نانو سیلیس چیست و نانو ذرات سیلیکا چه تأثیری در مقاومت بتن دارد؟

نانو سیلیس (Nano Silica) که به نانو ذرات سیلیکا هم معروف است، یکی دیگر از افزودنی‌ها به ترکیب بتنی می‌باشد که همانند میکروسیلیکا بر پایه یک ترکیب پوزولانی تشکیل شده است. این ماده در افزایش مقاومت و استحکام بتن نقش بسیار مهمی دارد؛ به طوری که با افزایش نانو سیلیس به ترکیب ماسه برای ساخت بتن، استحکام و مقاومت آن در مقایسه با یک بتن معمولی افزایش پیدا خواهد کرد. امروزه نانوسیلیس به دو شکل پودر و ژل، و در دو نوع نانو سیلیس آب گریز و تعلیق وجود دارد، که هرکدام با توجه به کاربردی که دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرند. به طور کلی نانو سیلس علاوه بر استفاده در ساخت بتن و مصالح ساختمانی، در بخش‌های دیگری چون پزشکی، تولیدات پلاستیک، ریخته‌گری و … نیز استفاده می‌شود.

در صنعت ساخت‌وساز، نانو سیلیس به خصوص در بتن‌ریزی، انقلابی ایجاد کرده است. افزودن آن به ترکیب بتن نه تنها مقاومت فشاری، کششی و خمشی را افزایش می‌دهد، بلکه دوام بتن را در برابر عوامل زیست محیطی مانند خوردگی، نفوذ آب و تغییرات دمایی نیز بهبود می‌بخشد. بر اساس تحقیقات انجام شده، استفاده از نانو سیلیس می‌تواند مقاومت بتن را تا ۴۰ درصد افزایش دهد، که این مسئله آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای سازه‌های بزرگ مانند سدها، پل‌ها و تونل‌ها تبدیل کرده است.

این مقاله به بررسی جامع نانو سیلیس می‌پردازد: از تاریخچه و روش‌های تولید تا خواص فیزیکی-شیمیایی، کاربردها، مزایا و معایب، و در نهایت تأثیر خاص آن بر بتن. هدف ما، ارائه یک منبع کامل و علمی برای مهندسان، محققان و علاقه‌مندان است.

کاربرد نانو سیلیس در بتن

• ساخت بتن‌هایی با مقاومت بسیار بالا
• استفاده در سازه‌های سدها، تونل‌ها، کانال‌های آبی، کف سازی و اسکله‌ها
• بتن‌ریزی در سطح وسیع و گسترده، استفاده به عنوان عایق‌های حرارتی و الکتریکی
• افزایش طول عمر بتن در برابر خوردگی، عوامل مخرب خارجی
• مناسب با آب و هوای مرطوب و استفاده در سازه‌های کنار سواحل
• استفاده در ساخت سازه‌های نظامی
• استفاده در ساخت انواع بتن‌های از پیش ساخته شده و متراکم

در صنعت ساخت‌وساز، نانو سیلیس به خصوص در بتن‌ریزی، انقلابی ایجاد کرده است. افزودن آن به ترکیب بتن نه تنها مقاومت فشاری، کششی و خمشی را افزایش می‌دهد، بلکه دوام بتن را در برابر عوامل زیست محیطی مانند خوردگی، نفوذ آب و تغییرات دمایی نیز بهبود می‌بخشد. بر اساس تحقیقات انجام شده، استفاده از نانو سیلیس می‌تواند مقاومت بتن را تا ۴۰ درصد افزایش دهد، که این مسئله آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای سازه‌های بزرگ مانند سدها، پل‌ها و تونل‌ها تبدیل کرده است.

این مقاله به بررسی جامع نانو سیلیس می‌پردازد: از تاریخچه و روش‌های تولید تا خواص فیزیکی-شیمیایی، کاربردها، مزایا و معایب، و در نهایت تأثیر خاص آن بر بتن. هدف ما، ارائه یک منبع کامل و علمی برای مهندسان، محققان و علاقه‌مندان است.

نحوه استفاده نانو سیلیس

مقدار استفاده از نانو ذرات سیلیس در بتن، به سطح مورد نظر بستگی دارد. اگر نانوسیلیس حالت مایع داشته باشد، باید با مواد تر و آب ترکیب شود و اگر حالت جامد و پودری داشته باشد، باید مستقیماً با مواد خشک ترکیب شود و به هیچ عنوان نباید آن را مستقیم با آب مخلوط کرد، تا کیفیت و کارایی اولیه خود را حفظ کند. به طور کلی برای استفاده دقیق‌تر از نانو سیلیس در ترکیب بتنی باید آزمایشگاه مورد نظر مشخص کند که چه مقدار از این ترکیب وارد ترکیب بتنی شود تا مقاومت و استحکام بتن را افزایش دهد.

