مروری بر استفاده از فناوری نانو در ساخت‌وساز
طبق تعریف، فناوری نانو شامل استفاده از موادی است که اندازه آنها به طور معمول ۱۰۰ نانومتر (nm) یا کم‌تر است. اگرچه برخی از مهم‌ترین کاربردهای فناوری نانو در زمینه‌های الکترونیک، کسب انرژی و پزشکی است، اما این فناوری هیجان‌انگیز به طور گسترده در صنعت ساخت‌وساز نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. به طور خاص، فناوری نانو می‌تواند تقریبا در تمام اجزاء صنعت ساخت‌وساز استفاده شود، که برخی از آنها شامل طراحی و توسعه بتن با عملکرد بالا (HPC)، بتن‌های عامل‌دار شده و مصالح پوشش‌دهنده است.
نانوذرات به عنوان مواد افزودنی سیمان
برخی از رایج‌ترین انواع فناوری نانو که به عنوان مواد افزودنی سیمان مورد استفاده قرار گرفته‌اند عبارتند از؛ نانو سیلیکا (NS)، نانوذرات کلسیم کربنات (CaCO3)، نانوذرات تیتانیوم دی‌اکسید (TiO2)، نانوساختارهای کربنی مختلف، پلیمرها و پوشش‌ها.
نانو سیلیکا
از دهه ۱۹۶۰، پژوهشگران درباره سودمندی گنجاندن سیلیکون دی‌اکسید (که به عبارت دیگر سیلیکا نامیده می‌شوند) در سیمان، تحقیق کرده‌اند. از آن زمان تاکنون، انواع مختلفی از سیلیکا از جمله فوم سیلیکا (SF)، چندشکلی آمورف سیلیکا دی‌اکسید و نانو سیلیکا به عنوان مواد افزودنی به سیمان مورد استفاده قرار گرفته است.
به طور معمول، نانو سیلیکا دارای اندازه متوسط کم‌تر از ۱۲۰ نانومتر است. در مقایسه با فوم سیلیکا، نانو سیلیکا با اثر پوزولانی (pozzolanic effect) بیشتر همراه است و همچنین می‌تواند به عنوان سایت‌های هسته‌زایی (nucleation) عمل کرده و تراکم نواحی بین‌سطحی دانه را افزایش داده و استحکام کلی سیمان را بهبود ببخشد.
با وجود خواص سودمند نانو سیلیکا، این ماده می‌تواند در سیمان تجمع یابد و اثرات مخربی از جمله تشکیل حفره افزایش‌یافته همراه با کاهش نفوذ یون کلراید، طول عمر کم‌تر سیمان و همچنین کاهش استحکام کلی مواد سیمان را ایجاد نماید.
میزان نانو سیلیکا کم نیز می‌تواند منافذ بتنی را پر کند. بنابراین، نانو سیلیکا اغلب به سیمان با درصد بالایی فوق‌روان‌کننده (superplasticizer) افزوده می‌شود که با ورود نانو سیلیکا باعث کاهش تخلخل و جذب آب موئین در سیمان می‌شود.
به طور کلی، حداکثر مقداری حدود 1.25 درصد نانو سیلیکا، نانو آهن اکسید (NF) و یا نانو آلومینا (NA) با مزایایی در سیمان همراه است. غلظت‌های بالاتر این میزان، مخلوط‌های سیمانی/ آب/ فوق‌روان‌کننده را با اثرات مخرب بر مقاومت فشاری و تخلخل سیمان روبه‌رو می‌کند.
نانوذرات کلسیم کربنات
هنگامی که نانوذرات کلسیم کربنات در محدوده اندازه ۵۰ تا ۱۲۰ نانومتر در سیمان پورتلند معمولی (OPC) ترکیب شوند، سرعت هیدراسیون را تسریع می‌کنند. نانوذرات کلسیم کربنات اغلب با مواد پرکننده‌ای مانند خاکستر بادی (fly ash) مخلوط می‌شوند تا سختی را که اغلب مواد پرکننده به سیمان وارد می‌کنند جبران نمایند.
نانوذرات تیتانیوم دی‌اکسید
همانند بسیاری از انواع دیگر نانوذرات، از نانوذرات تیتانیوم دی‌اکسید نیز برای افزایش خواص مکانیکی سیمان استفاده می‌شود. نانوذرات تیتانیوم دی‌اکسید همچنین به کاهش زاویه تماس سطح آب در مواد بتنی کمک می‌کنند.
از آنجا که سطح بتن آب‌گریز است، اعتقاد بر این است که این مواد خواص خودتمیزشوندگی دارند. در نتیجه این آب‌گریزی، آبی که به سطح بتن می‌رسد باقی می‌ماند و اجازه می‌دهد هر ذره گرد و غباری که به سطح جذب شده است با حرکت آب به جای دیگری منتقل شود.
نانوساختارهای کربنی
انواع مختلف نانوساختارهای کربنی، باعث افزایش خواص سیمان می‌شوند. برای مثال، خمیر سیمان با چندین آلوتروپ کربن مختلف، که تأثیرات گسترده‌ای بر خصوصیات ذاتی سیمان می‌گذارند دوپ شده‌اند. به عنوان مثال، ترکیبی حاوی ۳ درصد نانولوله‌های کربنی تک‌جداره یا چند جداره (CNTها)، استحکام OPC را ۵۰ درصد و سختی ویکرز را تا ۶۰۰ درصد افزایش می‌دهند.
علی‌رغم مزایای مرتبط باCNT ها در خمیر سیمان، برای ارزیابی روش مناسب توزیع این نانوساختارها در سیمان فعالیت بیشتری مورد نیاز است.
مواد افزودنی پلیمری
هدف از ترکیب نانوپلیمرها در مواد سیمان، افزایش مدول الاستیک با اتصال به سایت‌های معیوب و زنجیره‌های سیلیکات در سیمان است. برخی از پلیمرهای پیوندی که برای این منظور مورد بررسی قرار گرفته‌اند عبارتند از؛ هگزادسیل تری متیل آمونیم (HDTMA)، پلی‌اتیلن گلیکول (PEG)، پلی‌وینیل الکل (PVA)، پلی-دی‌متیل اکریل‌آمید (PDMA)، اسید پلی‌اکریلیک و متیلن بلو.
پوشش‌ها
تریبوخوردگی (Tribocorrosion)، تخریب مواد حاصل از ترکیبی از فعل و انفعالات مکانیکی، شیمیایی و یا الکتروشیمیایی بین دو سطح است که در حرکت نسبی هستند. اگر ماده‌ای دچار تریبوخوردگی شود، تبدیل برگشت‌ناپذیر و آسیبی که متعاقب آن در مواد ایجاد می‌شود، مانع از توانایی این مواد برای عملکرد صحیح خواهد شد. برای جلوگیری از وقوع تریبوخوردگی در مصالح ساختمانی، چندین نانوذره روانکار مختلف مورد بررسی قرار گرفته‌اند، از جمله پوشش‌های FeCu/WC-Co و WC-Co، آلیاژهای رسوب الکتریکی Ni-Co، Ni-nano SiC، پوشش‌های الکترولس Ni-I-nano SiC و تیتانیوم نانوساختار.
