نانوذرات در بتن: از نانوسیلیکا تا گرافن

صنعت بتن به‌عنوان پرمصرف‌ترین مصالح ساختمانی جهان، در دهه‌های اخیر با چالش‌های بزرگی همچون کاهش دوام سازه‌ها، افزایش هزینه‌های تعمیر و نگهداری و فشارهای زیست‌محیطی ناشی از مصرف بالای سیمان مواجه بوده است. برای پاسخ به این چالش‌ها، استفاده از فناوری نانو در ترکیب با سیمان و بتن به‌عنوان یک راهکار نوین مورد توجه محققان و تولیدکنندگان مواد افزودنی قرار گرفته است. در میان نانوذرات مختلف، نانو‌سیلیکا (Nano-Silica, NS) و گرافن‌اکساید (Graphene Oxide, GO) به دلیل خواص ویژه خود توانسته‌اند تحولی اساسی در بهبود خواص مکانیکی، رئولوژیکی و دوام بتن ایجاد کنند.
    
 

نقش نانوذرات در سیستم‌های سیمانی

نانوذرات با داشتن سطح ویژه بسیار بالا، در واکنش‌های هیدراتاسیون سیمان نقش فعال ایفا می‌کنند. آن‌ها به‌عنوان مراکز هسته‌زایی عمل کرده و تشکیل ژل‌های C–S–H را تسریع می‌کنند. نتیجه این فرایند، کاهش تخلخل، افزایش تراکم ماتریس و بهبود مقاومت‌های مکانیکی و دوام بتن است. به زبان ساده، حضور نانوذرات باعث می‌شود بتن چگال‌تر، مقاوم‌تر و بادوام‌تر شود.

نانو‌سیلیکا (Nano-Silica)

نانو‌سیلیکا به‌عنوان پرکاربردترین نانوذره در صنعت سیمان و بتن شناخته می‌شود. این ماده با واکنش سریع پوزولانی، کلسیم هیدروکسید حاصل از هیدراتاسیون سیمان را به ژل C–S–H تبدیل می‌کند. نتیجه آن افزایش مقاومت فشاری و خمشی، کاهش نفوذپذیری و افزایش دوام در برابر حملات شیمیایی است.
بر اساس مطالعات، دوز بهینه نانو‌سیلیکا حدود ۲ تا ۳ درصد وزنی سیمان است. این مقدار باعث بهبود چشمگیر خواص بتن می‌شود، در حالی که مصرف بیش از حد می‌تواند موجب افزایش ویسکوزیته و کاهش کارایی بتن تازه گردد. نکته مهم دیگر، نیاز به پراکندگی یکنواخت این ذرات است؛ چراکه تجمع (agglomeration) نانوذرات می‌تواند به نقاط ضعف ساختاری منجر شود. استفاده از فوق‌روان‌کننده‌های پلی‌کربوکسیلاتی در این زمینه بسیار مؤثر است.

گرافن‌اکساید (Graphene Oxide)

گرافن‌اکساید یکی از پیشرفته‌ترین نانوذرات کربنی است که طی سال‌های اخیر وارد صنعت بتن شده است. تحقیقات نشان داده‌اند که افزودن مقادیر بسیار کم GO (در حدود ۰٫۰۳ تا ۰٫۰۵ درصد وزنی سیمان) می‌تواند مقاومت فشاری بتن را تا حدود ۱۴ تا ۱۵ درصد و مدول الاستیسیته را تا ۲۷ درصد افزایش دهد.
این نانوذره موجب تراکم ساختار می‌شود، اندازه و میزان تخلخل را کاهش می‌دهد و در نتیجه نفوذ یون‌های مخرب مانند کلراید و سولفات را محدود می‌سازد. به همین دلیل، بتن حاوی GO در برابر سیکل‌های یخ‌زدگی و ذوب، کربناسیون و محیط‌های مهاجم شیمیایی دوام بالاتری از خود نشان می‌دهد.
با این حال، چالش اصلی استفاده از گرافن‌اکساید، تمایل شدید به تجمع ذرات است. بدون پراکندگی مناسب، خواص بتن به‌جای بهبود، تضعیف خواهد شد. در اینجا نیز نقش فوق‌روان‌کننده‌ها و ذرات سیلیکا دودی در دستیابی به پراکندگی مناسب بسیار کلیدی است.

