مطالعه و بررسی تأثیر نانوذرات سیلیکات پلیمری بر مقاومت و دوام بتن

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد مهندسی عمران دانشگاه علوم تحقیقات فارس

2 مشاور معاون عمرانی و مسئول حراست حوزه معاونت فنی و عمرانی شهرداری

3 دانشجوی دکتری عمران دانشگاه بوعلی سینا

4 کارشناس ارشد معاونت فنی و عمرانی شهرداری شیراز

چکیده

 دستیابی به خواص ایدئال بتن و تحقق‌‌بخشیدن به ارتقاء پارامترهای فیزیکی و مکانیکی آن، سبب شده است تا امروزه پوزولان‌ها جایگاه ثابتی در میان اجزاء تشکیل‌دهنده‌ی بتن پیدا کنند. یکی از مواد پوزولانی بسیار جدید که به مدد پیشرفت‌های اخیر در عرصه‌ی فناوری نانو حاصل شده است، نانوسیلیس می‌باشد. ترک‌های بتن اجراشده به دلایل مختلفی ایجاد می‌شود. تغییرات حجمی بتن و به‌ویژه خمیر سیمان و عوامل محیطی و اجرایی و دوره‌های ذوب و یخ، از عوامل اصلی ایجاد ترک در بتن است. بدین ترتیب همواره ترک در بتن از عوامل کنترل‌ناپذیر بوده است و از لحاظ مقاومت و دوام در بتن تأثیرگذار می‌باشد. محققین همواره به دنبال راه‌حلی برای رفع این مشکل بوده‌اند. نانوسیلیس به علت داشتن سطح ویژه‌ی بسیار زیاد، چسبندگی بسیار قوی با سیمان هیدراته تشکیل می‌دهد و از رشد بیشتر بلورهای هیدروکسید کلسیم جلوگیری می‌کند و ترک‌های ریز و منافذ مویین را پر کرده، درنهایت سبب متراکم ساختن سیمان، افزایش مقاومت و دوام و افزایش عمر مفید بتن می‌شود. یکی از مشکلات نانوسیلیس‌ها، عملکرد نامناسب در هنگام وقوع ترک در بتن است. از سوی دیگر، شیوه‌های بهره‌گیری از نانوکپسول‌ها برای ترمیم هدفمند در علوم جدید در حال پیشرفت است. ازاین‌رو در این پژوهش ابتدا به روند سنتز نانوماده‌ای چندمنظوره (نانوکپسول‌های پلیمری با روکش سیلیکاتی) پرداخته شد. برای بررسی تأثیرات نانوکپسول ساخته‌شده بر خواص بتن و بررسی خود‌ترمیمی هوشمندانه در هنگام وقوع ترک، طرح‌هایی با جایگزین‌کردن 10‌درصد نانوکپسول با مواد سیمانی و همچنین بدون آن ساخته شده است. در این راستا ابتدا نمونه‌ها در 150 دوره‌ی ذوب و یخ قرار داده شد؛ سپس پارامترهای دوامی و مقاومتی با آزمایش‌های سرعت پالس فراصوت و مقاومت فشاری مورد ارزیابی قرار گرفت. برای ارزیابی ریزساختاری عملکرد نانوکپسول‌ها، تصاویر میکروسکوپ الکترونی پویشی (SEM) از نانوکپسول‌ها و نمونه‌ی بتنی تهیه شده است. از مهم‌ترین نتایج پژوهش حاضر، افزایش 70درصدی مقاومت فشاری در آزمونه‌های غنی‌شده با نانوکپسول می‌باشد. بر‌اساس نتایج پژوهش حاضر، دوره‌های ذوب و یخ، میزان مقاومت فشاری آزمونه‌ی مرجع را بیش از 20درصد کاهش می‌دهد؛ درحالی‌که در آزمونه‌های غنی‌شده با نانوکپسول، عملکرد هسته‌ی نانوکپسول تولیدی مقادیر افت مقاومتی را به حدود 5/2درصد تا 5درصد کاهش می‌دهد.

