المواد النانوية الذكية في صناعة البناء الخرساني

ما هي المواد النانوية الذكية في صناعة البناء الخرساني؟

تقنية النانو هي تكامل للتحكم في مستوى النانو في مواد البناء والتطورات المعمارية. حيث أن تقنية النانو هي تقنية مبتكرة لمختلف التطبيقات مثل مواد البناء والتشييد والهندسة المعمارية. وهذه التكنولوجيا لها دور مهم في التطور العلمي. حيث قدمت بنية النانو طرقًا جديدة للمباني الذكية الجديدة باستخدام مواد نانوية جديدة مثل أكسيد النانو المعدني والمواد الكربونية.

تركز هذه التقنية على كيفية تحسين الخواص الميكانيكية للخرسانة القائمة على الأسمنت البورتلاندي مع المواد النانوية مثل السيليكا النانوية والجرافين لتطبيقات المباني. بحيث ستعطي إضافة هذه المواد النانوية إلى الخلطات الخرسانية خصائص ميكانيكية أفضل ومقاومة لتطبيقات النانو.

تشير بعض الدراسات المختبرية إلى أن قوة الخرسانة تتحسن بخصائص النانو. وتزداد قوة ضغط الأسمنت البورتلاندي حتى 18%. حيث يُقترح أن مواد الطلاء القائمة على المواد النانوية أفضل من الطلاءات التقليدية. ويمكن تحضير مواد الطلاء ذات خصائص التنظيف الذاتي باستخدام أكاسيد معدنية مختلفة مثل (TiO2 nanomaterials).

تعتبر الخرسانة والحديد والزجاج والأخشاب من أكثر المواد شيوعًا، حيث يتم استخدامها في مجال البناء الحديث. وفي الجدول التالي، تم جدولة بعض الخصائص الهامة للمواد المذكورة أعلاه.

إذا قارنا هذه الخصائص بخصائص الأنابيب النانوية الكربونية، فإنّ النتائج مذهلة. والأنابيب النانوية الكربونية لها معامل يونغ 1054 جيجا باسكال، وقوة شد تبلغ 150 جيجا باسكال وكثافة 1.4. وبالتالي، فإنّ الأنبوب النانوي الكربوني له قوة 150 ضعف قوة الفولاذ وفي نفس الوقت أخف وزناً بنحو ستة أضعاف.

بناءً على الإحصائيات المذكورة أعلاه، كان يعتقد أن صناعة البناء ستستفيد أكثر من تقنية النانو. ومع ذلك، فإنّ صناعة البناء تتخلف عن القطاعات الصناعية الأخرى من حيث جذب الاستثمار من قطاعات الشركات الكبيرة.

تقنية النانو هي تقنية تمكن من تطوير مواد ذات خصائص محسنة أو جديدة تمامًا. كما أنها امتداد للعلوم والتقنيات التي تم تطويرها بالفعل لسنوات عديدة لدراسة طبيعة عالمنا على نطاق أصغر من أي وقت مضى. والنانومتر هو واحد من المليار من المتر.

تعرف الجسيمات النانوية بأنها جسيم له بعد واحد على الأقل أقل من 100 نانومتر. وحجم الجسيم مهم جدًا لأنه على مقياس طول النانومتر، أيّ 10 – 9م، تتأثر خصائص المادة فعليًا.

تقدم الأنابيب النانوية تصنيفًا مهمًا للمواد النانوية. كما أنها مصنوعة من الجرافين. حيث يعرف الجرافين بأنه طبقة أحادية من ذرات الكربون. ويمكن تعريفه أيضًا على أنه سلك على نطاق ذري مصنوع من ذرات الكربون وروابطها.

إذا تم ترتيب طبقات الجرافين على شكل مخاريط أو أكواب أو أطباق مكدسة، فإنّها تُعرف باسم ألياف الكربون النانوية (CNF) وإذا تم تغليف طبقات الجرافين في أسطوانات مثالية، فإنّها تسمى أنابيب نانوية كربونية (CNT).

طبقة الجرافين وأنابيب الكربون النانوية وألياف الكربون النانوية:

يتم إنتاج المركّبات النانوية عن طريق إضافة الجسيمات النانوية إلى مادة سائبة من أجل تحسين خصائص المادة السائبة. ويمكن أن تظهر المواد التي تم تقليصها إلى مقياس النانو فجأة خصائص مختلفة جدًا مقارنة بما تعرضه على المقياس الكبير، ممّا يتيح تطبيقات فريدة.

تقنية النانو هي مجال بحث ديناميكي يغطي عددًا كبيرًا من التخصصات بما في ذلك صناعة البناء. والخرسانة مادة تستخدم على نطاق واسع في صناعة البناء. كما أن الخرسانة هي مادة أسمنتية مركّبة تتكون من الأسمنت البورتلاندي والرمل والسحق والماء وأحيانًا المواد المضافة.

يتزايد الاهتمام بمفهوم التكنولوجيا النانوية لمركبات الأسمنت البورتلاندي بشكل مطرد. ويتم دمج المواد مثل الأنابيب النانوية الكربونية و نانو السيليكا مع الأسمنت البورتلاندي. حيث أنه هناك أيضًا عدد محدود من التحقيقات التي تتناول تصنيع الأسمنت النانوي.

استخدام الجسيمات الدقيقة (مساحة السطح الأعلى) له مزايا من حيث ملء مصفوفة الأسمنت وتكثيف الهيكل، ممّا ينتج عنه قوة أعلى وتفاعلات كيميائية أسرع مثل تفاعلات الماء.

يمكن لجزيئات الأسمنت النانوي تسريع ترطيب الأسمنت بسبب نشاطها العالي. وبالمثل، فإنّ دمج جزيئات النانو يمكن أن يملأ المسام بشكل أكثر فعالية لتعزيز القوة والمتانة الإجمالية. وبالتالي يمكن أن تؤدي الجسيمات النانوية إلى إنتاج جيل جديد من مركبات الأسمنت مع تعزيز القوة والمتانة.

استخدامات المواد النانوية الذكية في صناعة البناء الخرساني:

وفقًا للباحثين، فيما يلي قائمة بالمجالات التي يمكن أن تستفيد فيها صناعة البناء من تكنولوجيا النانو.

• استبدال الكابلات الفولاذية بِأنابيب نانوية كربونية أقوى بكثير في الجسور المعلقة والجسور المثبتة بالكابلات.

• استخدام النانو سيليكا لإنتاج مواد مركّبة أسمنتية كثيفة.

• دمج ألياف الكربون النانوية المقاومة في الطرق الخرسانية في المناطق الثلجية.

• دمج النانو تيتانيا لإنتاج الخرسانة الضوئية.

• استخدام جزيئات نانو كالسيت في مواد منع التسرب لحماية الهياكل من العناصر العدوانية للبيئة المحيطة.

• استخدام النانو في الخرسانة لتعزيز اللدونة وقابلية التدفق.

• يمكن تحسين جودة الهواء في المناطق الحضرية إذا تم معالجة الهياكل المدنية باستخدام نانو ثنائي أكسيد التيتانيوم.