کاربرد نانو در صنعت سیمان

امروز نانوتکنولوژی تمامی مرزهای دانش را در نوردیده است و صنعت سیمان ها از این امر مستثنی نمی باشد.

نانوسم (NANOCEM) یک تحقیق جدید شبکه اروپاست که بر روی مراحل توسعه اصول فنی نانو (مقیاس یک بیلیونی) در مواد سیمانی متمرکز شده است.

بستهای سیمان پورتلند ، اجزا اولیه فعال بتن هستند که در بیشتر ساختمانهای مدرن استفاده می شوند . دیگر تشکیل دهنده های بتن ، آب و مصالح دانه ای ریز و درشت (مانند شن و سنگ) هستند.

بستها از جوش سیمان پورتلند با زمینه کمی از سولفات کلسیم ساخته شده اند و به طور متداول شامل پودرهای ریز معدنی مثل سنگ آهک ، پوزولان (معمولا خاکسترهای آتش فشانی) ، خاکستر بادی (معمولا از زغال سوخته گیاهان پر قدرت) و سرباره دانه ای کوره بلند ، هستند.

چنین گردهمایی به عنوان مواد سیمانی تکمیلی تلقی می شوند زیرا آنها برای جایگزین شدن به جای بیشتر چسب سیمانهای گران استفاده می شوند. مواد افزودنی شیمیایی مانند افزودنی ها کاهنده آب ، فوق روان کننده ها (خمیر کننده ها) ، کندگیر کننده ها ، تند گیر کننده های بتن و عوامل هوازا می توانند به بتن در مقدار کم اضافه شوند تا خصلتهای بتن را برای موارد استفاده خاص تغییر دهند.

توضیح درباره نانو :

اگر چه سیمان پرتلند در مقدار وسیع در مواد دست ساز بشر بر روی زمین استفاده می شود اما فهم مکانیزم اصلی ، حاوی خصوصیاتش به طور طبیعی باقی مانده است . مراحلی که در طول ۱لحظات نخستین واکنش با آب اتفاق می افتد ، می تواند ساختارهای بزرگ و ریز را تحت تاثیر قرار دهد و اجرای طولانی مدت یک ساختار را در پی داشته باشد.

بیشتر واکنشهای شیمیایی که عملکرد مواد سیمانی را کنترل می کند در مقیاس نانو سنج (یک بیلیون) اتفاق می افتد ولی اکثر تحقیقات ، عملیات مهندسی گرفته اند و بر روی مرحله درشت (قابل دید) متمرکز شده اند. فقدان فهم جزییات مولکولی از رشد چشم گیر تقریبا جلوگیری کرده و موج ناتوانی در پیش بینی وضع آینده شده است. نیاز برای آزمایش مکرر خصوصیات در تناسب درشت دانه ای مانع نوآوری و استخراج در SCM هایی که به طور گسترده ای در دسترس قرار دارند ، شده است که به طور کلی در جا دادن انرژی اندک (جدول سمت راست را ببینید) و غیر سمی می باشند.

در حال حاضر ، در هر ساختمانی که در آن از مواد سیمانی جدید با عملکرد بالا استفاده می شود ، نیاز به تست زمان (طولانی کردن) دارد. با کسب دانش بنیادین ، این مواد می توانستند به جای آزمایش و خطا با طراحی و پایه گذاری بر روی مدلهای معتبر ، ساخته شوند.

هدایت در مسیر صحیح :

در طول این فعالیت بر روی این مطلب یعنی نانوسم ، ۲۱ انجمن علمی به همراه ۱۲ شریک صنعتی که ۵ شرکت بزرگ تولید کننده سیمان را در بردارد بنا نهاده شد و در ۱۱ کشور اروپایی گسترش یافت و در طول یک چهارم قرن گذشته انقلابی در تکــــنیکهای تجربی برای رسیدگی به مواردی مثل تشـــدید طیف بینی مغناطیســــی هستـــــه ای (NMR) نیروهــای میکروسکوپی بوجود آورده اند و به شرکای نانوسم امکان دسترسی به ابزارهای پیشرفته را داده است.

