Istraživanje i manipulisanje unutrašnjih karakteristika u nano obimu u cilju dobijanja izuzetnih osobina i performansi materijala je jedno od najaktivnijih istraživačkih područja u današnjem vremenu. Potencijal za primeni nanotehnologije u materijalima na bazi cementa je ogromna.
Trenutno se primena nanotehnologije u materijalima na bazi cementa, uključujući i izgradnju betonskih puteva, istražuje. Nanotehnologija ima ogroman potencijal da dovede do nove generacije betona, koji je jači i trajniji, sa željenim ponašanjem u odnosu na opterećenja i deformacije i, eventualno, sa čitavim nizom novozavedenih svojstava. Povećana savitljivost betona može dovesti do smanjenja debljine betonskih konstruktivnih elemenata, a posledično i do smanjenja količine upotrebljenog betona i sa njime manje korišćenje resursa i smanjena emsija ugljen-dioksida.
Uvod
Nanotehnologija ima ogroman potencijal i sposobnosti da kontroliše materijale uključujući i cementne materijale. To je nauka o izuzetno malim česticama koja se bavi proučavanjem i upotrebom materijala i uređaja koji rade na nezamislivoj nanometarskoj skali, tj. na jedno milijarditom delu metra. Nanometar je toliko mali da mi ne možemo da vidimo ništa ove veličine bez upotrebe vrlo moćnih mikroskopa. Oni se koriste za mernje stvari koje su veoma sitne, kao što su, na primer, atomi i molekuli.
Oglas
Recimo to na drugi način: nanometar je veličina za koju brada prosečnog čoveka izraste za vreme dok on podigne brijač do svog lica. Ova nauka se bavi iskorišćavanjem novih osobina koje se javljaju isključivo na nano skali i proizvodnji korisnih ili funkcionalnih komponenti. Materijali na ovoj skali se ponašaju veoma drugačije u odnosu kada su u većem obliku.
Ova tehnologija nudi bolje izgrađene, dugotrajnije, čistije, bezbednije i pametnije proizvode za kuću, medicinu, poljoprivredu, komunikaciju i za industriju uopšte. To je sinteza i primena ideja iz nauke i inženjerstva kako bi se razumeli i proizveli novi materijali i uređaji sa poboljšanim svojstvima i sposobnostima.
Nanonauka i nanotehnologija
Nanonauka je proučavanje fenomena i manipulacija materijala na atomskoj, molekularnoj i makromolekularnoj skali, tamo gde se osobine znatno razlikuju od onih u većim obimima; dok nanotehnologija opisuje dizajn, karakteristike, proizvodnju i primenu materijala i sistema kontrolom veličine u nanometarskoj skali.
Termin „nanotehnologija“ je iskovan od strane Tanagučija 1974. godine, i prvi put je popularizovan 1980. godine od strane naučnika i vizionara K. Erika Drekslera u njegovoj knjizi „Motori stvaranja“.
Nanotehnologija je stvaranje i korišćenje materijala, uređaja i sistema kroz kontrolu materije na nanometarskoj skali. Ona se bavi korišćenjem novih osobina koje se javljaju isključivo na nano skali i proizvodnji korisnih i funkcionalnih kompenenata sa novim ili poboljšanim svojstvima.
Zašto se materijali na nano skali ponašaju drugačije?
Kada se dimenzije materijala smanje sa makro veličine na nano veličinu, značajne promene u elektronskoj provodljivosti, optičkoj asporpciji, hemijskoj reaktivnosti i mehaničkim osobinama se javljaju. Materijali sa rasponom veličina od 100nm do atomskog nivoa mogu imati različite ili unapređene karakteristike, u poređenju sa istim materijalima na većoj veličini.
Dva glavna razloga za promenu ponašanja su povećana relativna površina i dominacija kvantnih efekata. Povećanje površine će rezultirati odgovarajućem povećanju hemijske reaktivnosti i stvaranju nekih nanočestica koje će biti korisne kao katalizatori. Kako se veličina materijala svodi na desetine nanometara ili manje, kvanti efekti počinju da igraju svoju ulogu, a to može značajno promeniti optičke, magnetne ili elektronske osobine materijala.
