سیمان و فناوری نانو

امروزه سیمان با توجه به کاربردهای مختلف و مصارف گوناگون، نقش مهمی در زندگی بشر ایفا می‌کند. از سوی دیگر مسأله زمان نیز از موضوعات اقتصادی حائز اهمیت برای صاحبان صنایع به شمار می‌آید و کاهش زمان ساخت و ساز، صرفه اقتصادی قابل توجهی را به دنبال خواهد داشت. اخیراً تولیدکنندگان سیمان دریافته‌اند که کاهش اندازه ذرات سیمان تا ابعاد نانو مقیاس، موجب تسریع در سفت شدن آن می‌شود؛ لذا گروهی از محققان سوئیسی با استفاده از روش فاز گازی و سنتز به شیوه تزریق شعله‌ای، به روشی برای آماده‌سازی مستقیم و تک‌مرحله‌ای نوعی سیمان نانوذره‌ای از جنس نانوذرات سیلیکات کلسیم(همان ترکیب سیمان پورتلند معمولی) دست یافته‌اند که واکنش‌پذیری اولیه آن ده برابر بیش از سیمان‌هایی است که به روش‌های معمولی تهیه شده‌اند؛ البته این سیمان بسیار متخلخل بوده و پایداری‌اش نسبت به سیمان‌های معمولی کمتر است و هنوز برای کارهای ساختمانی مدرن که مستلزم تحمل بار زیاد است، مناسب نیست.

mW / رهایش انرژی زمان بر حسب ساعت سیمان ساخته‌شده به روش تزریق شعله کل انرژی آزادشده = J/g 372 سیمان تجاری معمولی کل انرژی آزادشده = J/g 377 (سمت چپ) واکنشگر تزریق شعله طی فرایند تولید مخلوط نانوذرات اکسید فلزی که از ترکیبات سیمان پورتلند است. (بالا سمت راست) سیمان ساخته‌شده از نانوذرات پودری که به رنگ روشن با زمینه قهوه‌ای است. ( سمت راست پایین ) یک میکروگراف الکترونی انتقالی(TEM) که پس از آماده شدن ذرات سیمان از آنها تهیه شده‌است . در این میکروگراف شکل نانوذرات باقی‌مانده شبیه سیلیکایی است که با شعله ساخته شده‌است. (سمت راست) نمودار رهایش گرمایی از این ذرات و ذرات سیمان معمولی که با یک کالریمتر هم‌دما اندازه‌گیری شده‌است. همان‌طور که ملاحظه می‌شود رهایش گرمایی نانوسیمان(حدود یک دقیقه پس از تماس با آب) بسیار سریع‌تر از سیمان معمولی(حدود هفت دقیقه) است. در این روش یک پیک دیگر هم پس از مدت ده ساعت وجود دارد که در این شکل نشان داده نشده‌است

آنها برای تولید پیش‌سازهای بسیار ارزان، از برخی مواد شیمیایی مانند محصولات فرعی حاصل از پالایش نفت خام و فرایند آئروسل شعله‌ای( که در تولید رنگ‌دانه و کربن بلک به کار می‌رود) استفاده کردند و موفق به فراوری کامل ترکیبات پچیده‌ای مانند سیمان پورتلند شدند. این نانوسیمان برخلاف سیمان پورتلند معمولی، متناسب با دمای محیط واکنش، نانوذراتی با اندازه‌های مختلف( به‌طور متوسط یک سوم ذرات مشابه در سیمان معمولی) دارد، همچنین اندازه کوچک این ذرات موجب تغییر کامل رفتار هیدراسیون این سیمان شده و در نتیجه ضمن حفظ همان واکنش‌های ترمودینامیکی، واکنش‌های سینتیکی متفاوتی را خواهد داشت.  دانشمندان امیدوارند به‌رغم تخلخل بالای این مواد، بتوان با توجه به واکنش‌پذیری اولیه بسیار خوبی که دارند، کاربردهای جدیدی را به‌ویژه در مواردی که کوتاه بودن زمان سفت شدن حائز اهمیت است، به وجود آورند.  هم‌اکنون از این نانوسیمان متخلخل در نوسازی یا عایق‌کاری کاربردهایی که نیاز چندانی به استحکام در برابر فشردگی ندارند و ترکیب آنها با مواد معمولی به بهبود سخت شدگی آنها کمک می‌کند، استفاده می‌شود، همچنین این سیمان در کاربردهای هزینه‌بر کوچک‌مقیاس به‌ویژه اتصالات ساختمانی یا به‌صورت ترکیبی با فرمو‌ل‌ها موجود که به تسریع کار آنها کمک می‌کند نیز کاربرد دارد.  گفتنی است مقاله‌ای هم در همین زمینه در شماره اخیر نشریه Nanotechnology با عنوان "Preparation of an ultra fast binding cement from calcium silicate-based mixed oxide nanoparticles"  به چاپ رسیده‌است