پژوهشگران دانشگاه آزاد اسلامی واحد ساری، دانشگاه مازندران، دانشگاه صنعتی نوشیروانی و موسسه آموزش عالی طبری بابل در طی یک طرح آزمایشگاهی امکان استفاده از نانوذرات در سیمان جهت بهبود خواص آن را مورد بررسی قرار دادند. حضور مقدار بهینه نانوذرات در فرمولاسیون سیمان موجب تقویت سیمان و همچنین کاهش مصرف سیمان می‌شود.
تقویت خواص سیمان به کمک نانوذرات در دانشگاه آزاد اسلامی واحد ساری
در دهه‌های اخیر تولید و مصرف سیمان در کشورهای در حال توسعه به‌طور قابل‌توجهی افزایش یافته است. اگرچه سیمان یک محصول بسیار مهم برای توسعه اقتصادی به شمار می‌رود، اما مشکلات زیست‌محیطی از جمله انتشار گاز دی‌اکسید کربن (CO2)، دی‌اکسید سولفور (SO2)، اکسیدهای ازت (NOx) و همچنین ذرات معلق در هوا موجب شده تا بسیاری از محققان برای کاهش این مشکلات تلاش کنند.
عارف صادقی نیک، هدف از انجام این طرح را ارتقاء خواص مکانیکی و ریزساختار سیمان دانست و افزود: «در پژوهش حاضر از دو نوع نانوذره برای بهبود خواص مکانیکی و ریزساختار سیمان پرتلند و همچنین کاهش آلودگی زیست‌محیطی ناشی از تولید سیمان استفاده شده است.»
استفاده از سیمان اصلاح شده با نانوذرات در تولید بتن موجب خواهد شد تا از یک سو طول عمر سازه¬های بتنی افزایش یابد و از سوی دیگر کاهش مصرف و تقاضای سیمان، کاهش آلودگی زیست‌محیطی را به دنبال دارد.
به گفته صادقی نیک، در این طرح از دو نوع نانوذره دی‌اکسید تیتانیم و مونت موریلونیت برای بهبود خواص سیمان استفاده شده است. حضور این نانوذرات در فرمولاسیون سیمان موجب شده است تا واکنش شیمیایی بهتری بین اجزای سیمان انجام شده و تراکم ماتریس سیمان افزایش یابد، که این امر ارتباط مستقیم با ارتقاء ویژگی¬های بتن نظیر خصوصیات مکانیکی، پایایی و افزایش طول عمر دارد. همچنین حضور نانوذرات فتوکاتالیستی دی‌اکسید تیتانیم نقش قابل‌توجهی در زیبایی نمای سازه نهایی دارد.
این محقق مراحل انجام طرح را این‌گونه تشریح کرد: «ابتدا نانوذرات مونت موریلونیت و دی‌اکسید تیتانیم سنتز و سپس بطور توأم و با نسبت ۱، ۲ و ۳ درصد وزنی سیمان بصورت جایگزین، در ساخت نمونه¬های سیمان مورد استفاده قرار گرفتند. در مرحله بعد، از آزمون پراش پرتو ایکس و میکروسکوپ الکترونی به‌منظور بررسی فازهای موجود در ساختار سیمان استفاده شد. همچنین به‌منظور شناسایی کیفی و کمی ترکیبات آلی حاوی نانو ذرات، تعیین نوع گروه عاملی و پیوندهای موجود در مولکول‌های آن‌ها از روش طیف‌سنجی مادون‌قرمز به روش FT-IR استفاده شد.»
نتایج حاصل از آزمون¬های مکانیکی و بررسی ویژگی¬های نانوساختاری نمونه¬ها نشان می¬دهد که با افزودن توأم نانو ذرات مونت موریلونیت و نانو ذرات تیتانیوم، به‌صورت جایگزین سیمان مصرفی تا حد ۱% به‌عنوان درصد بهینه، شاهد افزایش خصوصیات مکانیکی (افزایش مقاومت فشاری حدود ۱۶% و افزایش مقاومت خمشی حدود ۱۳% در نمونه‌های سیمان در سن ۲۸ روز) و بهبود ریزساختار سیمان خواهیم بود.
در سال ۲۰۱۳ حدود ۴۰۸۰ میلیون تن سیمان در جهان تولید شده است که ۱% آن ۴۰.۸ میلیون تن است. بنابراین با کاهش ۱% از تولید سیمان و با توجه به تولید حدود یک تن دی‌اکسید کربن به ازای هر تن تولید سیمان، می‌توان مانع انتشار حدود ۴۰.۸ میلیون تن از دی‌اکسید کربن در دنیا شد. از سوی دیگر، هزینه حذف هر یک تن CO۲ حدود ۲۰ تا ۵۰ یورو گزارش شده است. لذا به سبب کاهش انتشار حدود ۴۰.۸ میلیون تن از دی‌اکسید کربن تقریباً بین ۸۱۶ تا ۲۰۴۰ میلیون یورو از هزینه‌های مربوط به حذف CO۲ کاهش میابد. ازاین‌رو استفاده از نانو فناوری در جهت نیل به توسعه پایدار صنعت بتن و ساخت‌وساز می‌تواند بسیار کارآمد باشد.
این تحقیقات حاصل تلاش‌های عارف صادقی نیک- عضو استعدادهای درخشان باشگاه پژوهشگران جوان و نخبگان، دانشگاه آزاد اسلامی واحد ساری، دکتر جواد برنجیان- عضو هیأت علمی موسسه آموزش عالی طبری، پروفسور علی بهاری- عضو هیأت علمی دانشگاه مازندران، دکتر عبدالستار صفایی و دکتر مهدی دهستانی- اعضای هیأت علمی دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل است. نتایج این کار در مجله‌ی Construction and Building Materials با ضریب تأثیر ۳.۱۶۹ (جلد ۱۵۵، سال ۲۰۱۷، صفحات ۸۸۰ تا ۸۹۱) منتشر شده است.
