مواد سیمانی بکاررفته عبارتند از : سیمان پرتلند معمولی،پودر دوده سیلیس و ذرات نانو سیلیس.ویژگیهای شیمیایی و فیزیکی آنها در جدول 1 نشان داده شده است.

2-1- دوده سیلیسی

اضافه کردن مواد نرم به سیمان روشی است که امروزه کاربر بسیاری ئارد.دوده سیلیسی را میتوان به عنوان جایگزینی برای سیمان یا بعنوان یک ماده افزودنی در مواقع خاص بکار برد.مقدار زیاد سیلیس یکی از ویژگی هایی است که معمولا مسخص میشود.به همین خاطر،دوده سیلیسی بکاررفته به شکل پودر حاوی 95 درصد ²sio وذرات به اندازه 0.1میکرومتر و نرمی200000 سانتی متر مربع بر گرم با بستر متخلخل0.5 بوده است.

2-2- نانو سیلیس

خمیر سیمان از مواد زیرتشکیل میشود:

-ذرات ریزژل سیلیکات کلسیم هیدراته

-سوراخهایی در ابعاد نانو

-منافذ مویینه

-کریستال های بزرگ مواد هیدراته

بنابراین باید فضایی برای مواد نانو وجودداشته باشد تا ذرات آن بتوانند منافذ خمیرسیمان را پرکنند.سیلیس آمورف یا شیشه ای در ابعاد نانو به عنوان پوزولان با هیدروکسید کلسیم حاصل از هیدراتاسیون فازهای آلیت وبلیت واکنش میدهد.سرعت واکنش پوزولان بستگی به نرمی آن دارد.بنابراین نانو سیلیس بکاررفته حهوی 99.9درصد سیلیس و ذره ای به اندازه 40 نانومتر و نرمی 600000 سانتی متر مربع بر گرم بوده است.

3-2- فوق روان کننده

این ماده یک پلی کربوکسیلات تولید شده توسط شرکت کره ای اکونیست با چگالی 1.06 است که با همه ترکیبات مخلوط میشود.مقدار آن برای هر مخلوط باید تنظیم شود و هیچگونه تفکیکی نباید بوجود آید. 

جدول 2: نسبت ترکیبات نمونه های مورد آزمون

4-2- مصالح ریز

برای ساخت ملات،سیمان و ماسه دانه بندی شده اوتاوا با حداکثر اندازه 4/76 میلی متر با نسبت 1 به 2/45 ترکیب میشوند.دانسیته ماسه منظم برابر2/6،مدول نرمی

ات،سیمان و ماسه دانه بندی شده اوتاوا با حداکثر اندازه 4/76 میلی متر با نسبت 1 به 2/45 ترکیب میشوند.دانسیته ماسه منظم برابر2/6،مدول نرمی 2/7 و جذب آن 1/5% است.ماسه براساس ASTM C33 درجه بندی شده است.برای ایجاد محیط اشباع ، مقداری آب به مخلوط اضافه شده است.

5-2- ویژگیهای مخلوط

جزئیات مربوط به ویژگیهای ملات دارای دوده سیلیسی و نانوسیلیس در جدول 2 آورده شده است.نسبت آب به سیمان برابر 0/5 است و چهار نوع ملات با افزودن 3، 6،10 ،12 درصد وزنی نانوسیلیس به سیمان تهیه شد.مقاومت ملات سیمان دارای دوده سیلیسی در برابر فشار با نسبت آب به سیمان 0/5 هم اندازه کیری شده است تا بتوان آن را با ملات حاوی ذرات نانوسیلیس مقایسه کرد.ملات سیمان شامل 5 ، 10 و 15 درصد وزنی دوده سیلیسی نیز میباشد.مقدارماده فوق روان کننده نیز بعنوان درصدی از وزن مواد سیمانی نشان داده شده است و این مواد با توجه به تاثیر مقادیر مختلف دوده سیلیسی و ذرات نانو تنظیم شده اند.

6-2- روش آزمون

ملات سیمان در یک مخلوط کن ترکیب میشود.ذرات نانو را نمیتوان بخاطر داشتن انرژی سطحی بالا به راحتی بصورت نامنظم پراکنده کرد.به همین دلیل عمل مخلوط کردن مواد بصورت زیر انجام می گیرد:

1.      ذرات نانوسیلیس با آب و با سرعت بالا(120 rpm) به مدت یک دقیقه هم زده میشوند.

2.      سیمان و دوده سیلیسی به مخلوط کن اضافه شده و با سرعت متوسط (80 rpm) به مدت 30 ثانیه هم زده میشوند.

3.      ماسه در هنگام ترکیب در سرعت متوسط به تدریج به مواد اضافه میشود.

4.      در این مرحله ماده فوق روان کننده اضافه شده و با سرعت بالا به مدت 30ثانیه هم زده میشود.