Ugljenične nanocevi
Ugljenične nanocevi (CNT - Carbon Nanotubes) su među najviše istraženim nano-materijalima današnjice. Ugljenične nanocevi su cevaste strukture prečnika od jednog nanometara sa velikim odnosom dimenzija. Ove cevi su privukle dosta pažnje poslednjih godina, ne samo zbog njihove male dimenzije, već i zbog njihovih potencijalnih primena u različitim oblastima. Jedan list grafita se zove grafem. Ugljenične nanocevi se mogu proizvesti uvijanjem grafitnog lista. Ugljenični listovi takođe mogu da se uvijaju na brojne načine.
CNT se mogu smatrati najsuperiornijim ugljeničnim vlaknima ikada napravljenim. Dodavanje male količine (1% od mase) ugljeničnih nanocevi (CNT) može da poboljša mehaničke osobine mešavine cementa i vode. CNT može biti jednozidan ili višezidan. Ugljenične nanocevi su najsnažniji i najfleksibilniji molekularni materijal sa Jangovim koeficijentom od preko 1 TPa. Približni prečnik je 1nm sa dužinama u mikronskim veličinama.
CNT imaju odličnu fleksibilnost. One su u suštini bez mana. Nanocevi su veoma otporne na hemikalije i imaju veliku snagu u odnosu na težinu. Ugljenične nanocevi imaju maksimalno izduženje od oko 10 odsto, što je više od bilo kog drugog materijala. Električna provodljivost ugljeničnih nanocevi je šest redova veličine veča od provodljivosti bakra, i stoga, one imaju kapacitet prenosa visokog opterećenja. Stoga, ugljenične nanocevi imaju izvrsne potencijale za korišćenje u cementnim kompozitima.
Upotreba nanotehnologije u materijalima na bazi cementa
Nanotehnologija se koristi za stvaranje novih materijala, uređaja i sistema na molekularnoj, nano i mikro razmeri. Interesovanje za nanotehnološki koncept za portland cementne kompozite stalno raste. Većina prijavljenih istraživanja koja se bave primenom nanotehnologije u cementnim materijalima su vezani za obloge ili unapređenje mehaničkih i električnih svojstava.
Neke od široko upotrebljivanih nanočestica u cementno betonskoj industriji su titanijum dioksid (TiO2), nanosilicijum (SiO2), aluminijum oksid (Al2O3), ugljenične nanocevi (CNT), i tako dalje. Trenutno, najatraktivnije oblasti istraživanja koja se bave cementnom i betonom su: razumevanje hidratacije cementnih čestica i korišćenje sastojaka nano veličine, kao što su aluminijum oksid i silicijumske čestice.
Prosečna veličina čestice portland cementa je oko 50 mikrona. U primenama koje zahtevaju tanje finalne proizvode i brže vreme vezivanja, koristi se mikro cement sa maksimalnom veličinom čestica od oko 5 mikrona. Znanje o nano razmeri struktura i karakteristika materijala će promovisati razvoj novih aplikacija i novih proizvoda za popravku ili poboljšanje svojstva građevinskih materijala.
Na primer, struktura fundamentalnog kalcijum-silikat-hidrat (C-S-H) gela koji je odgovoran za mehaničke i fizičke osobine cementnih pasta, uljučujući skupljanje, poroznost, propustljivost i elastičnost. C-S-H gel može biti modifikovan kako bi dobili bolju trajnost. Materijali na bazi cementa koji sadrže ugljenične nanocevi se mogu koristiti i za jačanje i unapređenje električnih i elektronskih osobina betona pored njegovih mehaničkih osobina. Razvoj pametnog betona pomoću ugljeničnih nanocevi bi bio lakši. Ukoliko nano-čestice cementa mogu biti obrađene sa nanocevima i česticama silicijum dioksida nano veličine, mogu se razviti provodni, snažni, tvrdi, više fleksibilniji kompoziti na bazi cementa sa poboljšanim svojstvima, za elektronske aplikacije i premaze.