تاریخچه و روش‌های تولید نانو سیلیس

تاریخچه

کشف سیلیس به عنوان عنصر اصلی در طبیعت به هزاران سال پیش بازمی‌گردد، اما نانو سیلیس به عنوان یک ماده مهندسی‌شده، در اواخر قرن بیستم توسعه پیدا کرد. در دهه ۱۹۸۰، با پیشرفت فناوری نانو، محققان ژاپنی و اروپایی شروع به تولید ذرات سیلیکا در مقیاس نانو کردند. اولین کاربردهای صنعتی آن در دهه ۱۹۹۰ در صنایع الکترونیک و پزشکی ظاهر شد. امروزه، با توجه به تقاضای رو به رشد در بازار جهانی مربوط به نانومواد (که طبق گزارش‌های بازار تا سال ۲۰۲۵ به بیش از ۱۰۰ میلیارد دلار می‌رسد)، نانو سیلیس به یکی از پرمصرف‌ترین نانومواد تبدیل شده است.

روش‌های تولید

نانو سیلیس عمدتاً از منابع طبیعی مانند برنج یا سیلیس معدنی استخراج می‌شود، اما روش‌های سنتزی پیشرفته برای تولید صنعتی استفاده می‌شود. اصلی‌ترین روش‌ها عبارتند از:

1. روش سل-ژل (Sol-Gel): در این فرآیند، تترااتیل ارتوسیلیکات (TEOS) به عنوان پیش‌ماده با هیدرولیز و کندانسیون در حضور کاتالیزور (مانند اسید یا باز) به ژل تبدیل می‌شود. سپس، ژل خشک و کلسینه می‌گردد تا ذرات نانویی SiO₂ تشکیل شود. این روش کنترل دقیقی بر اندازه و مورفولوژی ذرات ارائه می‌دهد و برای تولید ذرات متخلخل عالی می باشد.
2. رسوب‌گذاری از فاز گازی (Vapor Phase Hydrolysis): سیلیسیم تتراکلرید (SiCl₄) با بخار آب در دمای بالا واکنش می‌دهد و ذرات آمورف نانو سیلیس تولید می‌کند. این روش برای تولید صنعتی فومد (Fumed Silica) استفاده می‌شود و ذراتی با سطح ویژه بالا (تا ۴۰۰ مترمربع بر گرم) می‌سازد.
3. استخراج از طریق ضایعات کشاورزی: خاکستر پوسته برنج (RHA) که حاوی ۹۰% سیلیس است، با سوزاندن کنترل‌شده و استخراج شیمیایی به نانو سیلیس تبدیل می‌شود. این روش پایدار و ارزان است.

هر روش مزایای خود را دارد؛ برای مثال، سل-ژل برای کاربردهای پزشکی مناسب‌تر می باشد، در حالی که رسوب‌گذاری برای بتن صنعتی بهتر می باشد. از چالش‌های تولید می توان به کنترل اندازه ذرات و کاهش آلاینده‌ها اشاره کرد.

خواص فیزیکی و شیمیایی نانو سیلیس

نانو سیلیس یک پودر سفید و شفاف کریستالی است که به دلیل اندازه نانویی، خواص منحصربه‌فردی مانند سطح ویژه بالا (۲۰۰-۳۰۰ مترمربع بر گرم) و ساختار متخلخل از خود نشان می‌دهد.

خواص فیزیکی

• اندازه ذرات: ۱-۱۰۰ نانومتر، که باعث افزایش واکنش‌پذیری می‌شود.
• چگالی: حدود ۲.۲ گرم بر سانتی‌متر مکعب.
• نقطه ذوب: ۱۶۰۰ درجه سانتی‌گراد.
• نقطه جوش: ۲۲۳۰ درجه سانتی‌گراد.
• انواع: پودر (جامد)، ژل (مایع کلوئیدی) و کلوئید (سوسپانسیون پایدار). همچنین، انواع آب‌گریز (با پوشش سیلان) برای مقاومت در برابر رطوبت.

خواص شیمیایی

نانو سیلیس آمورف و هیدروفیل است، اما می‌تواند با اصلاح سطح به هیدروفوب تبدیل شود. به عنوان پوزولان، با هیدروکسید کلسیم در سیمان واکنش می‌دهد و ژل سیلیکات کلسیم هیدراته (C-S-H) را تشکیل می‌دهد، که این امر تخلخل بتن را کاهش می‌دهد. pH آن خنثی (حدود ۷) می باشد و در برابر اسیدها و بازها مقاوم، اما در دماهای بالا کریستالیزه می‌شود.

جدول ۱: مقایسه خواص نانو سیلیس با میکروسیلیکا

این خواص، نانو سیلیس را برای کاربردهای پیشرفته مناسب می‌سازد.