شرکتهای صنعتی خط شروع مالی برای شبکه ارتباطی فراهم کرده اند و راهنمایی با احترام به پیش بینی علایق بازار فراهم نموده اند. اعضای انجمن علمی مجبور هستند که حداقل یکی از پروژه های تحقیقاتی مستقل مالی را با شبکه ارتباطی تسهیم کنند و باید تحقیقاتشان را به روش تعاونی و مکمل توسعه دهند .
کارگاههای اصلی برگزار می شوند تا قسمتهای مهم خالی علمی را پیدا کنند و با ارتباط دادن پروژه های تحقیقاتی ، سعی در پر کردنشان نمایند.

این کمیته هدایت کننده شامل ۵ نماینده از شرکای صنعتی و ۵ نفر از انجمن علمی است . جلسات تجاری دو بار در سال برگزار می شود . برنامه تحقیقاتی شبکه ارتباطی ، چهار پروژه اصلی و پروژه شریکی در دست اجرا داد که شامل موارد زیر است :

مجموعه هیدرات که خود متشکل از کربن ، سولفور هیدروژن (C-S-H) می باشد. در حال حاضر مشخص کردن کمی ترکیب وجهه هیدراتی ممکن نیست در حال حاضر مشخص کردن کمی ترکیبی هیدراتی که از هیدرات یک سیستم سیمانی منتج شده است ، ممکن نیست ، مخصوصا زمانی که (SCM) هایی مثل خاکستر بادی یا سرباره شامل آنها می شود. هدف این پروژه ها تعیین مواد تشکیل دهنده و استحکام ترکیب وجهی هیدرات است که انتظار مـی رود ، در دمای بالاتر از ۵۰ درجه سانتی گراد اتفاق بیفتد. این تحقیق شامل پروژه های دکترای تخصصی است که به طور پیوسته توسط دانشگاه های ابردین Aberdeen بریتانیا ، امپا Empa در سوئیس و Espcl در فرانسه هدایت می شود.

ساختار منفذ توسط NMR :

این پروژه امیدوار است تا تنظیم جامعی بر روی هنرهای غیر مخرب ، ابزارهای تکنیکی غیر تهاجمی داشته باشد و آنها را قادر می سازد ، ساختار منفذ هیدرات سیمانها را در حدی که در آن منافذ با آب پر می شوند و قابلیت جابجایی آب در مواد اشباع کننده را تحلیل کنند. نتیجه کار اجازه خواهد داد که دوام و عملکرد بتن به طور بهتری پیش بینی شود . دو گروه از گروههای هدایت کننده در منطقه چرخش پروتنی را دانشگاههای سوری Surrey در بریتانیا و پلی تکنیک فرانسه را شامل می شود.

فعل و انفعالات ترکیبات آلب آلومینیم با اکسید فلز : این امر یکی از مشکلترین مباحث مربوط به اثر سیمان و فوق روان کننده (خمیر کننده) در بتن است. برای مثال شتاب فوق خمیریازی بر روی فرمهای غیر فعال ( که صورت ترکیب آلی آلومینیم با اکسید فلز نامیده می شود) در طول مراحل اولیه ترکیب سازی بتن می باشد.

این پدیده شناخته شده ، منتهی به مصرف مقدار زیاد فوق خمیرسانی در بسیاری از بتن ها و بوجود آمدن مشکلات کاربردی جدی ، زمانی که مواد خام یا شرایط ترکیب تغییر کرده اند ، می شود. این تحقیق توسط سیکا در سوئیس و Espc هدایت می شود.

واکنش پذیری سیستم سیمانی : در پروژه دکتــــری تــوسط EPFL در سوئیس و DTU در دانمارک و دانشگاه آرهوس Aarhus دانمارک و دانشگاه لیدز Leeds در بریتانیا در دست تحقیق است که بر روی توسعه یک روش برای تشخـــــــیص درجه عکس العمل قسمت جوش سیمانی و به طور مستقل SCM ها در سیمانهای چسبیده است.

