کاربرد نانو تکنولوژی در صنعت سیمان

[وحید 0319]

کاربرد نانو تکنولوژی در صنعت سیمان نانوسم (nanocem) یك تحقیق جدید شبكه اروپاست كه بر روی مراحل توسعه اصول فنی نانو (مقیاس یك بیلیونی) در مواد سیمانی متمركز شده است.

بستهای سیمان پورتلند ، اجزا اولیه فعال بتن هستند كه در بیشتر ساختمانهای مدرن استفاده می شوند . دیگر تشكیل دهنده های بتن ، آب و مصالح دانه ای ریز و درشت (مانند شن و سنگ) هستند.

بستها از جوش سیمان پورتلند با زمینه كمی از سولفات كلسیم ساخته شده اند و به طور متداول شامل پودرهای ریز معدنی مثل سنگ آهك ، پوزولان (معمولا خاكسترهای آتش فشانی) ، خاكستر بادی (معمولا از زغال سوخته گیاهان پر قدرت) و سرباره دانه ای كوره بلند ، هستند.

چنین گردهمایی به عنوان مواد سیمانی تكمیلی تلقی می شوند زیرا آنها برای جایگزین شدن به جای بیشتر چسب سیمانهای گران استفاده می شوند. مواد افزودنی شیمیایی مانند افزودنی ها كاهنده آب ، فوق روان كننده ها (خمیر كننده ها) ، كندگیر كننده ها ، تند گیر كننده های بتن و عوامل هوازا می توانند به بتن در مقدار كم اضافه شوند تا خصلتهای بتن را برای موارد استفاده خاص تغییر دهند.

توضیح درباره نانو :
گر چه سیمان پرتلند در مقدار وسیع در مواد دست ساز بشر بر روی زمین استفاده می شود اما فهم مكانیزم اصلی ، حاوی خصوصیاتش به طور طبیعی باقی مانده است . مراحلی كه در طول 1لحظات نخستین واكنش با آب اتفاق می افتد ، می تواند ساختارهای بزرگ و ریز را تحت تاثیر قرار دهد و اجرای طولانی مدت یك ساختار را در پی داشته باشد.

بیشتر واكنشهای شیمیایی كه عملكرد مواد سیمانی را كنترل می كند در مقیاس نانو سنج (یك بیلیون) اتفاق می افتد ولی اكثر تحقیقات ، عملیات مهندسی گرفته اند و بر روی مرحله درشت (قابل دید) متمركز شده اند. فقدان فهم جزییات مولكولی از رشد چشم گیر تقریبا جلوگیری كرده و موج ناتوانی در پیش بینی وضع آینده شده است. نیاز برای آزمایش مكرر خصوصیات در تناسب درشت دانه ای مانع نوآوری و استخراج در scm هایی كه به طور گسترده ای در دسترس قرار دارند ، شده است كه به طور كلی در جا دادن انرژی اندك (جدول سمت راست را ببینید) و غیر سمی می باشند.

در حال حاضر ، در هر ساختمانی كه در آن از مواد سیمانی جدید با عملكرد بالا استفاده می شود ، نیاز به تست زمان (طولانی كردن) دارد. با كسب دانش بنیادین ، این مواد می توانستند به جای آزمایش و خطا با طراحی و پایه گذاری بر روی مدلهای معتبر ، ساخته شوند.

هدایت در مسیر صحیح :
در طول این فعالیت بر روی این مطلب یعنی نانوسم ، 21 انجمن علمی به همراه 12 شریك صنعتی كه 5 شركت بزرگ تولید كننده سیمان را در بردارد بنا نهاده شد و در 11 كشور اروپایی گسترش یافت و در طول یك چهارم قرن گذشته انقلابی در تكــــنیكهای تجربی برای رسیدگی به مواردی مثل تشـــدید طیف بینی مغناطیســــی هستـــــه ای (nmr) و نیروهــای میكروسكوپی بوجود آورده اند و به شركای نانوسم امكان دسترسی به ابزارهای پیشرفته را داده است. شركتهای صنعتی خط شروع مالی برای شبكه ارتباطی فراهم كرده اند و راهنمایی با احترام به پیش بینی علایق بازار فراهم نموده اند. اعضای انجمن علمی مجبور هستند كه حداقل یكی از پروژه های تحقیقاتی مستقل مالی را با شبكه ارتباطی تسهیم كنند و باید تحقیقاتشان را به روش تعاونی و مكمل توسعه دهند .

