نانو بتن اليافي با هدايت گرمايي بالا و طراحي و پياده سازي سيستم

  خودكار مونيتورينگ حرارت سطح جاده ها

 خلاصه:

  این طرح موفق به اخذ گواهینامه ثبت اختراع از سازمان ثبت اسناد کشور در تیر ماه سال 1386 گردید. و باحضور در مسابقات جهانی ابتکارات و اختراعات که در کشور رومانی باشرکت مخترعین 42 کشور جهان برگزار شد،  توانست  مدال طلای وزارت علوم کشور رومانی و نیز  جایزه ویژه هیئت داوران به عنوان بهترین تحقیق علمی را به خود اختصاص دهد.

و همچنین  طرح نانو بتن گرمازا مورد توجه وزیر راه و ترابری و دست اندر کاران صنعت حمل و نقل قرار گرفت. و موفق به دریافت لوح تقدیر از جناب آقای مهندس رحمتی وزیر محترم راه و ترابری گردید.

و هم اکنون دو قرارداد برای اجرا در گردنه های برف گیر کوهین باس وزارت راه منعقد شده است.

مقدمه:

 امروزه امنيت سطوح جاده هاي كشور از جمله مسائل  مطرح صنعت حمل و نقل  در پيشگيري از بروز حوادث و سهولت در عبورو مرور و كنترل ترافيك مي باشد.

يخ زدن سطح جاده ها و باند فرودگاه ها در زمستان مشكلات زيادي را براي  صنعت حمل و نقل كشور ايجاد مي كند كه از آن جمله مي توان به حوادث جاده اي و كندي سرعت حركت و هزينه هاي نمك پاشي، نگهداري راه ها و... در جاده ها و به مختل شدن پروازها در فرودگاه ها اشاره كرد.

طرح حاضر بيانگر  ساخت بتني هوشمند با استفاده از نانو مواد و الياف فلزي مي باشد كه توانايي هدايت حرارتي بالايي  دارد و مي تواند گرماي ايجاده شده  داخلي را به راحتي به سطح منتقل كرده و با استفاده از حسگرهاي حرارتي كه در نزديكي سطح بتن قرار گرفته اند همچنین دستگاه كنترل كننده دما ، ميزان دماي  بتن را در اندازه مورد نظر ثابت نگاه دارد. در ادامه به معرفي طرح و نتايج آزمايشگاهي آن پرداخته مي شود و در انتها اهميت و كاربرد طرح نامبرده در صنعت ذكر خواهد شد.

  آماده سازي آزمايشگاهي :

سه روش اصلي براي آزمايش هدايت گرمايي وجود دارد:

1- روش دو خط موازي(TLPP) : اين روش توسط "كارسلا" ابداع شده است و معروف ترين آزمايش در زمينه اندازه گيري هدايت گرمايي مي باشد كه در اين روش دو لوله در داخل نمونه جايگزاري مي شود كه يكي در نقش منبع حرارتي و ديگري به عنوان سنسور حرارتي مطرح مي شود.

2- روش حرارت- صفحه صاف- منبع (PHS) :اساس روش دوم شبيه روش اول است فقط بايد نمونه به صورت نازك بريده شود ويك ميله با چسب اپوكسي به محلهاي مناسب چسبانده شود.

  3-روش CRCC                                                                                  

در اين طرح براي بدست آوردن ضريب حرارتي بتن، دستگاهي طراحي وساخته شده است  كه حسگرهاي موجود در اين دستگاه مي تواند در هر 30 ثانيه ميزان هدايت گرمايي بتن را اندازه گيري كند . به همين علت دستگاه مذكور براي مصالحي كه هدايت گرمايي آنها به شدت به دما بستگي دارد مناسب مي باشد.خطاي اين دستگاه حدود 1%مي باشد و با توجه به اين كه هدايت گرمايي بتن معمولي حدود  3Kcal/m hr C  است مي توان گفت خطاي دستگاه كمتر از0.03Kcal/m hr C  مي باشد.

