پژوهشگران دانشگاه مازندران، موفق به ساخت نمونه‌های آزمایشگاهی سیمان و بتنی شده‌اند که از دوام و پایداری بالایی برخوردار است. در ساخت این نمونه‌ها از گونه‌ای نانوذرات استفاده شده است. نتایج این تحقیق در حوزه‌ی مهندسی عمران، به ویژه بخش صنعت بتن بسیار ارزشم
مازندران: اصلاح خصوصیات سیمان پرتلند به کمک نانوذرات
مصرف سالیانه‌ی سیمان به دلیل کاربرد و اهمیت بالای آن در پروژه‌های عمرانی رو به افزایش است. از این رو با توجه به مسائل زیست محیطی و اقتصادی ناشی از افزایش تولید سیمان، یافتن راه حلی جهت بهبود ویژگی‌های این ماده می‌تواند بسیار مهم باشد. لذا در این پژوهش سعی شده است تا با به کارگیری فناوری نانو بتوان برخی از ویژگی‌های سیمان نظیر خصوصیات مکانیکی و فیزیکی آن را بهبود بخشید.
عارف صادقی نیک در خصوص اهداف دنبال شده در این طرح عنوان کرد: «بهبود خواص سیمان می‌تواند منجر به بهبود خواص بتن گردد و در نهایت موجب افزایش طول عمر و پایایی سازه‌های بتنی خواهد شد. از آنجا که رفتار مکانیکی مواد تشکیل دهنده‌ی بتن به عناصر ساختاری آن بستگی دارد، لذا در این طرح تلاش شده تا با استفاده از نانوذرات کاربید سیلیکون (SiC) ساختار مولکولی سیمان و بتن را به گونه‌ای تغییر داد که مشخصات کلی مواد تشکیل دهنده‌ی سازه‌های بتنی بهتر شود.»
به طور کلی نتایج این طرح بیانگر بهبود خواص سیمان حاوی نانوذرات کاربید سیلیکون بوده است. در واقع این نانوذرات سبب تقویت ماتریس سیمان شده که در نتیجه‌ی آن خصوصیات مکانیکی، دوام و عملکرد بتن نهایی بهبود و ارتقاء یافته است.
صادقی نیک در ادامه به شرح اهمیت نتایج کسب شده پرداخت و افزود: «به ازای تولید هر یک تن سیمان، میزان بالایی دی اکسید کربن در جو انتشار می‌یابد. از آنجایی که نانو ذرات مزبور قادر هستند تا حدودی جایگزین بخشی از سیمان مصرفی در بتن گردند، لذا این امر موجب کاهش مصرف سیمان می‌شود. کاهش مصرف سیمان به معنای کاهش تولید و در نتیجه آلودگی‌های ناشی از آن خواهد بود. این نتیجه گامی مهمی در راستای توسعه‌ی پایدار، به ویژه در صنعت بتن و ساخت و ساز است.»
این محقق نحوه‌ی ساخت و بررسی نمونه‌های سیمان اصلاح شده را اینگونه توضیح داد: «در روند انجام آزمایش‌ها، پس از سنتز نانو ذرات کاربید سیلیکون با روش سل-ژل، اقدام به ساخت نمونه‌های سیمان حاوی درصدهای مختلف این نانو ذرات شد. سپس با کمک برخی از روش‌های موجود نظیر AFM، XRD و SEM ریزساختار نمونه‌های سیمان بررسی شد. از سوی دیگر خصوصیات مکانیکی سیمان نیز بر طبق استاندارد ASTM بررسی شد.»
به گفته‌ی صادقی نیک افزودن نانو ذرات کاربید سیلیکون سبب کاهش میزان هیدروکسید کلسیم شده و از سوی دیگر ژل پایدار کلسیم سیلیکات هیدراته (C-S-H) افزایش یافته است. این امر موجب بهبود ناحیه‌ی انتقال بین سنگدانه و ماتریس سیمان می‌شود. کلسیم سیلیکات هیدراته تقریباً نقش اصلی در افزایش مقاومت و دوام بتن را دارد و باعث ایجاد چسبی می‌شود که اجزای بتن را به هم می‌چسباند. همچنین طبق بررسی‌ها، نانو ذرات کاربید سیلیکون به عنوان فیلر توانسته‌اند بسیاری از خلل و فرج موجود در مقیاس نانو را پر نمایند و موجب کاهش نفوذ پذیری و چگال‌تر شدن نمونه شوند. در نتیجه یک ماتریس چسبنده‌ی متراکم‌تر تولید شده است. علاوه بر آن، این نانوذرات موجب کاهش زبری و کرنش داخلی نمونه‌ها نیز شده‌اند.
