بهبود خواص بتن با استفاده از نانولوله های کربنی

چکیده :بتن مخلوطی است که در تنش ضعیف و در فشردگی بسیار قوی است . برنامه های تجربی گذشته نشان می دهد که نانو لوله های کربنی می تواند خواص بتن را به طور قابل توجهی بهبود ببخشد . بنابراین هدف این مقاله مروری بر داده های تجربی گذشته در مورد تغییر خواص بتن در حضور نانو لوله های کربنی است . به عنوان یک راه حل،نانو لوله های کربنی که شامل ورقه های متعدد گرافیت به شکل استوانه ای است برای این کار مورد استفاده قرار گرفت . به خاطر نیروهای وان در والس قوی و نیروهای الکترواستاتیک ، این نانو لوله ها تمایل به تجمع دارند . بنابراین، تکنیک پراکندگی اولتراسونیک برای متفرق کردن آنها به صورت یکنواخت اتخاذ شده است . آزمایش های فشاری، خمشی و کششی در برنامه های تجربی گذشته انجام شده است .

کلمات کلیدی: MWCNT ، سونیکاسیون ،سیمان

1. مقدمه:

بتن مخلوط متناسبی از آب و سیمان است که میتوان از آن به عنوان ماده ساختمانی برای ساخت سازه های متعددی همچون  واحدهای هسته ای و یا ساختارهای اصلی مانند خانه استفاده کرد . در میان مواد تشکیل دهنده ی بتن، سیمان از لحاظ شیمایی و فیزیکی نقش مهمی در آن بازی میکند.

سیمان یک پودر ریز خاکستری رنگ است که از لحاظ شیمیایی توسط مواد خامی مانند کلسیم اکسید (CaO ) ، سیلیس(SiO2 )،آلومینا(Al2O3) و اکسید آهن (Fe2O3) تشکیل شده و تا دمای 1200 تا 1400 درجه کلوین حرارت داده می شود.در طول فرآیند ترکیب مواد تشکیل دهنده در داخل روتاری، 4 ماده ی معدنی تشکیل دهنده ی اصلی سیمان متولد می شود.این مواد اجزای اصلی شرکت کننده در خاصیت استحکامی بتن هستند . این چهار جز، در ایجاد استحکام در مراحل مختلفی شرکت میکنند. تری کلسیم سیلیکات (C3S ) مقاومت اولیه بتن را به وجود می آورد  در حالیکه تری کلسیم آلومینات در فرآیند تولید سیمان به عنوان گداز آور عمل خواهد کرد . این ماده همچنین مقدار زیادی گرما را آزاد می کند و باعث مقاومت اولیه سیمان می شود . طبیعت سخت شدن سریع تری کلسیم آلومینات، دلیل اضافه کردن گچ به مخلوط سیمان در فرآیند تولید است.دی کلسیم سیلیکات (C2S ) نیز هیدراته شده و به آرامی سخت می شود و مسئول مقاومت طولانی مدت سیمان است . آخرین جزء از سیمان تترا کلسیم آلومینو فریت (C4AF ) است که به سرعت هیدارته می شود. در سطح میکروسکوپی ، هیدارت کلسیم سیلیکات دارای ساختاری مانند ابر است که کلسیم هیدروکسید مانند یک گل سرخ ساخته شده از سنگ بوده و هیدارت کلسیم سولفور آلومینات تولید یک ساختار سوزن مانند را میکند.اگرچه مشاهدات نشان می دهد که انواع مختلفی از شکل ها در درون این ساختار ممکن است وجود داشته باشد ،اما حفره هنوز هم وجود دارد . وجود حفره یکی از دلایل اصلی برای تضعیف استحکام وقدرت بتن است .بنابراین از  نانولوله های کربنی برای پر کردن این حفرات استفاده می شود . هدف از این مقاله مروری بر داده های تجربی گذشته در بهبود خواص بتن با استفاده از نانو لوله های کربنی است . بنابراین اضافه کردن نانو لوله های کربنی در داخل مخلوط می تواند تاثیرات زیادی برروی بتن و استحکام آن داشته باشد .

2. مرور مقالات:

معمولا سه روش اصلی برای اضافه کردن یکنواخت نانولوله های کربنی به بتن وجود دارد : اضافه کردن آن به سیمان ، اضافه کردن به آب و اضافه کردن به مخلوط.

