دنیای شگفت‌انگیز نانومواد و تاثیر آن‌ها بر مصالح ساختمانی

نانولوله‌های کربنی (CNTs)

نانولوله‌های کربنی، ساختارهایی استوانه‌ای شکل از اتم‌های کربن با قطر نانومتری و طول میکرومتری، به دلیل پیوندهای قوی کربن-کربن، از استحکام کششی و مدول الاستیسیته‌ای چندین برابر فولاد برخوردارند و رسانایی الکتریکی و حرارتی آن‌ها از مس نیز بالاتر است. این خواص منحصربه‌فرد، آن‌ها را به تقویت‌کننده‌های ایده‌آل برای انواع مصالح ساختمانی تبدیل کرده است.

کاربرد در بتن: افزودن نانولوله‌های کربنی به بتن، حتی در مقادیر بسیار کم (کمتر از ۱ درصد وزنی سیمان)، می‌تواند مقاومت فشاری و خمشی آن را به طور چشمگیری (تا چند ده درصد) افزایش دهد و از ایجاد ترک‌های ریز و گسترش آن‌ها جلوگیری کند، در نتیجه دوام و طول عمر سازه‌های بتنی را به مراتب بهبود می‌بخشد. به عنوان مثال، تحقیقات نشان داده است که استفاده از CNTs می‌تواند مقاومت بتن در برابر ضربه و خستگی را نیز افزایش دهد.

کاربرد در پلیمرها و کامپوزیت‌ها: نانولوله‌های کربنی می‌توانند خواص مکانیکی و الکتریکی پلیمرها و کامپوزیت‌های مورد استفاده در ساخت در و پنجره‌های سبک‌وزن، پوشش‌های مقاوم و اجزای ساختمانی پیش‌ساخته را به طور قابل توجهی بهبود بخشند. رسانایی الکتریکی آن‌ها امکان تولید مصالح با قابلیت‌های الکترونیکی مانند حسگرها و پوشش‌های ضد الکتریسیته ساکن را فراهم می‌کند.

سنسورهای نانویی برای پایش سلامت سازه‌ها: یکی از کاربردهای نوظهور CNTs، استفاده از آن‌ها در ساخت سنسورهای نانویی است که می‌توانند به صورت یکپارچه در داخل سازه‌های بتنی یا فلزی قرار گرفته و به طور مداوم تغییرات تنش، کرنش، دما و حتی خوردگی را اندازه‌گیری و گزارش کنند. این امر امکان تشخیص زودهنگام آسیب‌ها و انجام اقدامات پیشگیرانه را فراهم می‌آورد و ایمنی و طول عمر سازه‌ها را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهد.

نانوذرات سیلیس (SiO2 nanoparticles)

ریزدانه‌هایی با تاثیرات بزرگ در بتن بهبود ساختار میکروسکوپی بتن: نانوذرات سیلیس با سطح ویژه بسیار بالا، به عنوان یک پوزولان فعال عمل کرده و با هیدروکسید کلسیم آزاد شده در فرآیند هیدراتاسیون سیمان واکنش داده و سیلیکات کلسیم هیدراته (C-S-H)، فاز اصلی مسئول استحکام بتن، بیشتری تولید می‌کنند. این امر منجر به پر شدن فضاهای خالی در ساختار میکروسکوپی بتن، افزایش تراکم و کاهش نفوذپذیری آن می‌شود. افزایش مقاومت مکانیکی و دوام: استفاده از نانوذرات سیلیس می‌تواند مقاومت فشاری، خمشی و سایشی بتن را به طور قابل توجهی (تا ۲۰-۳۰ درصد) افزایش دهد. کاهش نفوذپذیری بتن نیز مقاومت آن را در برابر نفوذ یون‌های کلر (عامل اصلی خوردگی آرماتورها در مناطق ساحلی)، سولفات‌ها و سایر مواد شیمیایی مخرب افزایش داده و دوام سازه‌های بتنی را در شرایط سخت محیطی تضمین می‌کند. کاربرد در ملات‌ها و چسب‌ها: نانوذرات سیلیس می‌توانند خواص چسبندگی، مقاومت و کارایی ملات‌ها و چسب‌های ساختمانی را نیز بهبود بخشند.

