مدول الاستیسیته (M O E) را می توان با بهینه سازی نسبت مخلوط، افزایش قدرت فشاری و استفاده از سنگ های سخت تر افزایش داد. اما چنین بتنی نسبتا شکننده است و دارای تمایل بالایی برای ترک خوردگی انجماد است. این مطالعه روش جدیدی را برای بهبود مدول کشش بتن بدون افزایش مقاومت فشاری و شکنندگی آن، با استفاده از نانولوله های کربن (CN T) و نانو فیبرهای کربن (CN F) ارائه می دهد.
کربن NanoTubes
(CNTs) عمدتا
کربن آلومینیوم شامل لایه گرافن منحنی است که از یک لایه ی اتمی کربن در یک ساختار
لانه زنبوری تشکیل شده است که ممکن است بسته به روش تولید، حاوی مقادیر مختلف
ناخالصی های فلزی باشد. بعد از چندین سال از خصوصیات
دقیق آن، CNT ها از مواد رؤیاها به مواد
دنیای واقعی رشد کرده اند که در حال حاضر زمینه های کاربردی آن را پیدا کرده اند. توان تولید برای نانولوله های کربنی هر
ساله به میزان قابل توجهی افزایش می یابد و در نتیجه قیمت به شدت نزولی می رود. علاوه بر قدرت قابل توجهی که معمولا 100
برابر استحکام کششی فولاد در یک ششم وزن دارد، CNT ها یک سری ویژگی های دیگر را نشان می
دهند. این طیف گسترده ای از استفاده از آن در
برنامه های مختلف مانند استفاده از آن در بخش انرژی،
ادبیات منتشر شده نشان داده است که CNT ها می توانند در تولید بتن و ملات استفاده شوند. این مقاله خلاصه ای از برخی تحقیقات درباره استفاده از CNT در بتن / ملات را ارائه می دهد. اثر CNT ها بر خواص مانند مقاومت فشاری، استحکام کششی، مدول کشش، قدرت خمشی، تخلخل، هدایت الکتریکی و انقباض اتوژن در
5 . خواص ملات سیمان حاوی CNTs
با توجه به خواص عالی نانولوله های کربنی، تحقیقات مختلفی در بررسی اثر افزودن نانولوله های کربن بر خواص مکانیکی مختلف ملات انجام شده است. خلاصه ای از خواص در این بخش ذکر شده است.
5.1 . ریز ساختار
ریز ساختار به عنوان ساختار یک سطح آماده شده از مواد تعریف شده است که توسط میکروسکوپ بالای 25 × بزرگنمایی نشان داده شده است . ریزساختار یک ماده که به طور گسترده به فلزات، پلیمر، سرامیک و کامپوزیت طبقه بندی می شود می تواند به شدت بر خواص فیزیکی مانند قدرت، سختی، انعطاف پذیری، سختی، مقاومت در برابر خوردگی و مقاومت در برابر سایش تاثیر بگذارد، که به نوبه خود بر کاربرد این مواد در عمل صنعتی.
Chaipanich و همکاران [22] اثر افزودن نانو تیوب های کربن (CNTs) را با 0.5٪ و 1٪ وزن در ماتریس سیمان خاکستری ماسه بر خواص مکانیکی کامپوزیت سیمان خاکستری CNT بررسی کرد. تجزیه و تحلیل SEM انجام شد و میکروسکوپ مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که CNT در تکمیل حفره های بین محصولات هیدراتاسیون مانند هیدراتهای کلسیم سیلیکات (CSH) و اترینگیت به عنوان شکل زیرنشان داده شده است.، که در آن CNTs (مشخص شده توسط فلش ها) می تواند در کنار آن اترینگیت و C-S-H دیده می شود، به طریقی تقویت ماتریس که در آن نانولوله های کربن قابل توجه بین ماتریس های سیمان خاکستر دیده می شود. میکروگرافی همچنین نشان دهنده تعامل خوبی بین نانولوله های کربنی و ماتریس سیمان پروازی با نانولوله های کربنی است که به عنوان پرکننده ای عمل می کنند که منجر به ایجاد ریز تراکم و استحکام بیشتر در مقایسه با مخلوط خاکستر پروازی بدون CNT می شود.
شکل 4 . تصاویر SEM از کامپوزیت های سیمان کربن نانولوله های کربنی در (a) 5000 ×، (b) 10،000 × و (c) 30،000 × [22] .
