ملخص تنفيذي
تُمكّن تقنية النانو من تطوير أرصفة ذاتية الإصلاح ومواد رابطة محسّنة، مما قد يُحدث ثورة في عمر الطرق. تُعدّ ألياف السيليكا النانوية والسليلوز النانوية فعّالة للغاية في تعزيز الترميم الذاتي للتشققات الدقيقة في المواد الأسمنتية. يوفر مُضاف رينوليث طريقةً تجاريةً مُتاحةً ومُثبتة الفعالية لتوزيع ألياف السيليكا النانوية والسليلوز النانوية غير المُتكتلة بكفاءة في جميع أنحاء المادة، مما يُسهّل عملية الترميم الذاتي.
المواد النانوية في الطرق
في الفترة 2016-2017، قام برنامج الابتكار البحثي للطرق في غرب أستراليا (WARRIP) بدراسة استخدام تقنية النانو في تطبيقات رصف الطرق. مراجعة واريب لتقنيات رصف الطرق المستقبلية وجد:
حتى الآن، قيّمت دراسات عديدة خاصية الترميم الذاتي باستخدام عدد من المواد النانوية. وتشير النتائج إلى أن هذه المواد لديها القدرة على سد الشقوق الدقيقة، وبالتالي منع انتشار الشقوق الكبيرة.
…
تتمتع تقنية النانو بإمكانية تحسين خصائص المواد ومتانة وأداء الأرصفة.
…
تقنية النانو يفتح الباب لـ أرصفة ذاتية الإصلاح ومواد رابطة محسّنة والذي قد يكون تغييرات جوهرية في إطالة العمر ولاية واشنطن لدينا الطريق. وهذا بالتأكيد يستدعي إجراء بحوث على تطبيقات واسعة النطاق لمعرفة ما إذا كان من الممكن تحقيق نتائج النطاق النانوي في تطبيقات واسعة النطاق.
المواد النانوية والترميم الذاتي
في مراجعة علمية تلخص تأثير المواد النانوية على خصائص المواد الأسمنتية في حالتها الطرية والمتصلبة والمتانة, قام شايان علي خان وآخرون بتلخيص مجموعة كبيرة من الأدلة المتعلقة بتأثيرات المواد النانوية على الشفاء الذاتي؛ مقتطفات منها أدناه:
4.6. مركبات أسمنتية ذاتية الإصلاح قائمة على المواد النانوية
ال الشفاء الذاتي تُعدّ القدرة على استخدام مواد البناء القائمة على الأسمنت (CBMs) أمرًا حيويًا لضمان استدامة منشآت الهندسة المدنية، لأنها تُسهم بشكل فعال في ذلك. يمنع تشكيل تشققات دقيقة بسبب عوامل مثل انكماش التجفيف و الضغوط الخارجية [147عند تعرضها للرطوبة، تخضع مواد البناء المركبة لتفاعلات كيميائية تُؤدي إلى تكوين هلام سيليكات الكالسيوم المائي (C─S─H)، مما يُغلق بفعالية أي شقوق داخل المادة. في حالة الترميم الذاتي، يُمكن استخدام مواد نانوية، مثل نانو سيليكات الصوديوم (nanoSiO₂).2, ، يحفز عملية الشفاء الذاتي من خلال العمل كمواقع تنوية لتكوين هلامات C─S─H.
…
وينغوي وآخرون [149أفاد [المصدر] بأن دمج نانو-SiO2 يعزز ال الشفاء الذاتي كفاءة المادة من خلال آليتين رئيسيتين: ترسيب كربونات الكالسيوم (CaCO3).3) وتكوين C─S─H.
…
مقدمة الألياف النانوية يعمل في الأسمنت والخرسانة كـ الشفاء الذاتي الفعال طريقة تؤدي إلى تقليل عرض الشقوق، عن طريق السماح لمنتجات التميؤ وكربونات الكالسيوم (CaCO3)3) لتستقر على أسطحها. تساعد تقنية الترسيب هذه على إغلاق الشقوق داخل المادة وسدها، مما يحسن السلامة الهيكلية وطول العمر [152].
رينوليث والشفاء الذاتي
استُخدم منتج رينوليث في أكثر من 70 مليون متر مربع من طبقات الأساس للرصف المُثبَّتة بالأسمنت. ولم يتم الإبلاغ عن أي تشققات.‘خالٍ من الشقوق’يمكن تفسير سلوك المادة إلى حد كبير بالخصائص المحسّنة التي اكتسبتها، ولا سيما انخفاض انكماش الجفاف، وزيادة مقاومة الانحناء، وتحسين معامل المرونة، وزيادة حد الإجهاد. وقد خضعت الخصائص المحسّنة للمواد الأسمنتية (CBMs) التي تم الحصول عليها باستخدام مادة رينوليث المضافة لعشرات الدراسات. ومع ذلك، لم يتم بعد توصيف جوانب التئام المنتج ذاتيًا في المراجع التقنية.