روش كار اين دستگاه به اين صورت است كه يك منبع حرارتي در بتن قرار داده مي شود و يك حسگر دما  در فاصله مشخص از آن در درون بتن قرار مي گيرد بعد از اينكه منبع حرارت شروع به توليد گرما مي كند حسگر هر 30 ثانيه دماي بتن را اندازه گرفته و به رايانه انتقال مي دهد  و در هر درجه اي از دما، مقدار هدايت گرمايي بتن را اندازه ميگيرد و در پايان نمودار حرارتي بتن را ترسيم مي كند.

 مواد و مصالح:

سيمان : سيمان مورد استفاده در اين طرح از نوع سيمان پرتلند تيپ 2 كه توسط كار خانه سيمان آبيك توليد شده است مي باشد. در حالت كلي رسانايي حرارتي سيمان پرتلند حدود0.26Kcal/m hr C  است .

 دانه بندي:

به علت اينكه در اين پروژه رسانايي گرمايي بالاي بتن مد نظر بود از سنگدانه كوارتز كه هدايت گرمايي بالايي در ميان مصالح سنگي  داراست استفاده شد. 

 خاكستر بادي و سر باره آهن به عنوان جايگزين سيمان استفاده شد وهمچنين از فوق روان كننده براي كاهش آب استفاده گرديد.    

 براي بهبود خواص رسانايي گرمايي و بررسي اثرات نانو مواد بر روي بتن ازسه نوع نانو مواد  استفاده گرديده است.

Titanium Oxide (TiO₂)

Purity: 99.99%

APS: 50 nm

SSA: 210 10 m²/g

Color: white

Morphology: spherical

Bulk density: 0.15 - 0.25 g/cm³

True density: 3.9 g/cm³

 Iron Oxide (Fe₂O₃)

Purity: 99.9%

APS: 30 nm

SSA: > 50 m²/g

Color: red brown

Morphology: spherical

Bulk density: 1.20g/cm³

True density: 5.24 g/cm³

 Aluminum Oxide (Al₂O₃, alpha)

(contains 5-10% theta)

Purity: 99.99%

APS: 30 nm (TEM)

SSA: ~25 m²/g

Color: white

Morphology: spherical

Bulk density: 0.52 g/cm³

True density: 3.97 g/cm³

 الياف فلزي :

    الياف فلزي به علت افزايش در هدايت گرمايي و بالا بردن مقاومت فشاري و خمشي و كششي بتن به آن افزوده مي شوند . همچنين مقاومت حرارتي  بتن را در مقابل تغييرات دماي اعمال شده بهبود مي بخشند.

 آماده سازي نمونه ها:

در اين طرح به طور كلي ازدو نوع نمونه ي استوانه اي و صفحه اي استفاده شده است. كه در ابتدا به منظور بررسي عوامل مختلف از جمله نوع دانه بندي ، جنس سنگدانه ، انواع نانو مواد و فيبرهاي فلزي بر روي هدايت گرمايي بتن از نمونه هاي استوانه اي استفاده شد و در نهايت 3 طرح برگزيده از مرحله اول به صورت نمونه هاي صفحه اي با ابعاد 50*50*10cm به منظور تطبيق با فرم هندسي سطح راه و باند فرودگاه تهيه و مورد بررسي قرار گرفت. قالب  نمونه هاي مذكور در سن 1 روزه باز شدند و نمونه هاي 7 روزه تحت آزمايش هاي مقاومت فشاري ،مقاومت خمشي، جذب آب و هدايت گرمايي(CRCC) قرار گرفته اند.در اين طرح  نمونه ها به 2 دسته خشك و مرطوب تقسيم شده و آزمايش هاي هدايت گرمايي برهر 2 دسته انجام پذيرفته است.