Nochaiya و Chaipanich [23] خواص ریزساختار کامپوزیت نانولوله کربن سیمان چند منظوره پورتلند را بررسی کردند. نانولولههای کربنی چندجدی (CNTs) به عنوان یک ماده افزودنی، تا 1٪ وزن سیمان، با استفاده از یک روش تزریق پودر شیمیایی (CVD) با استفاده از اکسید نیکل به عنوان کاتالیزور سنتز شده است. تجزیه و تحلیل میکروساختار نمونه های 1٪ ترکیب CNT با استفاده از میکروسکوپ الکترونی اسکن میکروسکوپی، میکروسکوپ الکترونی، ریز ساختار داده شده در شکل 5 مشخص شد . نتایج بدست آمده نشان می دهد که نانولوله های کربنی چند جداره و محصولات هیدراتاسیون از سیمان پورتلند، با نانولوله های کربنی چند جداره ای که به عنوان پرکننده عمل می کنند، منجر به ایجاد یک میکروارگانیسم چگال و استحکام بیشتر نسبت به ترکیب کنترلی می شود.
- یکی از چالشهایی که در زمینه مقاومت سازه ها وجود دارد بهسازی مصالح می باشد هم چنین بتن یکی از مصالح پرکاربرد می باشد که اهمیت ان غیر قابل انکار است.
امروزه از الیاف برای مسلح کردن و اصلاح عملکرد بتن استفاده می شود مانند (FRP) لیکن می توان بجای این الیاف از نانوتیوپهای چند دیواره استفاده کرد. افزودن مقداری “نانولوله کربنی” در سیمان موجب افزایش استحکام کششی و فشاری بتن می شود. همچنین افزودن نانولوله سبب افزایش مقاومت در برابر حملات شیمیایی می شود که این خود دوام و پایداری بتن را بدنبال خواهد داشت.
مدول الاستیسیته (M O E) را می توان با بهینه سازی نسبت مخلوط، افزایش قدرت فشاری و استفاده از سنگ های سخت تر افزایش داد. اما چنین بتنی نسبتا شکننده است و دارای تمایل بالایی برای ترک خوردگی انجماد است. مطالعه ی روش جدید برای بهبود مدول کشش بتن بدون افزایش مقاومت فشاری و شکنندگی آن، با استفاده از نانولوله های کربن (CN T) و نانو فیبرهای کربن (CN F) امکان پذیر است. نتایج بدست آمده نشان می دهد که نانولوله های کربنی چند جداره و محصولات هیدراتاسیون از سیمان پورتلند، با نانولوله های کربنی چند جداره ای که به عنوان پرکننده عمل می کنند، منجر به ایجاد یک میکروارگانیسم چگال و استحکام بیشتر بتن نسبت به حالت قبل می شود.
تحقیقات نشان داده است که CNT ها می توانند در تولید بتن و ملات استفاده شوند. محققان دریافته اند که نانولوله های کربنی می توانند حفره های موجود در بتن معمولی را پر کنند. این حفره ها باعث می شود آب به درون بتن نفوذ نکرده و باعث جلوگیری از ایجاد ترک در بتن شده. نانولوله های کربنی / نانوکامپوزیت ها (CNTs / CNFs) کاندیداهای بالقوه برای استفاده به عنوان تقویت نانو در مواد سیمان هستند CNTs / CNFs. دارای قدرت فوق العاده ای با مدول الاستیسیته TPa و استحکام کششی در محدوده GPa هستند و دارای خواص الکترونیکی و شیمیایی منحصر به فرد هستند.
در ادامه کارگرین به علم “نانویوتیوب های کربنی” یا همان نانو لوله های کربنی به طور گسترده تری اشاره خواهد کرد.
مقدمه:
در سال 1991 دانشمندی به نام سومیو ایجیما کاملاً اتفاقی، ساختار دیگری از کربن را کشف و تولید کرد که خواص منحصر به فردی دارد. وی در ابتدا این ساختار را نوعی فولرن تصور نمود که در یک جهت کشیده شده است. اما بعدها متوجه شد که این ساختار، خواص متفاوتی از فولرن ها دارد و به همین دلیل آن را، نانولوله ی کربنی نامید. کربن یکی از عناصر شگفتانگیز طبیعت است که به چهار صورت مختلف گرافیت، الماس، نانولولهها و باکی بالها در طبیعت یافت میشود نانو لوله کربنی (carbon nano tube) کانالهای لوله توخالی هستند که به صورت یک دیواره (SWCNT) یا چند دیواره (MWCNT) تولید میشوند.
نانولولههای کربنی:
نانولوله های
کربنی از مهمترین و پرکاربردترین ساختارهای کربنی هستند که اخیرا کشف شدهاند.
نانولولههای کربنی علاوه بر اینکه استحکام بسیار بالایی دارند، از انعطاف و پیچشپذیری
خوبی نیز برخوردارند.یکی از کاربرد های انها در بتن می باشد. مهمترین خاصیت
نانولولهها، هدایت الکتریکی آنهاست که بستگی به میزان نظم قرار گرفتن اتمها،
مقدار این پارامتر متغیر است.