در یک آزمایش، محلول پلی کربوکسیلات اتر(فوق روانساز) مورد استفاده قرار گرفته است . این محلول به عنوان سورفکتانت برای آماده سازی محلول آبی مورد استفاده قرار گرفته است . 0.25 درصد از محلول فوق روان بر اساس وزن سیمان برای فرآیند سونیکاسیون استفاده شده است . برای افزایش استحکام آب به حداقل رسانده شده و زمان و کارکرد نیز تنظیم شده است . برای به دست آوردن حداکثر استفاده از نانو لوله های کربنی چند دیواره (MWCNT)، آن را باید به طور مساوی در مخلوط بتن پراکنده کرد . در فرایند سونیکاسیون ، نانو لوله های کربنی چند دیواره و سورفکتانت 0.25 درصد بر اساس وزن سیمان و آب اضافه  شده است . برای 0.015 درصد از نانولوله ی چند دیواره بدون آب ، تنها سورفکتانت برای سونیکاسیون مورد استفاده قرار گرفته است . انرژی مافوق صوت به مدت 30 دقیقه اضافه شده است . سپس نمونه با به هم زن مغناطیسی به مدت 30 دقیقه هم زده می شود . نمونه ها به هنگام ریخته گری، برای اولین بار سیمان، مصالح درشت دانه و ریزدانه مخلوط می شوند. بعد از آن مخلوط آب-نانولوله ی چند دیواره ، اضافه شده و برای جلوگیری از تجمع به سرعت مخلوط می شود.

در یک آزمایش دیگر ، نانولوله های کربنی به عنوان یک تقویت نانومتفرق کننده ی با استحکام بالا در  مواد کریستالو هیدراتی ترکیبی برای بهبود خواص فیزیکو مکانیکی بتن فوم سیمانی غیر اوتوکلاو مورد استفاده قرار گرفته است . ترکیب استفاده شده یک محصول با چگالی 0.086 g/cm3 بوده است . روشهای فناوری قدیمی و سنتی با فوم فنی برای آماده سازی بتن فوم سیمانی مورد استفاده قرار گرفت . سپس ترکیب کمی مرطوب شده و سطح آن با یک سورفکتانت مبتنی بر محلول نمک لیگنوسولفونات مورد عمل قرار گرفت.

در آزمایش سوم ،پلی الکترولیت با وزن مولکولی بالا برای پراکنده ومتفرق کردن نانو لوله های کربنی چند دیواره مورد استفاده قرار گرفته است . نوع دوم نمونه توسط متفرق کردن  مسقیم نانولوله ها در کربوکسیلات اتر آماده شد. این محلول ، به عنوان یک سیستم تک فازی عمل می کند .

درصدهای مختلفی از نانولوله های کربنی چند دیواره مورد استفاده قرار گرفته است: MWCNT با 0.015 درصد، 0.022 درصد،0.03 درصد ،0.045 درصد بر اساس وزن سیمان .

در یک آزمایش دیگر ، انتخاب ترکیب مورد استفاده برای  آماده سازی مخلوط بتن فوم بر اساس درجه ی مورد نظر فوم بتن تا تراکم 350 kg / m3  ساخته شده است . مقدار فاز تقویت در مخلوط 0.05٪  و بر اساس توده   و حجم اولیه بود.

نانو لوله های کربنی با استحکامی بالغ بر 48000 در مقایسه با سایر مواد ، ماده ای بسیار خوب برای این کار است . برخی از خواص نانولوله های کربنی چند دیواره (MWCNTs)عبارت است از : خلوص کربن بیش از 90 درصد ،قطری در محدوده ی 20 الی 40 نانومتر ، طول 1 تا 10 میکرو متر ، تعدا دیواره ها 3 الی 15 تا ، چگالی برابر با 0.15-0.35 g/cm3.

در آزمایش های مختلف ، نانو لوله های کربنی با قطر 40 الی 60 نانو متر که با مس پر شده بود، مورد استفاده قرار گرفت .

نتیجه گیری:

از نتایج بدست آمده می توان فهمید که افزایش نسبت نانو لوله های کربنی چند دیواره ی عاملدار به بتن می تواند مقاومت فشاری بتن را افزایش دهد. در حقیقت مقاومت فشاری بتن با نسبت0.045 درصد ازنانو لوله ی کربنی چند دیواره عاملدار تا 26.69 درصد افزایش یافته است . قدرت کششی با افزایش MWCNT نیز افزایش یافته است . در حقیقت مقاومت کششی تا 66.3 درصد افزایش پیدا کرده است . با افزایش MWCNT ، میزان افزایش مقاومت کششی بیشتر از میزان افزایش مقاومت فشاری است.

منبع:

IMPROVING THE PROPERTIES OF CONCRETE USING CARBON NANOTUBES