 متغيرهاي آزمايش و نسبتهاي اختلاط:

به منظور بررسي اثر نانو مواد بر افزايش گرمازايي و هدايت گرمايي بتن 4 نوع نانو مواد شاملAL2O3،FE2O3،TIO2،SIO2 به عنوان متغيرهاي اصلي در نظر گرفته شده و به منظور توزيع يكنواخت هدايت گرمايي و افزايش مقاومت حرارتي و كششي در پيكره بتن از فيبرهاي فلزي استفاده شده كه نوع فيبرها و نسبت وزني آنها در توده بتن به عنوان متغيرهاي ثانويه در نظر گرفته شده  است.هچنين  خاكستر بادي به عنوان ماده جايگزين سيمان جهت افزايش پايايي بتن به كار برده شده است و مواردي چون جنس سنگدانه ودانه بندي و شرايط رطوبتي نيز به عنوان متغيرهاي طرح در نظر گرفته شده اند.

 نتايج آزمايشگاهي:

 وابستگي هدايت گرمايي به زمان:

براي پيدا كردن اثر سن نمونه بر رسانايي گرمايي يكسري از نمونه هاي 3-7-14-28 روزه در دماي20 ^oC در حالت اشباع آزمايش شدند. هدايت گرمايي بتن به سن نمونه بستگي ندارد.

به منظور تعين تغيرات ناشي از نسبت آب به سيمان در هدايت گرمايي بتن آزمايش هايي ازخميرهاي بتن در شرايط رطوبتي وحرارتي مختلف به عمل آمد.به علت اينكه تغير در مقدار سنگدانه و جنس آن به مقدار سيمان آن مرتبط است لذا از خمير بتن به جاي بتن سخت شده براي اندازه گيري وابستگي گرمايي به نسبت آب به سيمان استفاده شد.نتايج آزمايش نشان مي دهد كه با افزايش مقدار سيمان و كاهش نسبت آب به سيمان هدايت گرمايي افزايش پيدا مي كند تا آنجا كه هدايت گرمايي سيمان بيشتر از هدايت گرمايي آب شود.

 اثر افزودنيها بر هدايت گرمايي بتن:

 جايگزيني سيمان با خاكستر بادي و سر باره آهن باعث افت هدايت گرمايي و افزايش پايايي بتن مي شود كه به كار گيري ميزان بهينه شده ازاين مواد مي توان دوام و پايايي را افزايش داد.

وابستگي هدايت گرمايي به نسبت ريزدانه:

با تغيير نسبت ريزدانه از كل مقدار سنگدانه اندازه گيري هدايت گرمايي در 4 گروه از نمونه ها به عمل آمد .يك افزايش كوچك در مقادير هدايت گرمايي با توجه به نسبت ريزدانه ها وجود دارد، اين روند افزايش به اين علت است كه هدايت گرمايي ريزدانه ها بيشتر از درشت دانه ها مي باشدو علت آن اين واقعيت است كه ريز دانه ها باعث توزيع يكنواخت سنگدانه ها در مخلوط بتن مي شوند .

اثر دما بر هدايت گرمايي:

اثر دما بر هدايت گرمايي  بتن اندازه گيري شد و اين نتيجه حاصل شد كه هدايت گرمايي بتن با افزايش دماي نمونه كاهش مي يابد .

شرايط رطوبتي نمونه به عنوان يك عنصر كليدي در تمام پارامتر هاي مواد مطرح مي باشد. هنگامي كه شرايط نمونه از حالت كاملا خشك به حالت كاملا اشباع تغيير پيدا مي كند هدايت گرمايي بتن افزايش مي يابد.  زيرا خلل و فرج بتن در اين حالت توسط آب پر مي شود و هدايت گرمايي آب بيشتر از هوامي باشد.