مزایای نانو سیلیس

• تأثیر نانو سیلیس بر مقاومت بتن در برابر گرما، خوردگی و واکنش‌های شیمیایی
• پایین بودن هزینه اقتصادی و به صرفه بودن آن
• افزایش استحکام و مقاومت بتن در برابر عوامل مخرب محیطی
• جلوگیری از ورود هرگونه هوا به داخل بتن
• افزایش مقاومت بتن در برابر فشارهای کششی خارجی تا 40 درصد
• افزایش مقاومت بتن در برابر فرسایش و استهلاک سازه‌ها
• افزایش تراکم، انسجام ترکیب بتنی و غیرقابل‌نفوذ بودن ترکیب نسبت به آب
• قابلیت ترکیب با هرنوع سیمان
• تحمل حرارت بالا و گرما به دلیل داشتن نقطه جوش و ذوب بالا

مشخصات فنی نانو سیلیس 

نانو سیلیس از ذرات کریستالی دانه‌ریز با رنگی سفید و شفاف تهیه شده‌ است. اندازه هردانه نانوسیلیس کمتر از 100 نانومتر بوده و به دو صورت جامد و مایع در بسته‌بندی‌هایی با وزن‌های مختلف عرضه شده است. نانوسیلیس مایع را تنها می‌توان برای مدت 1 سال در بسته بندی اولیه خود و به دور از تابش مستقیم نور خورشید و سرما و یخبندان نگهداری کرد. اما نانو سیلیس جامد به مدت 3 سال قابل نگهداری است. توجه داشته باشید که در این بازه‌های زمانی، محصول کارایی و کیفیت اولیه خود را حفظ خواهد کرد.
نانو سیلیس به هیچ عنوان ماده اشتعال‌زایی نیست، اما به دلیل ترکیبات شیمیایی که در ساختار خود دارد، نباید در تماس با پوست انسان قرار بگیرد. و در صورت تماس، باید دست و صورت را با آب و مواد شوینده به صورت کامل شست.

ذرات نانو سیلیس که با نام ذرات نانو سیلیکا نیز شناخته شده است، از جمله مواد افزودنی کاربردی محسوب می شود که به منظور افزایش مقاومت و استحکام ترکیبات گوناگون در صنایع مختلف همچون صنعت تولید بتن مورد استفاده قرار می گیرد.

امروزه نانو سیلیس به سه صورت ژل، کلویید و پودر مورد استفاده قرار می گیرد که هر کدام کاربرد مختص به خود را دارند. این محصول شیمیایی در ساختار خود یک عدد عنصر سیلیسیوم با نماد شیمیایی Si و دو عدد عنصر اکسیژن با نماد شیمیایی O دارد و فرمول شیمیایی آن به صورت SiO2 می باشد.

در رابطه با نقطه ذوب و جوش ذرات نانو سیلیس نیز می توان گفت که در دمایی معادل ۱۶۰۰ درجه سانتی گراد به نقطه ذوب خود می رسد و در دمایی معادل ۲۲۳۰ درجه سانتی گراد به نقطه جوش خود می رسد.

کاربردهای نانو سیلیس:

ذرات نانو سیلیس، دارای ساختاری متخلخل هستند که به علت این نوع ساختار خاص، کاربردهای متعددی در صنایع گوناگون دارند. در ادامه به شرح برخی از کاربردهای اساسی این محصول می پردازیم:

در صنایع شیمیایی و پلیمر

• لاستیک و پلاستیک: به عنوان پرکننده، استحکام و مقاومت سایشی را افزایش می‌دهد (مثل تایرهای سبز).
• رنگ و پوشش: ویسکوزیته را تنظیم و چسبندگی را بهبود می‌بخشد.
• عایق‌: قابل استفاده در عایق های حرارتی و الکتریکی با تحمل دمای بالا.

در پزشکی و داروسازی

نانو سیلیس متخلخل برای حمل دارو (مانند ایبوپروفن) استفاده می‌شود، زیرا میزان رهش دارو را کنترل می‌کند. در تصویربرداری MRI و ترمیم بافت نیز کاربرد دارد.

نانو سیلیس در صنعت ساخت بتن:

به طور کلی بتن از جمله رایج ترین مواد مورد استفاده در صنعت ساخت و ساز می باشد و امروزه در سازه های بسیاری نظیر سدها، کانال های آب، تونل ها و… مورد استفاده قرار می گیرد.

برای ساخت بتن هایی با مقاومت بالا و طول عمر بیشتر، از ذرات نانو سیلیس استفاده می شود. بتن ها در سطح های بزرگ و وسیع مورد استفاده قرار می گیرد که می تواند عایقی بسیار خوب در برابر گرما و جریان الکتریکی باشد.