Nano beton i nano sastojci
Nano beton se definiše kao beton napravljen sa česticama portland cementa veličina u rasponu od nekoliko nanometara do maksimuma od oko 100 mikrometara. Nano sastojci su sastojci sa najmanje jednom dimenzijom nanometarske veličine. Stoga veličina čestica mora da se smanji u cilju dobijanja nano-portland cementa. Ukoliko ove nano-cementne čestice mogu biti obrađene sa nanocevima i rekativnim nano česticama silicijum dioksida, mogu se razviti provodljivi, jaki, čvrsti, fleksibilniji kompoziti na bazi cementa sa poboljšanim svojstvima.
Takođe postoje ograničene informacije koje se bave proizvodnjom nano-cementa. Ako cement sa nano česticama može biti proizveden i obrađivan, to će otvoriti veliki broj mogućnosti u oblasti cementnih kompozita. Trenutna istraživačka delatnost u oblasti betona koji koristi nano-cement i nano silicijum uključuje:
- Karakterizacija cementne hidratacije
- Uticaj dodavanja silicijum dioksida na beton
- Sinteza cimenta korišćenjem nano čestica i premaza (primenjenih za zaštitu betona).
Karakteristike nano betona mogu biti efikasno korišćenje za stvaranje jedinstvenih proizvoda, koji se takođe mogu izlivati u složenim oblicima. Nano beton koji sadrži ugljenične nanocevi može da se koristi za ojačanje i stvaranje električnih kola. Nedavno su naučnici demonstrirali korišćenje nanoglina u pravljenju samozbijajućeg betona.
Istraživači sa Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) SAD-a tvrde da bi životni vek betona mogao biti udvostručen korišćenjem aditivna nano-veličine koji usporava agresivni transport jona u betonu. Umesto menjanja veličine i gustine pora u betonu, oni obrazlažu, bolje bi bilo da se promeni viskoznost rastvora u betonu kako bi se smanjili brzina kojom hloridi i sulfati ulaze u beton. Suština je da „plivanje kroz bazen meda traje duže nego kroz bazen pun vode“. Istraživači sa NIST-a su pokazali da nanotehnološki aditivi mogu biti mešani direktno u beton sa postoječim aditivima, ali da se još bolje performanse postižu kada se aditivi mešaju u beton zasićenjem upijajućeg, laganog peska.
Tvrdi se da su svi uzorci pokazali jedinstvenu nanosignaturu za C-S-H materijale bez obzira na poreklo uzoraka. Ovo je poznato kao genomski kod materijala i označava da snaga cementne paste nije funkcija specifičnih minerala, već da se odnosi prema načinu na kojem su nanočestice raspoređene. „Ako sve zavisi od oragnizovane strukture nanočestica koje čine beton, a ne od samog materijala, možemo ga recimo zameniti sa materijalom koji ima druge osobine beotna - snagu, izrdžljivost, masovnu dostupnost i nisku cenu - ali ne ispušta toliki ugljen-dioksid u atmosferu tokom proizvodnje“, rekao je profesor Franc Jozef Ulm sa MIT-a.
Nano silicijum dioksid za poboljšanje performansi betona
Nano silicijum dioksid je najčešći aditiv za beton. Pronađeno je da je nano silicijum dioksid mnogo više efikasniji od silicijum dioksida mikronske veličine za poboljšanje performansi kao što su propustljivost, a potom i trajnost. Pored toga, utvrđeno je da umanjena količina od oko 15 do 20 kilograma nano silicijum dioksida obezbeđuje istu jačinu kao 60kg običnog mikro silicijum dioksida.