كارگاههای اصلی برگزار می شوند تا قسمتهای مهم خالی علمی را پیدا كنند و با ارتباط دادن پروژه های تحقیقاتی ، سعی در پر كردنشان نمایند.

این كمیته هدایت كننده شامل 5 نماینده از شركای صنعتی و 5 نفر از انجمن علمی است . جلسات تجاری دو بار در سال برگزار می شود . برنامه تحقیقاتی شبكه ارتباطی ، چهار پروژه اصلی و پروژه شریكی در دست اجرا داد كه شامل موارد زیر است :

مجموعه هیدرات كه خود متشكل از كربن ، سولفور هیدروژن (c-s-h) می باشد. در حال حاضر مشخص كردن كمی تركیب وجهه هیدراتی ممكن نیست در حال حاضر مشخص كردن كمی تركیبی هیدراتی كه از هیدرات یك سیستم سیمانی منتج شده است ، ممكن نیست ، مخصوصا زمانی كه (scm) هایی مثل خاكستر بادی یا سرباره شامل آنها می شود. هدف این پروژه ها تعیین مواد تشكیل دهنده و استحكام تركیب وجهی هیدرات است كه انتظار مـی رود ، در دمای بالاتر از 50 درجه سانتی گراد اتفاق بیفتد. این تحقیق شامل پروژه های دكترای تخصصی است كه به طور پیوسته توسط دانشگاه های ابردین aberdeen بریتانیا ، امپا empa در سوئیس و espcl در فرانسه هدایت می شود. ساختار منفذ توسط nmr : این پروژه امیدوار است تا تنظیم جامعی بر روی هنرهای غیر مخرب ، ابزارهای تكنیكی غیر تهاجمی داشته باشد و آنها را قادر می سازد ، ساختار منفذ هیدرات سیمانها را در حدی كه در آن منافذ با آب پر می شوند و قابلیت جابجایی آب در مواد اشباع كننده را تحلیل كنند. نتیجه كار اجازه خواهد داد كه دوام و عملكرد بتن به طور بهتری پیش بینی شود . دو گروه از گروههای هدایت كننده در منطقه چرخش پروتنی را دانشگاههای سوری surrey در بریتانیا و پلی تكنیك فرانسه را شامل می شود.

فعل و انفعالات تركیبات آلب آلومینیم با اكسید فلز : این امر یكی از مشكلترین مباحث مربوط به اثر سیمان و فوق روان كننده (خمیر كننده) در بتن است. برای مثال شتاب فوق خمیریازی بر روی فرمهای غیر فعال ( كه صورت تركیب آلی آلومینیم با اكسید فلز نامیده می شود) در طول مراحل اولیه تركیب سازی بتن می باشد.

این پدیده شناخته شده ، منتهی به مصرف مقدار زیاد فوق خمیرسانی در بسیاری از بتن ها و بوجود آمدن مشكلات كاربردی جدی ، زمانی كه مواد خام یا شرایط تركیب تغییر كرده اند ، می شود. این تحقیق توسط سیكا در سوئیس و espc هدایت می شود.
واكنش پذیری سیستم سیمانی :
در پروژه دكتــــری تــوسط epfl در سوئیس و dtu در دانمارك و دانشگاه آرهوس aarhus دانمارك و دانشگاه لیدز leeds در بریتانیا در دست تحقیق است كه بر روی توسعه یك روش برای تشخـــــــیص درجه عكس العمل قسمت جوش سیمانی و به طور مستقل scm ها در سیمانهای چسبیده است.