من الناحية الكيميائية،, مزيج رينوليث 2.0 هو معلق غرواني يتكون من مستحلب لاتكس وتشتت غرواني مستقر لجزيئات السيليكا النانوية غير المتكتلة وألياف السليلوز النانوية. ونظرًا لخصائص التئام السيليكا النانوية والألياف النانوية المذكورة في الأدبيات التقنية العامة، فمن المنطقي أن يعزز رينوليث التئامًا ذاتيًا وذاتيًا لهياكل البناء القائمة على الكربون.
السليلوز النانوي والسيليكا النانوية – دورهما في التئام الجروح ذاتيًا
طرحنا هذا السؤال على شركة بيربلكسيتي للذكاء الاصطناعي: ما هو دور السيليكا النانوية والسليلوز النانوي في عملية الإصلاح الذاتي للمواد الأسمنتية؟وكان الرد كما يلي:
تلعب السيليكا النانوية والسليلوز النانوي أدوارًا مهمة في تعزيز خصائص الإصلاح الذاتي للمواد الأسمنتية:
السيليكا النانوية
تساهم السيليكا النانوية في خاصية الترميم الذاتي للخرسانة من خلال:
- تحسين البنية المجهرية للخرسانة عن طريق تحسين بنية المسام في الأطوار المائية[1].
- تحسين الخصائص العامة للخرسانة، بما في ذلك قدراتها على الإصلاح الذاتي[1].
- يعمل كعامل أساسي للشفاء الذاتي عند تغليفه بمواد أخرى مثل السليلوز النانوي[2].
السليلوز النانوي
تعمل السليلوز النانوية على تعزيز خاصية التئام المواد الأسمنتية ذاتيًا من خلال:
- زيادة كثافة الخرسانة وقوتها مع تقليل إجهاد الانكماش[3].
- تحسين ترطيب الأسمنت بفضل خصائص سطحه المحبة للماء[4].
- تكوين روابط هيدروجينية بين السليلوز النانوي ومصفوفة الأسمنت، مما يسهل الالتصاق بشكل أفضل[4].
- إنشاء قنوات بين جزيئات الأسمنت غير المتفاعلة ومحاليل المسام، مما يزيد من درجة الترطيب[4].
- تعمل كنواة لمنتجات ترطيب الأسمنت، وتملأ المسام لإنشاء بنية دقيقة متراصة[1].
- التحكم في تطور الشقوق الدقيقة بسبب شكل جزيئاتها[1].
عند دمجهما، يمكن للسيليكا النانوية والسليلوز النانوي أن يعملا بتآزر لتعزيز خصائص الترميم الذاتي للخرسانة. على سبيل المثال، استُخدم السليلوز النانوي المستخلص من فاكهة الدوريان (DNC) واليوريا فورمالدهيد (UF) لتغليف السيليكا، مما أدى إلى تكوين مركب (DNC-UF@SiO2) أظهر أداءً ميكانيكيًا أفضل وامتصاصًا أقل للماء مقارنةً بـ SiO2 المغلف باليوريا فورمالدهيد وحده.[2]. أظهرت هذه المادة ذاتية الإصلاح المغلفة والمدمجة في الخرسانة إمكانات كبيرة في الإصلاح، متجاوزة بذلك العينات الضابطة.[2].
يمكن أن تؤدي إضافة هذه المواد النانوية إلى تحسين الخصائص الميكانيكية، وتحسين قدرات سد الشقوق، وتعزيز المتانة طويلة المدى للمواد الأسمنتية.
خاتمة
تُمكّن تقنية النانو من تطوير أرصفة ذاتية الإصلاح ومواد رابطة محسّنة، مما قد يُحدث ثورة في عمر الطرق. تُعدّ ألياف السيليكا النانوية والسليلوز النانوية فعّالة للغاية في تعزيز الإصلاح الذاتي للتشققات الدقيقة في المواد الأسمنتية. يتوفر منتج Renolith 2.0 تجاريًا، ويُقدّم طريقة مُثبتة لتوزيع ألياف السليلوز النانوية والسيليكا النانوية غير المتكتلة بكفاءة في جميع أنحاء المادة باستخدام أساليب البناء التقليدية، مثل التثبيت الموضعي. يُوفّر هذا نهجًا عمليًا لتسهيل الإصلاح الذاتي التلقائي للأرصفة. يتطلب الأمر إجراء المزيد من البحوث لفهم آلية الإصلاح الذاتي لمادة Renolith 2.0 المضافة بشكل أفضل، وذلك عند استخدامها مع مواد رابطة أسمنتية ومواد رصف مختلفة.