5.      مخلوط حاصل، به مدت 90 ثانیه بی حرکت باقیمانده و آنگاه به مدت 1 دقیقه با سرعت بالا دوباره هم زده می شود.

3. نتایج و بحث

3-1- مقاومت فشاری

مقاومت فشاری پس از 7 و 28 روز در جدول 3 نشان داده شده است.مقاومت فشاری در ملات حاوی ذرات نانوسیلیس درهرمورد بیشتر از ملات کنترلی می باشد.اختلاف مقومت مذکور میتواند ناشی از واکنش پوزولانی باشد ذرات نانو در واکنش پوزولانی موثرتر از دوره سیلیسی هستند.همچنین ذرات نانو سیلیس منافذ را پرکرده و مقاومت ملات را افزایش میدهند.بنابراین مشخص میشود که اضافه کردن نانو سیلیس به ملات سیمان میتواند خصوصیات مقاومتی آن را افزایش دهد که این مقدار از 3 تا 12 درصد می باشد. 

جدول3 : نتایج مقاومت فشاری(Mpa)

3-2- میکروساختارها

برای تعیین مکانیزم پیش بینی شده توسط آزمون مقاومت فشاری ، آزمایشات اسکن میکروسکوپ الکترونی انجام میشود.افزودن ذرات نانو سیلیس بر هیدراتاسیون تاثیرگذارده و منجر به ایجاد اختلافاتی در میکرو ساختار خمیر سیمان میشود.میکروساختار مخلوط حاوی نانو سیلیس شکلی فشرده و متراکم از مواد هیدراتاسیون و تعداد کریستال های ca(OH)₂   را نشان میدهد.

3-3- میزان افزایش گرما

نرمی مواد در میزان افزایش گرما بسیار تاثیر دارد.سیمان نرم میتوان سرعت هیدراتاسیون را افزایش دهد.گرمای هیدراتاسیون را میتوان بصورت مقداری از گرما که در تنظیم و سخت شدن ماده نقش دارد تعریف کرد.مقدارگرمای مخلوطهای مختلف در 72 ساعت مطابق نتایج جدول 4 می باشد. 

 جدول4 : گرمای هیدراتاسیون مخلوطهای تهیه شده با دوده سیلیسی و نانو سیلیس

این نتایج نشان میدهند که اضافه کردن نانوسیلیس میتواند مقدارگرمای سیمان را در طول گیرش و سخت شدن زیاد کند.اگرچه مقدار زیادتر از معمول ماده فوق روان کننده هیدراتاسیون خمیر سیمان حاوی ذرات نانوسیلیس را کند میکند.برای سرعت گرفتن هیدراتاسیون و واکنش پوزولانی باید به حرارت توجه زیادی نشان داد. 

3-4- مقدار باقیمانده هیدروکسید کلسیم

   سرعت واکنش پوزولانی را میتوان با نظارت و کنترل کاهش هیدروکسید کلسیم،مشخص کرد.سیلیس نامنظم یا شیشه ای با هیدروکسیدکلسیم حاصل از هیدراتاسیون فازهای آلیت و بلیت سیمان واکنش داده و سیلیکات کلسیم هیدراته تولید میشود.با آنالیزهای انجام شده در7روز، مقدارCa(OH)₂ باقیمانده در خمیر برابر مقادیر جدول 5 میباشد.تاثیر عمده واکنش پوزولانی، افزایش مقاومت و ایجاد سوراخ هایی با اندازه کوچکتر است.

جدول5: مقداردرصد باقیماندهCa(OH)₂

اسکن میکروسکوپ الکترون، نوعی میکروسکوپ که از پرتوی الکترونی برای اسکن کردن شئی و تولید تصاویر بزرگ از آن در یک لوله کاتدی استفاده میکند.این روش مشکلات ناشی از عمق مسایل میدانی را نیز ندارد.

4. نتیجه گیری

براساس نتایج آزمون مقاومت فشاری، انتظار میرود که بتوان از ذرات نانوسیلیس به عنوان موارد زیر استفاده کرد:

-          پرکننده و اصلاح کننده میکروساختارهای ملات سیمانی

-          به عنوان ارتقادهنده واکنش پوزولانی

-          نانوسیلیس معلق کاربردهای چند منظوره از خود نشان میدهد مانند: خاصیت ضدسایش-ضد لغزش- ضدحریق-ضدانعکاس سطوح.

-          نمونه های حاوی میکروسیلیس و نانو سیلیس نسبت به ملات سیمان بدون این مواد دارای خواص مکانیکی و شیمیایی به مراتب بالاتری می باشند.

- کاهش در اندازه ذره میتواند منجربه این شود که سفت شدن سیمان با آهنگ تندتری انجام گیرد که منجر به قوی تر شدن نیروی الکترواستاتیک و بزرگترشدن سطح مخصوص میشود.