تاثير نانو مواد بر هدايت گرمايي:

 در ميان نانو هاي استفاده شده در اين طرح بيشترين تاثير افزايش هدايت گرمايي بتن مربوط به Tio2  مي باشد. با افزايش درصد استفاده از نانو مواد هدايت گرمايي بتن افزايش مي يابد. در واقع پر شدن فضاي خالي ميكروسكوپي بين سنگدانه ها توسط نانو مواد باعث افزايش هدايت گرمايي بتن مي شود.

تاثير الياف فلزي بر هدايت گرمايي بتن:

استفاده از الياف فلزي در بتن باعث افزايش هدايت گرمايي و خاصيت پخش گرمايي در بتن مي شود. همچنين الياف فلزي سبب بهبود خواص مكانيكي بتن از جمله افزايش مقاومت فشاري و  كششي  ميشود. ومانع ايجاد ترك هاي حرارتي ميشود.

 اثر اندركنش فيبر و نانوبر افزايش هدايت گرمايي بتن:

 در واقع نانو باعث افزايش گرمازايي و هدايت گرمايي و فيبر هاي فلزي باعث افزايش خاصيت پخش گرمايي بتن مي شوند.

نتيجه گيري:

در ميان تمامي عوامل تاثير گذار بر روي هدايت الكتريكي ، مشاهده نتايج آزمايشات نشان داد كه افزايش نانو مواد سبب بهبود هدايت گرمايي بتن مي شود .از طرفي با اضافه كردن 1.7% الياف فلزي به مخلوط بتن مي توان هدايت گرمايي و خاصيت پخش گرمايي بتن را افزايش داد .همچنين پارامتر سن نمونه تاثير چنداني بر هدايت گرمايي بتن ندارد.و نیز در اين طرح دستگاه اندازه گيري هدايت گرمايي با نام CRCC طراحي و ساخته شده است كه توانايي اندازه گيري و كنترل دماي بستر راه  را با دقت    % 1 دارد .

 كاربرد در صنعت:

با توجه به هزينه گزاف نگهداري راه  در مناطق سردسير كشور و همچنين اثرات سوء زيست محيطي نمك پاشي سطح راه در مناطق با خطر يخبندان ، اهميت جايگزين كردن روشهاي سنتي را با روشي نوين و پيشرفته دو چندان مي كند.با استفاده از طرح معرفي شده مي توان با استفاده از منبع گرمايي موجود در بتن دماي آن را در مناطقي كه خطر يخبندان وجود داردافزايش داد و از يخ زدن بستر سطح راهها جلوگيري كرد. و به وسيله سنسورهاي حساس به دما كه در نزديكي سطح كار گذاشته شده اند در هر لحظه دماي سطح را اندازه گيري كرد وبه صورت خودكار درجه حرارت سطح را توسط دستگاه كنترل كننده (كه در مركز تحقيقات بتن طراحي و ساخته شده است) ثابت نگه داشت و از طريق يك شبكه هوشمند در هر لحظه از وضعيت خطر يخ زدگي بستر راه آگاه شد.همچنين چون در كشور ما به  طور گسترده اي از روش نمكپاشي در سطح جاده استفاده ميشود و روش مذكور در دماي پايين تر از 12- بي تاثير مي باشد،لذا استفاده از روش فوق يعني جايگزيني بتن گرمازا در نواحي حادثه خيز همانند گردنه هاي خطر ناك ، ايستگاههاي عوارضي و همچنين باند فرود گاهها مي تواند از بسياري از حوادث و تصادفات ناشي از برودت هوا و شرايط يخبندان سطح جاده ها جلوگيري  كند . همچنين بسياري از هزينه هاي نگهداري راهها در مناطق سرد سير همانند هزينه هاي خريد و تعمير و نگهداري ماشين آلات نمكپاشي و هزينه  استهلاك آنها كاسته خواهد شد  علاوه بر اين ديدگاه طرح نامبرده در مكانيزه كردن صنعت حمل ونقل و نگهداري راهها مي تواند گامي روشن درجهت پيشرفت و توسعه پايدار كشور باشد.