نانوذرات اکسید تیتانیوم (TiO2 nanoparticles)

پاکیزگی و سلامت در نماهای ساختمان خاصیت فتوکاتالیستی و خودتمیزشوندگی: نانوذرات اکسید تیتانیوم (TiO2) در حضور نور فرابنفش (UV) به عنوان یک فتوکاتالیست عمل کرده و با تولید رادیکال‌های آزاد، آلاینده‌های آلی، گرد و غبار، چربی‌ها و میکروارگانیسم‌های موجود بر روی سطح را تجزیه می‌کنند. این خاصیت، امکان ایجاد پوشش‌های خودتمیزشونده برای نماهای ساختمان‌ها، شیشه‌ها و سطوح خارجی را فراهم می‌آورد که نه تنها نیاز به شستشو و نگهداری را کاهش می‌دهد، بلکه ظاهر ساختمان را نیز برای مدت طولانی‌تری تمیز و جذاب نگه می‌دارد. تصفیه هوا: فعالیت فتوکاتالیستی TiO2 همچنین می‌تواند به تجزیه اکسیدهای نیتروژن (NOx)، ترکیبات آلی فرار (VOCs) و سایر آلاینده‌های موجود در هوا کمک کرده و به بهبود کیفیت هوای محیط شهری، به ویژه در مناطق پرتردد، کمک کند. خواص ضد میکروبی: نانوذرات TiO2 همچنین دارای خواص ضد میکروبی هستند و می‌توانند در ساخت پوشش‌های بهداشتی برای بیمارستان‌ها، مدارس و سایر محیط‌های حساس به آلودگی به کار روند.

نانوذرات اکسید روی (ZnO nanoparticles)

 محافظت چندگانه برای مصالح محافظت در برابر اشعه ماوراء بنفش (UV): نانوذرات اکسید روی (ZnO) توانایی بالایی در جذب اشعه UV دارند و می‌توانند به عنوان افزودنی در رنگ‌ها، پوشش‌ها و مصالح پلیمری برای محافظت از آن‌ها در برابر تخریب ناشی از نور خورشید و افزایش طول عمرشان مورد استفاده قرار گیرند. خواص ضد میکروبی و ضد قارچی: ZnO همچنین دارای خواص ضد میکروبی و ضد قارچی است و می‌تواند در ساخت مصالحی که نیاز به مقاومت در برابر رشد میکروارگانیسم‌ها دارند، مانند رنگ‌های ضد کپک و مصالح مورد استفاده در محیط‌های مرطوب، به کار رود.

نانوکلی (Nanoclay): استحکام و مقاومت در برابر حرارت افزایش استحکام مکانیکی

 نانوکلی‌ها، که از لایه‌های سیلیکاتی با ضخامت نانومتری تشکیل شده‌اند، هنگامی که به پلیمرها و کامپوزیت‌ها اضافه می‌شوند، می‌توانند با ایجاد ساختاری نانومقیاس، استحکام کششی، مدول الاستیسیته و مقاومت در برابر ضربه آن‌ها را به طور قابل توجهی افزایش دهند. بهبود مقاومت حرارتی و ضد حریق: نانوکلی‌ها می‌توانند با ایجاد یک لایه محافظ در سطح ماده در هنگام قرار گرفتن در معرض حرارت، سرعت انتشار آتش و دود را کاهش داده و مقاومت حرارتی مصالح را بهبود بخشند. این خاصیت، آن‌ها را به افزودنی‌های ارزشمند در ساخت مصالح مقاوم در برابر آتش تبدیل کرده است.