Nano silicijum dioksid je efikasan aditiv za polimere i betone, sa kime se dobija samo-sabijajući beton visokih performansi sa poboljšanom obradivosti i snagom. Dodatkom nano silicijum dioksida materijalima na bazi cementa se kontroliše degradacija fundamentalne C-S-H (kalcijum-slicikat-hidrat) reakcije u vodi, kao i blokiranje penetracije vode, što dovodi do poboljšanja u izdržljivosti. Dodavanje SiO2 nano čestica povećava gustinu i snagu betona. Rezultati istraživanja pokazuju da se nano silicijum dioksid ponaša ne samo kao punilo za poboljšanje mikrostrukture, već kao i aktivator za podsticanje pucolanske reakcije za beton od letećeg pepela, što dovodi do povećane snage betona, posebno u ranim fazama.
Premazi za beton
Još jedna velika primena nano praha u materijalima na bazi cementa je u oblasti premaza. Utvrđeno je da atraktivne boje drevnog češkog kristala sadrže nanočestice. Ovo pokazuje da je nanotehnologija korišćena za premazivanje površina (tj. prskanja) i činjenja da proizvod izgleda atraktivno još u drevnim vremenima.
Nano prahovi imaju odlične površinske osobine. Površina dobija ozbiljne promene u površinskoj energiji i površinskoj morfologiji. Promena u svojstvima izaziva poboljšanu sposobnost katalizatora, sposobnosti reagovanja na podesive talasne dužine i bolje dizajnirane pigmente i boje sa samočišćećim i samoizlečujućim osobinama.
Jedna obećavajuća oblast primene nanočestica za cementne materijale je razvoj samoprečišćavajućeg premaza. Titanijum oksid se obično koristi za ovo svrhu. On se inkorporira u materijal, u obliku nano čestica, kako bi blokirao UV svetlost. On se dodaje bojama, cementu i prozorima zbog svojih sterilišućih svojstava pošto TiO2 razgrađuje organske zagađivače, isparljiva organska jedinjenja i bakterijske membrane preko moćne katalizatorske reakcije i može smanjiti zagađivače iz vazduha koji se kače za spoljašnje površine. Pored toga je hidrofilan i zato daje samoprečišćavajuća svojstva površini na kojoj se primenjuje.
Izazovi primene nanotehnologije u materijalima na bazi cementa
Primarni izazov je proizvodnja čestica cementa nano veličina. Drugi izazov je toplota hidratacije. Zbog mnogih povećanja nabora u određenim površinama, nano čestice su veoma reaktivne i rezultiraju sa ogromnim količinama toplote hidratacije. Potrebno je razvijanje posebnih organskih i neorganskih aditiva kako bi se kontrolisalo podešavanje i toplota hidratacije.
Za nano premaze, osobine samih premaza zahtevaju obimna ispitivanja. Trajnost premaza pod različitim uslovima izloženosti, otpornost na habanje, otpornost na trenje, otpornost na visoke temperature i električne karakteristike trebaju da se dokazuju uz pomoć iscrpnih eksperimenata. Osim toga, velika količina rashoda je potrebna kako bi se proučavalo ponašanje nano cementa i nano aditiva u materijalima na bazi cementa.
Zaključak
Postoji širok prostor za korišćenje nanotehnologije uključujući i nano sastojke radi eksploatacije poboljšanih mehaničkih i električnih osobina kao što su veća čvrstoća, fleksibilnost, žilavost, stabilnost, provodljivost, pored samoprečišćavajućih osobina cementnih kompozita. Izazovi su takođe veliki i oni uključuju opasnost po zdravlje prilikom rada sa suvim nanočesticama, ogromni rashodi za nabavku opreme za ispitivanje na nano skali.
Trenutno, ograničena dostupnost (nedostupnost) nano cementa, peska, itd, otežava primenu ove tehnologije u materijalima na bazi cementa. Trenutne studije se uglavnom svode na laboratorijske faze ispitivanja. Stoga, mnogo više opsežnija istraživanja su potrebna pre nego što primena nanotehnologije postane održiva i ekonomičan način za poboljšanje važnih osobina cementnih materijala.
