Značaj nanotehnologije u građevinarstvu

Beton, najčešći materijal na svijetu, nanostrukturisan je, višeslojan, kompozitni materijal koji vremenom raste. Sastoji se od amorfne faze, nanometara do kristala veličine mikrometara i vezane vode. Amorfna faza, kalcij-silikat-hidrat (C-S-H) je “ljepilo” koje drži beton zajedno i sama je nano-materijal.

Beton na nanoskopu je kompozit molekularnih sastava, površina (agregata, vlakana) i hemijskih veza koje djeluju kroz lokalne hemijske reakcije, intermolekularne sile i difuziju. Svojstva koja karakteriziraju ovu skalu su molekularna struktura; površinske funkcionalne skupine; i dužina veze, snage (energije) i gustoće. Struktura amorfnih i kristalnih faza i međufaznih granica potječe iz ove skale. Procesi koji se javljaju na nanoskopu u konačnici utječu na inženjerska svojstva i performanse rasutog materijala.

Utvrđeno je da Nano-Fe2O3 daje beton sa samosvjesnim sposobnostima, kao i da poboljšava svoje čvrstoće na pritisak i savijanje. Pokazano je da Nano-Al2O3 značajno povećava modul elastičnosti (do 143% u dozi od 5%), ali da ima ograničen učinak na čvrstoću zatezanja. Predložene su nanosizirane čestice cementa kao način poboljšanja performansi cementa koje istovremeno smanjuju emisije ugljika. Cementne paste napravljene s nanosiziranim česticama cementa pokazale su brže vrijeme postavljanja i povećanje rane zatezne čvrstoće u porešenju s pastama pripremljenima uobičajenim putem. Koncept nano-veziva uključuje mehaničko-hemijsku aktivaciju koja se dobiva međusobnim brušenjem cementa sa suhim mineralnim aditivima u kugličnom mlinu. Pokazalo se da mehaničko-hemijska modifikacija cementa s visokim volumenom troske visoke peći povećava zateznu čvrstoću do 62%.

Prirodne čestice gline su veličine mikrona i pod-mikrona, a osnovna struktura gline sastoji se od kristalnih slojeva aluminijskih filosilikata debljine po redoslijedu od 1 nm. Nedavno je predloženo hemijsko vezanje PVA (polivinil alkohola) na eksfoliirane glinene čestice za stvaranje povezanih lanaca čestica gline koji su, kada su ugrađeni u cement, pokazali da poboljšavaju svojstva materijala nakon otkazivanja

Korištenje nano pojačanja

Karbon nano-cjevčice / nano-vlakno (CNTs / CNFs) su potencijalni kandidati za upotrebu kao nano pojačanja u cementnim materijalima. CNTs / CNFs pokazuju izvanrednu snagu s modulima elastičnosti po redoslijedu TPa i zatezne čvrstoće u rasponu GPa, a imaju jedinstvena elektronska i hemijska svojstva.

CNTs / CNFs, dakle, čini se da su među najuočljivijim nanomaterijalima za poboljšanje mehaničkih svojstava materijala na bazi cementa i njihovu otpornost na propagaciju pukotina, dok pružaju takva nova svojstva kao što su zaštita elektromagnetskog polja i samoosjetljivost. CNC-ovi s jednim zidom (SWCNT), CNC-ovi s više zidova (MWCNT) i CNF-ovi su visoko strukturisani materijali na bazi grafena s vrlo velikim omjerima (od 1000 ili više) i vrlo visokim površinama. SWCNTs su pojedinačni grafenski cilindri i MWCNTs su višestruki, koncentrični cilindri grafena koaksijalno raspoređeni oko šuplje jezgre. Za razliku od CNT-a, CNF-ovi na površini predstavljaju brojne izložene rubne ravnine koje predstavljaju potencijalna mjesta za povoljnu hemijsku ili fizičku interakciju. U usporedbi s CNT, CNF-ovi s parom imaju niže troškove proizvodnje (oko 100 puta manji od SWCNTs) i pogodni su za masovnu proizvodnju. Dok se CNTs / CNFs obimno proučavaju u polimernim kompozitima, njihova upotreba u cementu do danas je ostala ograničena. Većina istraživanja usmjerena je na CNT u odnosu na CNF i izvedena je na cementnim pastama.

Dodatak nano-veličina i nano-strukturisanih materijala

Postoji nekoliko istraživanja o ugradnji nano-željeza (nano-Fe2O3), nano-aluminija ( nano-Al2O3) i nano-glinene čestice. Osim toga, ograničen broj istraživanja se bavi proizvodnjom nano čestica cementa. Nanočestice mogu djelovati kao jezgre za fazu cementa, nadalje potičući cementnu hidrataciju zbog svoje velike reaktivnosti, kao punilo, densifiranje mikrostrukture i ITZ, što dovodi do smanjene poroznosti. Najznačajnije pitanje za sve nanočestice je učinkovita disperzija. Iako je naročito značajan pri velikim opterećenjima, čak i kod slabih opterećenja dolazi do problema s samoagregacijom, što smanjuje prednosti male veličine i stvara neaktivne džepove koji dovode do potencijala koncentracije naprezanja u materijalu.

Utvrđeno je da Nano-SiO2 poboljšava radnju i čvrstoću betona, povećava otpornost na penetraciju vode i pomaže u kontroli ispiranja kalcija, što je usko povezano s različitim vrstama razgradnje betona. Osim toga, pokazalo se da Nano-SiO2 ubrzava reakcije hidratacije C3S i mort-cementa kao rezultat velike i visoko reaktivne površine nanočestica. Utvrđeno je da je Nano-SiO2 učinkovitiji u povećanju čvrstoće od smjese silicijevog dioksida. Dodatkom 10% nano-SiO2 s disperzivnim sredstvima zabilježeno je povećanje zatezne čvrstoće cementnih maltera za čak 26%.Zabilježeno je da dobiveni rezultati zavise od proizvodnog puta i uslova sinteze nano-SiO2 (npr., Molarni omjeri reagensa, vrsta reakcijskog medija i trajanje reakcije za sol-gel metodu) i te disperzije od nano-SiO2 u smjesi igraju važnu ulogu.

Nano-TiO2 se pokazao vrlo učinkovitim za samo-čišćenje betona i pruža dodatnu korist pomažući očuvanju okoliša. Nano-TiO2 koji sadrži betonske akte pokrećući fotokatalitičku razgradnju onečišćujućih tvari, kao što su NOx, ugljični monoksid, VOC, hlorofenoli i aldehidi iz vozila i industrijskih emisija.. Osim što daje svojstva samočišćenja, nekoliko je studija pokazalo da nano-TiO2 može ubrzati hidraciju Portland cementa u ranoj dobi, poboljšati zatezne čvrstoće te povećati otpornost na abraziju betona.

Pokazano je da Nano-Al2O3 značajno povećava modul elastičnosti (do 143% u dozi od 5%), ali da ima ograničen učinak na zateznu čvrstoću. Predložene su nano čestice cementa kao način poboljšanja performansi cementa istovremeno smanjujući emisije ugljika. Cementne paste napravljene s nano česticama cementa pokazale su brže vrijeme postavljanja i povećanje rane zatezne čvrstoće u porešenju s pastama pripremljenim uobičajenim putem. Koncept nano veziva uključuje mehaničko-hemijsku aktivaciju koja se dobiva međusobnim brušenjem cementa sa suhim mineralnim aditivima u kugličnom mlinu. Pokazalo se da mehaničko-hemijska modifikacija cementa s visokim volumenom troske visoke peći povećava zateznu čvrstoću do 62%.

m-Kvadrat

print