نانو سیلیس در صنعت لاستیک سازی:

از ذرات نانو سیلیس در ساخت و تولید انواع لاستیک استفاده می شود‌. در واقع از این ذرات به عنوان نوعی پر کننده مورد استفاده می شود. نانو سیلیس می تواند به افزایش طول عمر مفید لاستیک ها کمک کند و همچنین با محیط زیست رابطه خوبی دارد.

نانو سیلیس در صنعت تولید عایق:

عایق های گوناگونی وجود دارد که هر کدام کاربرد مختص به خود را دارند. برخی از عایق ها وجود دارند که در برابر نفوذ حرارت و یا جریان الکتریسته از خود مقاومت نشان می دهند. نانو سیلیس در واقع جزو مواد اولیه سازنده این دسته از عایق ها می باشد.

نانو سیلیس در صنعت تولید رنگ:

از دیگر کاربردهای ذرات نانو، می توان به استفاده از آن در صنعت تولید رنگ اشاره کرد. در واقع این ذرات به شکل های گوناگون در این صنعت به کار گرفته می شود که می تواند به افزایش میزان غلظت، افزایش مقاومت و… اشاره کرد. همچنین این ماده برای تولید انواع پوشش ها استفاده می شود‌.

سایر کاربردها

• ریخته‌گری: کاهش نقص در قالب‌گیری فلزات.
• محیط زیست: تصفیه آب و جذب آلاینده‌ها.
• الکترونیک: در باتری‌ها و سنسورها.

مثال موردی:

در پروژه پل بروکلین، استفاده از نانو سیلیس دوام سازه را ۳۰ سال افزایش داد.

تأثیر نانو سیلیس بر مقاومت بتن

بتن معمولی از سیمان، آب، شن و ماسه تشکیل شده، اما نانو سیلیس با پر کردن منافذ نانویی، ساختار را بهبود میدهد. مکانیسم اصلی، واکنش پوزولانی است:

SiO₂ + Ca(OH)₂ → C-S-H

که کریستال‌های کلسیم هیدروکسید ضعیف را به ژل مقاوم تبدیل می‌کند.

تأثیرات کمی

• مقاومت فشاری: افزایش ۲۰-۵۰% در ۲۸ روز (غلظت ۱-۴%).
• مقاومت کششی: تا ۴۰% بهبود.
• دوام: کاهش نفوذ کلرید تا ۶۰%، افزایش مقاومت در برابر سولفات و انجماد یا ذوب.

جدول ۲: داده‌های تجربی بر اساس مطالعه Journal of Materials in Civil Engineering ۲۰۲۳

نحوه استفاده

بهتر است نانو سیلیس پودری با مواد خشک مخلوط شود. مقدار بهینه توسط آزمایشگاه تعیین می‌شود (معمولاً ۱-۵% وزن سیمان). چالش در این جا پراکندگی یکنواخت برای جلوگیری از کلوخه‌شدن می باشد.

مطالعات موردی

در چین، بتن با استفاده از ۲% نانو سیلیس، عمر سازه را می توان تا ۵۰ سال افزایش داد.

مزایا و معایب نانو سیلیس

مزایا

• افزایش مقاومت مکانیکی و شیمیایی.
• کاهش تخلخل و نفوذپذیری.
• سازگاری با انواع سیمان‌های مختلف.
• پایداری زیست‌محیطی (زیرا این ماده از ضایعات تولید شود).
• هزینه بلندمدت کم به دلیل ایجاد دوام بالا برای سازه.

معایب

• هزینه اولیه: ۲-۳ برابر میکروسیلیکا.
• چالش‌های اختلاط: نیاز به اختلاط اولتراسونیک برای پراکندگی.
• اثرات سلامتی: ایجاد گرد و غبار قابل استنشاق و مضر برای بدن
• زیست‌محیطی: تولید صنعتی ممکن است گاز CO₂ منتشر کند، هرچند روش‌های سبز در حال توسعه می باشند.
• حساسیت به رطوبت: نوع هیدروفیل در محیط مرطوب کلوخه می‌شود.

برای غلبه بر معایب، اصلاح سطح و بهینه‌سازی فرمولاسیون پیشنهاد می‌شود.

ایمنی، نگهداری و نتیجه‌گیری

ایمنی و نگهداری

نانو سیلیس غیراشتعال‌زا است، اما در صورت تماس با پوست یا چشم نیاز به شستشو دارد. در محیط کار، از تهویه مناسب استفاده شود.

نگهداری: پودر تا ۳ سال در جای خشک؛ ژل تا ۱ سال دور از نور و سرما.

نتیجه‌گیری

نانو سیلیس با خواص برتر خود، آینده مواد پیشرفته را شکل می‌دهد. در بتن، نه تنها مقاومت را افزایش می‌دهد، بلکه به پایداری نیز کمک می‌کند. تحقیقات آینده بر کاربردهای هوشمند (مانند بتن خودترمیم) تمرکز دارد.