این تحقیقات از تلاش‌های دکتر علی بهاری- عضو هیأت علمی دانشگاه مازندران- عارف صادقی نیک- کارشناس ارشد مهندسی عمران از باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان، دانشگاه آزاد اسلامی واحد ساری- و همکارانشان حاصل شده است. نتایج این کار در مجله‌ی National Academy Science Letters (جلد ۳۸، شماره ۴، سال ۲۰۱۵، صفحات ۳۶۱ تا ۳۶۴) به چاپ رسیده است.
عارف صادقی نیک در خصوص اهداف دنبال شده در این طرح عنوان کرد: «بهبود خواص سیمان می‌تواند منجر به بهبود خواص بتن گردد و در نهایت موجب افزایش طول عمر و پایایی سازه‌های بتنی خواهد شد. از آنجا که رفتار مکانیکی مواد تشکیل دهنده‌ی بتن به عناصر ساختاری آن بستگی دارد، لذا در این طرح تلاش شده تا با استفاده از نانوذرات کاربید سیلیکون (SiC) ساختار مولکولی سیمان و بتن را به گونه‌ای تغییر داد که مشخصات کلی مواد تشکیل دهنده‌ی سازه‌های بتنی بهتر شود.»
به طور کلی نتایج این طرح بیانگر بهبود خواص سیمان حاوی نانوذرات کاربید سیلیکون بوده است. در واقع این نانوذرات سبب تقویت ماتریس سیمان شده که در نتیجه‌ی آن خصوصیات مکانیکی، دوام و عملکرد بتن نهایی بهبود و ارتقاء یافته است.
صادقی نیک در ادامه به شرح اهمیت نتایج کسب شده پرداخت و افزود: «به ازای تولید هر یک تن سیمان، میزان بالایی دی اکسید کربن در جو انتشار می‌یابد. از آنجایی که نانو ذرات مزبور قادر هستند تا حدودی جایگزین بخشی از سیمان مصرفی در بتن گردند، لذا این امر موجب کاهش مصرف سیمان می‌شود. کاهش مصرف سیمان به معنای کاهش تولید و در نتیجه آلودگی‌های ناشی از آن خواهد بود. این نتیجه گامی مهمی در راستای توسعه‌ی پایدار، به ویژه در صنعت بتن و ساخت و ساز است.»
این محقق نحوه‌ی ساخت و بررسی نمونه‌های سیمان اصلاح شده را اینگونه توضیح داد: «در روند انجام آزمایش‌ها، پس از سنتز نانو ذرات کاربید سیلیکون با روش سل-ژل، اقدام به ساخت نمونه‌های سیمان حاوی درصدهای مختلف این نانو ذرات شد. سپس با کمک برخی از روش‌های موجود نظیر AFM، XRD و SEM ریزساختار نمونه‌های سیمان بررسی شد. از سوی دیگر خصوصیات مکانیکی سیمان نیز بر طبق استاندارد ASTM بررسی شد.»
به گفته‌ی صادقی نیک افزودن نانو ذرات کاربید سیلیکون سبب کاهش میزان هیدروکسید کلسیم شده و از سوی دیگر ژل پایدار کلسیم سیلیکات هیدراته (C-S-H) افزایش یافته است. این امر موجب بهبود ناحیه‌ی انتقال بین سنگدانه و ماتریس سیمان می‌شود. کلسیم سیلیکات هیدراته تقریباً نقش اصلی در افزایش مقاومت و دوام بتن را دارد و باعث ایجاد چسبی می‌شود که اجزای بتن را به هم می‌چسباند. همچنین طبق بررسی‌ها، نانو ذرات کاربید سیلیکون به عنوان فیلر توانسته‌اند بسیاری از خلل و فرج موجود در مقیاس نانو را پر نمایند و موجب کاهش نفوذ پذیری و چگال‌تر شدن نمونه شوند. در نتیجه یک ماتریس چسبنده‌ی متراکم‌تر تولید شده است. علاوه بر آن، این نانوذرات موجب کاهش زبری و کرنش داخلی نمونه‌ها نیز شده‌اند.
این تحقیقات از تلاش‌های دکتر علی بهاری- عضو هیأت علمی دانشگاه مازندران- عارف صادقی نیک- کارشناس ارشد مهندسی عمران از باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان، دانشگاه آزاد اسلامی واحد ساری- و همکارانشان حاصل شده است. نتایج این کار در مجله‌ی National Academy Science Letters (جلد ۳۸، شماره ۴، سال ۲۰۱۵، صفحات ۳۶۱ تا ۳۶۴) به چاپ رسیده است.