هم‌افزایی نانو‌سیلیکا و گرافن‌اکساید

یکی از حوزه‌های نوآورانه در پژوهش‌های اخیر، استفاده هم‌زمان از نانو‌سیلیکا و گرافن‌اکساید است. مطالعات نشان داده‌اند که این ترکیب می‌تواند اثرات مثبتی را به‌صورت هم‌افزایی ایجاد کند. برای مثال، نتایج تحقیق Long و همکاران (2022) در نشریه Materials بیانگر آن است که ترکیب این دو ماده موجب افزایش مقاومت فشاری بتن تا ۲۷ درصد تنها پس از یک روز هیدراتاسیون شده است. علت این بهبود چشمگیر، ترکیب اثرات هسته‌زایی سریع NS و تراکم ساختاری ناشی از GO است که در کنار یکدیگر ساختاری بسیار مستحکم‌تر و بادوام‌تر ایجاد می‌کنند.

محدودیت‌ها و چالش‌های صنعتی

اگرچه نتایج آزمایشگاهی نانو‌سیلیکا و گرافن‌اکساید بسیار امیدوارکننده هستند، اما استفاده صنعتی از آن‌ها با چالش‌هایی همراه است:
•    هزینه بالا به‌ویژه در مورد GO.
•    پراکندگی دشوار که نیاز به تجهیزات و افزودنی‌های خاص دارد.
•    لزوم بهینه‌سازی دوز مصرفی؛ چراکه استفاده بیش از حد یا کمتر از حد مطلوب می‌تواند خواص بتن را تضعیف کند.
•    کنترل کیفیت که مستلزم تجهیزات آزمایشگاهی پیشرفته است.

کاربردهای عملی

با وجود چالش‌ها، کاربرد نانوذرات در پروژه‌های خاص بسیار ارزشمند است، از جمله:
•    سازه‌های دریایی و ساحلی به دلیل مقاومت در برابر یون‌های کلراید و سولفات.
•    پل‌ها، سدها و تونل‌ها که نیازمند دوام بالا در شرایط محیطی سخت هستند.
•    بتن‌های پرمقاومت (HPC) و خودتراکم (SCC) که به کارایی بالا و تراکم زیاد نیاز دارند.
•    ملات‌های ترمیمی و تعمیرات سازه‌ای که به چسبندگی و مقاومت بیشتر نیاز دارند.

نتیجه‌گیری

ورود نانو‌سیلیکا و گرافن‌اکساید به عرصه بتن، چشم‌اندازی نوین برای تولید بتن‌های پرمقاومت و بادوام فراهم کرده است. این نانوذرات توانسته‌اند بسیاری از ضعف‌های سنتی بتن را پوشش دهند و مسیر را برای توسعه بتن‌های پایدار و سازگار با محیط‌زیست هموار سازند.
برای تولیدکنندگان افزودنی‌های بتن، سرمایه‌گذاری در حوزه نانو‌مواد می‌تواند یک مزیت رقابتی استراتژیک ایجاد کند. آینده صنعت ساخت‌وساز به سمت استفاده از مواد نوآورانه و هوشمند حرکت می‌کند و نانوذرات بی‌شک نقش مهمی در این مسیر خواهند داشت.

منابع 

•    Cement and Concrete Research (Elsevier)
•    Construction and Building Materials (Springer)
•    Long et al. (2022). Synergistic effect of Graphene Oxide and Nano-Silica in cement composites, Materials.

برای دریافت مشاوره و اطلاعات بیشتر، همین حالا با ما تماس بگیرید.

محصولات ما - تماس با ما