شریك شدن :
پروژه های شركتی در محدوده شبكه ارتباطی ماننده تحقیقات در دست اجرای دانشگاههای bourgogne فرانسه درباره اثر آهن بر روی پیوستگی و ساختار c-s-h در مقیاس نانو از بنیاد تا كاربرد است . برای مثال در موسسه تكنولوژی دنیش danish ، مطالعه ای بر روی مكانیزم زیباشناختی ظاهری بتن بر روی ساختار سرتاسری صورت پذیرفته است.

تحقیق و تعلیم :
علاوه بر هسته تحقیقات نانوسم كه بوسیله شركای صنعتی در حدود 500 هزار یورو در هر سال از لحاظ مالی تامین می شود ، مركز مالی eu ، 2/3 میلیون یورو برای چهار سال تحقیق و تعلیم پروژه (rtn) شبكه ارتباطی تحت برنامه ماری كوری ، برنده شده است.

این پروژه فهم اساسی مواد سیمانی برای بهبود عملكرد زیباشناختی فیزیكی و شیمیایی نام نهاده شده و بین 10 پروژه دكتری و 5 پروژه فوق دكتری تقسیم شده است كه هر كدام بین دو یا چند شریك قسمت می شود. محققان زمانی برای هر منطقه شراكتی در طول پروژه صرف می كنند .

موضوعات به چهار گروه تقسیم می شود : كاستن قالب سیمان : این موضوع بع طور اولیه فروسایی سیمان با تاكیر بر حملات سولفات رامی پذیرد . نیروی سایش نیز در این موضوع مد نظر گرفته می شود . این كار ساخت مدل كلی عملكرد سیمان را تامین می كند.

بررسی فیزیكی و مكانیكی عملكرد :
این مقیاسهای طولانی ، بررسیهای ارتباطی نانو ، ماكرو و ساختــــاری بزرگ برای توسعه ابزارهای در جهت ارزش گذاری عملكرد مهندسی را احاطه می كند. این تحقیق به توسعه اصول تكنیكی و مدلها برای استفاده توسط مهندسین را متحمل می شود.

مواد سیمانی جدید :
در این گروه از پروژه ها ، مقدار عمده مواد علمی و مهندسی بكار گرفته می شوند تا عملكرد مواد سیمانی بر سطح و حجم را بهبود بخشند. این كاریك رشته نوآوریهای لازم برای بهبود عملكردی و زیباشناختی در طول افزودن محلی را می پذیرد.

پروژه های متقاطع :
این پروژه ها ورودیهای مهم برای موضوعی كه در بالا اشاره شده است را تامین می كند . آنها scmهایی را كه به طور افزایشی استفاده می شوند ، در تركیب با جوش سیمان پورتلند ، در علایق قابل تحمل پوشش داده اند.

دستاوردهای جاه طلبانه :
شبكه ارتباطی نانو ، خود یك منبع ساختمانی جدید ذهنی جاه طلبانه تنظیم كرده كه در دستاورد موثری بر تحقیقات اروپایی بر روی مواد سیمانی می باشد.
به طور كلی انجمنهای علمی كوچك و اغلب مجزا ، طرحهایی برای انجمنهای سرمایه گــذاری بین المللی می سازند و در رقابت با دیگر گروههای مواد علمی و دیسیپلین های مهندسین عمران ارزش گذاری می شوند. اغلب مسائلی ناشناخته قابل توجهی درباره این كار در دیگر كــشورها اتفاق می افتد و چنین كارهایی هیچ گاه منتشر نمی شوند. این امر منتهی به دو برابر شدن تلاشهای تحقیقاتی و مطالعه زیاد پارامتری شده است. جایی كه نتایج فقط برای تركیب خاصی از مطالعه مواد خام در دسترس هستند.

نانوسم تلاش بیشتری را برای روشن كردن پروژه ها و جمع آوری تجربیات همه شركا انجـــــام میدهد.