آنها مولکولهایی استوانهای شکل با
انتهای باز یا بسته هستند. ساختار نانولولهها مانند صفحهای از گرافیت است که رول
شده باشد.
برای درک بهتر ساختار نانولوله یک لایه
گرافیت را در نظر بگیرید. اتمهایی را که در یک ردیف قرار گرفتهاند با (n,m) که نشاندهنده مختصات یک نقطه در صفحه است ـ مکانیابی میکنیم.
به طوری که مختصاتn، مربوط به ستون اتمها و مختصات m مربوط به ردیف اتمها باشد.
همانطور که میدانیم برای تهیه یک لوله
از یک صفحه، کافی است یک نقطه از صفحه را روی نقطهی دیگر قرار دهیم. یک نانولوله
مانند صفحه گرافیتی است که به شکل لوله درآمده باشد. بسته به اینکه چگونه دو سر
صفحه گرافیتی به یکدیگر متصل شده باشند، انواع مختلفی از نانولولهها را خواهیم
داشت.
برای درک بهتر از ساختار نانو لوله ها ی کربنی ویدیوی زیر را مشاهده فرمایید.
نانو کامپوزیتهای بتن:
افزودن پلیمر به صورت پراکنده به سیمان، خواص مکانیکی بتن را به مقدار قابل توجهی در دراز مدت افزایش میدهد. به کار بردن نانو مواد در تولید سیمان و بتن میتواند منجر به بهبود ریز ساخت بناها شود زیرا مقاومت مکانیکی و عمر بتن وابسته به ساختار میکرو و انتقال جرم و پایداری وابسته به ساختار نانو است.
نانو لوله کربنی وقتی در ملات سیمان استفاده شود، مانند میلگرد در بتن عمل میکند و مقاومت فشاری و خمشی بتن را افزایش میدهد. به علت انعطاف پذیری بالا، نانو لوله کربنی به عنوان جذب کنندهی شوک عمل می کند.
یکی از اشکالات اصلی افزودنیهای نانو لوله کربنی (CNT) و نانو رشته کربنی (CNF) ،عدم توزیع یکنواخت آنها در مخلوط سیمان است و یک دلیل عمده این مسئله، آب گریزی بسیار بالای آنها و دلیل دیگر آن جاذبه درونی بالای این نانو مواد است. یکی دیگر از مشکلات نانو لولهها یا رشته ها عدم چسبندگی مناسب بین CNTs/CNFs با خمیر سیمان است. از دیگر مشکلات نانو لولهها یا رشته ها عدم چسبندگی مناسب بین CNTs/CNFs با خمیر سیمان است .یکی از روشها، اضافه کردن CNTs/CNFs به صمغ عربی و بعد، اضافه کردن آن به سیمان است. اضافه کردنSWCNTs و MWCNTs به بتن با استفاده از پیش پراکنش با صمغ عربی، سختی و مدول الاستیسته سیمان را افزایش مییابد این در حالیست که اضافه کردن آنها بدون استفاده از صمغ عربی باعث تضعیف مشخصات مکانیکی سیمان میشود.
تاثیرات مثبت نانو لوله کربنی بر کاهش ترک خوردگی بتن:
- نانو لوله کربنی اصلاح شده در ماتریس نانو کامپوزیت بتنی، با ایجاد سطح تماس بیشتر و در نتیجه سطح انتقال نیروی بیشتر سبب پیوند بهتر نانو لوله با ماتریس بتنی میشود. و از پیشرفت نقصها و شکافهای توده جلوگیری میکند.
- برای بالا بردن مقاومت بتنهای معمولی از میلگردهای فولادی استفاده میشود. به بتن آرمه مسلح با میلگرد، مواد نگه دارنده و ضد یخ اضافه میشود که در اثر عوامل محیطی افزایش حجم پیدا کرده و سبب از هم پاشیدن بتن میشود. کلر موجود در ضد یخ با میلگرد واکنش نشان میدهد و سبب خوردگی و کاهش مقاومت بتن میشود.
خواص نانولوله های کربنی:
خواص الکتریکی: خواص منحصر به فرد الکتریکی نانولوله های کربنی به میزان زیادی از شخصیت D- 1آنها و ساختار الکترونیکی عجیب گرافیت حاصل می شود. آنها مقاومت الکتریکی بسیار کم دارند. مقاومت زمانی اتفاق می افتد که یک الکترون با نقصی در ساختار بلوری ماده ای که از طریق آن عبور می کند، برخورد می کند. این نقص می تواند یک اتم ناخالص، یک نقص در ساختار بلوری یا یک اتم است که در مورد موقعیت آن در کریستال ارتعاش ایجاد می کند. چنین تصادفی الکترون را از مسیرش منع می کند، اما الکترونها در داخل یک نانولوله کربنی به دلیل قطر بسیار کوچک و نسبت عظیم نسبت طول به قطر که ممکن است در میلیون ها یا حتی بالاتر باشد، پراکنده نمی شوند.