کلیدواژه‌ها


 
Aiu, M. (2006). “the Chemistry and Physics of Nano-Cement”. a technical report from University of Delaware.
ASTM C 666/C 666M – 03. Standard Test Method for Resistance of Concrete to Rapid Freezing and Thawing. USA:ASTM,2003.
ASTM C597.(2005) The standard test method for pulse velocity through concrete. USA: ASTM.
Brown, EN, White and SR, Sottos NR. Microcapsule induced toughening in a selfhealing.
Byung-Wan Jo, Kim, Chang-Hyun Tae, Ghi-ho Park, Jong-Bin (2007). “Characteristics of cement mortar with nano-SiO2 particles”, Construction and building materials, vol. 21, p. 1351-1355.
Campillo, I. Guerrero, A. Dolado, J. Porro, A. Ibáñez, J. Goñi, S. (2007). “Improvement of initial mechanical strength by nanoalumina in belite cements”, Materials Letters 61, p. 1889–1892.
Ginebra, P. Driessens, F. Planell, J.A. (2004), “Effect of the particle size on the micro and nanostructural featuresa calcium phosphate cement”, a kinetic analysis, Biomaterials, vol. 25, p. 3453-3462.
Hanehara, S. Ichikawa M. (2001). “Nanotechnology of cement and concrete”, Journal of the Taiheiyo Cement Corporation, vol. 141, p. 47-58.
 
Ji, Tao (2005), “Preliminary study on the water permeability and microstructure of concrete incorporating nano-SiO2”,Cement and Concrete Research, vol. 35, p. 1943 – 1947.
Kan, l.l. Shi, H.S. Sakulic, A.R. and Li V.C., (2010) "Self-Healing Characterization of Engineered Cementitious Composite Materials", ACI Materials Journal, V. 107, No. 6, November-December.
Ke, Y.C. Stroeve, P. (2005), “Polymer-Layered Silicate and Silica Nanocomposites”. Amsterdam, Elsevier B.V, pp. 52-55, 330-341.
Kuo, Wen-Yih Huang, Jong-Shin Lin Chi-Hsien (2006). “Effects of organo-modified montmorillonite on strengths and permeability of cement mortars”. Cement and Concrete Research, vol. 36, p. 886-895.
Li Hui, Xiao, Hui-gang Ou, Jin-ping (2004). “A study on the mechanical and pressuresensitive properties of cement mortar with nanophase materials”, Cement and Concrete Research, vol. 34, p. 435-4.
Li, Hui Xiao, Hui-gang Yuan, Jie Ou, Jinping (2004). “Microstructure of cement mortar with nanoparticles”, Composites Part B, Engineering, Vol. 35, Issue 2, P. 185-189.
Lines, M. G. (2008). “Nanomaterials for practical functional uses”, Journal of Alloys and Compounds 449, pp: 242–245.
Mallhotra V. "Testing Hardened Concrete: Nondestructive Methods", Detroit. MI: ACI Monograph No.9; 1976.
Monteiro, M. Kirchheim, P. Chae, S. Fischer, P. MacDowell, A. Schaible, E. Wenk, R (2009), “Characterizing the nano and micro structure of concrete to improve its durability”. Cement and Concrete Composites, Vol. 31, Issue 8, P. 577-584.
Nazari, A. Riahi, S. Riahi, S. Shamekhi Seyedeh Fatemeh and Khademno, A. (2010), “Mechanical properties of cement mortar with Al2O3 nanoparticles”, Journal of American Science, vol. 6(4), p. 94-97.
Ouhadi, V.R., Amiri, M. and Goodarzi. A.R.  (2012),. "The Special Potential of Nano-Clays for Heavy Metal Contaminant Retention in Geo-Environmental Projects ". Journal of Civil and Surveying Engineering, Vol: 45, Issue: 6, pp. 631-642.
Ouhadi, V.R., and Amiri, M. (2011). "Geo-environmental Behaviour of Nanoclays in Interaction with Heavy Metals Contaminant", Amirkabir J, Civil, 42, 3, pp 29-36.
polymer composite. J Mater Sc,39(5), 1703–10.
Qing, Ye Zenan, Zhang Deyu, Kong Rongshen, Chen (2007). “Influence of nano-SiO2 addition on properties of hardened cement paste as compared with silica fume”, Construction and Building Materials, vol. 21, p. 539–545.
Senff, L. Labrincha, A. Ferreira, M. Hotza, D. Repette, L.  (2009). “Effect of nano-silica on rheology and fresh properties of cement pastes and mortars”, Construction and Building Materials, Vol. 23, Issue 7, P. 2487-2491.
Whitehurst,  EA,(1951) Soniscope test concrete structures. Journal of the American Concrete Institute. 47, 443-444, 1951.
Yang Y.Z., Lepech M., Yang E.H., and Li V.C.(2009), "Autogenous Healing of Engineered Cementitious Composites under Wet-Dry Cycles", Cement and Concrete Research, V. 39, 2009, pp. 382-390