شریک شدن :

پروژه های شرکتی در محدوده شبکه ارتباطی ماننده تحقیقات در دست اجرای دانشگاههای Bourgogne فرانسه درباره اثر آهن بر روی پیوستگی و ساختار C-S-H در مقیاس نانو از بنیاد تا کاربرد است . برای مثال در موسسه تکنولوژی دنیش Danish ، مطالعه ای بر روی مکانیزم زیباشناختی ظاهری بتن بر روی ساختار سرتاسری صورت پذیرفته است.

تحقیق و تعلیم :

علاوه بر هسته تحقیقات نانوسم که بوسیله شرکای صنعتی در حدود ۵۰۰ هزار یورو در هر سال از لحاظ مالی تامین می شود ، مرکز مالی EU ، ۲/۳ میلیون یورو برای چهار سال تحقیق و تعلیم پروژه (RTN) شبکه ارتباطی تحت برنامه ماری کوری ، برنده شده است.

این پروژه فهم اساسی مواد سیمانی برای بهبود عملکرد زیباشناختی فیزیکی و شیمیایی نام نهاده شده و بین ۱۰ پروژه دکتری و ۵ پروژه فوق دکتری تقسیم شده است که هر کدام بین دو یا چند شریک قسمت می شود. محققان زمانی برای هر منطقه شراکتی در طول پروژه صرف می کنند .

موضوعات به چهار گروه تقسیم می شود : کاستن قالب سیمان : این موضوع بع طور اولیه فروسایی سیمان با تاکیر بر حملات سولفات رامی پذیرد . نیروی سایش نیز در این موضوع مد نظر گرفته می شود . این کار ساخت مدل کلی عملکرد سیمان را تامین می کند.

بررسی فیزیکی و مکانیکی عملکرد :

این مقیاسهای طولانی ، بررسیهای ارتباطی نانو ، ماکرو و ساختــــاری بزرگ برای توسعه ابزارهای در جهت ارزش گذاری عملکرد مهندسی را احاطه می کند. این تحقیق به توسعه اصول تکنیکی و مدلها برای استفاده توسط مهندسین را متحمل می شود.

مواد سیمانی جدید : در این گروه از پروژه ها ، مقدار عمده مواد علمی و مهندسی بکار گرفته می شوند تا عملکرد مواد سیمانی بر سطح و حجم را بهبود بخشند. این کاریک رشته نوآوریهای لازم برای بهبود عملکردی و زیباشناختی در طول افزودن محلی را می پذیرد.

پروژه های متقاطع : این پروژه ها ورودیهای مهم برای موضوعی که در بالا اشاره شده است را تامین می کند . آنها SCMهایی را که به طور افزایشی استفاده می شوند ، در ترکیب با جوش سیمان پورتلند ، در علایق قابل تحمل پوشش داده اند.

دستاوردهای جاه طلبانه :

شبکه ارتباطی نانو ، خود یک منبع ساختمانی جدید ذهنی جاه طلبانه تنظیم کرده که در دستاورد موثری بر تحقیقات اروپایی بر روی مواد سیمانی می باشد.
به طور کلی انجمنهای علمی کوچک و اغلب مجزا ، طرحهایی برای انجمنهای سرمایه گــذاری بین المللی می سازند و در رقابت با دیگر گروههای مواد علمی و دیسیپلین های مهندسین عمران ارزش گذاری می شوند. اغلب مسائلی ناشناخته قابل توجهی درباره این کار در دیگر کــشورها اتفاق می افتد و چنین کارهایی هیچ گاه منتشر نمی شوند. این امر منتهی به دو برابر شدن تلاشهای تحقیقاتی و مطالعه زیاد پارامتری شده است. جایی که نتایج فقط برای ترکیب خاصی از مطالعه مواد خام در دسترس هستند.

نانوسم تلاش بیشتری را برای روشن کردن پروژه ها و جمع آوری تجربیات همه شرکا انجـــــام میدهد.