ویژگی های مکانیکی:
انتظار میرود نانولوله های کربنی با توجه به سفتی و استحکام محوری به عنوان یک نتیجه از اتصال کربن-کربن sp2.
کاربرد عملی نانولوله ها نیازمند بررسی واکنش کششی، رفتار ناپذیر و خم شدن، مقاومت و شکستگی است. نانولوله ها سخت ترین فیبر شناخته شده با یک مدول یانگ اندازه 1.4 TPAوکشیدگی تا شکست 20-30٪ است که به شدت مقاومت کششی بیش از )100 GPAحتمالا بالاتر) است که تا حد زیادی بیشترین شناخته شده است. برای مقایسه، مدول یانگ از فولاد با مقاومت بالا حدود200 GPA است و استحکام کششی آن 1-2 GPAاست.
خواص حرارتی:
در حال حاضر CNT دارای هدایت حرارتی حداقل دو برابر الماس است. CNT دارای ویژگی منحصر به فرد احساس لمس سرد، مانند فلز است، در طرفی با لوله هایی که در معرض قرار دارند، اما از طرف دیگر چوب مشابه آن است. گرمای ویژه و هدایت حرارتی سیستم های نانولوله کربنی عمدتا توسط فونون ها تعیین می شود. اندازه گیری قدرت ترموالکتریک (TEP) سیستم های نانولوله ها اطلاعات مستقیم را برای نوع نانولوله ها و مکانیزم های رسانایی ارائه می دهد.
سمی بودن:
سمیت نانولوله های کربنی یک مسئله مهم در فناوری نانو بوده است. داده ها هنوز قطعی و قابل انتقاد هستند.نتایج اولیه نشان دهنده مشکلات در ارزیابی سمیت این ماده ناهمگون است. پارامترهای مانند ساختار، توزیعاندازه ، سطح، شیمی در سطح، شارژ سطحی و حالت آگلومرتری و همچنین خلوص نمونه ها تاثیر قابل توجهی بر روی واکنش پذیری نانولوله های کربن دارند. با این حال، داده های موجود به وضوح نشان می دهد که در برخی شرایط نانولوله ها می توانند از موانع غشایی عبور کنند، که نشان می دهد که اگر مواد اولیه به اندام ها رسیدن، آنها می توانند اثرات مضر مانند واکنش های التهابی و فیبروتیک را ایجاد کنند. تحت شرایط خاص CNT ها می توانند سلول های انسانی را وارد کنند و در سیتوپلاسم انباشته شوند ، می توانند باعث مرگ سلول شوند. نتایج مطالعات جوندگان به طور خلاصه نشان می دهد که صرف نظر از فرآیند تولید CNT ها و نوع و مقدار فلزات آنها، CNT ها قادر به تولید التهاب، گرانولومای اپیتلیوئید (گره های میکروسکوپی)، فیبروز و تغییرات بیوشیمیایی / سمیت در ریه ها. مطالعات سمیت تطبیقی که در آن موش ها وزن مقادیر آزمون های مواد داده شده نشان دادند که SWCNT ها از کوارتز سمی تر است، که در هنگام استنشاق به صورت مزمن خطرناک است. شکل فیبر سوزنی CNT به شبیه است الیاف آزبست. این ایده را مطرح می کند که استفاده گسترده از نانولوله های کربنی ممکن است به مزوتلیوما پلور ، سرطان رحم ریه ها و مزوتلیوم مزوترلیونیک، سرطان تخریب شکم منجر شود.
استحکام:
نانولوله های
کربنی قوی ترین و سخت ترین مواد هستند که هنوز به لحاظ استحکام کششی و مدول الاستیک کشف شده اند. در سال 2000، یک نانولوله کربنی با چند هسته ای برای
اثبات کششی 63 گیگاپاسکال(GPa) مورد آزمایش قرار گرفت.
خواص جنبشی:
نانولوله های چند دیواری چند نانولوله مرکب هستند دقیقا در داخل یکدیگر قرار دارند. اینها یک خاصیت تلسکوپی قابل توجهی دارند که در آن هسته داخلی نانولوله می تواند تقریبا بدون اصطکاک در داخل پوسته بی نهایت بیرونی قرار بگیرد، بنابراین یک قطر خطی یا چرخشی کاملا اتمی به وجود می آید. این یکی از اولین نمونه های واقعی از فناوری های مولکولی، موقعیت دقیق اتم ها برای ایجاد ماشین های مفید است. در حال حاضر، این ویژگی برای ایجاد کوچکترین موتور چرخشی در جهان استفاده شده است . برنامه های آینده مانند یک نوسان ساز مکانیکی گیگاهرتز نیز پیش بینی شده اند.
بازدیدها: 0