Nanoteknoloji, maddenin yaklaşık 1 nm ile 100 nm arasındaki boyutlarda anlaşılması ve kontrol edilmesiyle ilgili gelişmekte olan bir bilim alanıdır. Nanoteknoloji, nano ölçekte yani moleküler düzeyde malzeme özelliklerinde kontrol ve müdahaleye izin verir. Nanoteknoloji, nano ölçekte maddenin görüntülenmesi, ölçülmesi, modellenmesi ve değiştirilmesini içeren bilim, mühendislik ve teknolojiyi kapsamaktadır.
Hâlâ temel araştırma düzeyinde olmasına rağmen betonun bazı özelliklerinin iyileştirilmesi konusunda son derece cesaret verici sonuçlar elde edilmiştir. Bunlar:
Mekanik ve elektrokimyasal özellikler (dayanım, süneklik, elektriksel iletkenlik, korozyon önleme)
Dürabilite (su geçirimsizlik)
Yüzey kaplamalarının uygulanmasıyla donatı yüzeyinin korunması (nanomodifiye takviye)
Beton teknolojisi (işlenebilirlik)
Uzun vadeli bakım ve izleme (mikro çatlakların kendi kendine iyileşmesi, nem, sıcaklık ve gerilme gibi parametreleri inceleme ve tespit etme yeteneği)
Dünyadaki en yaygın kullanılan malzeme olan beton, nano yapılı ve çok fazlı kompozit bir malzemedir. Beton, nanometre ile mikrometre arası boyutlarda kristallerden oluşan amorf fazdan ve bağlanmış sudan oluşur. Betonun özellikleri ve bozulma mekanizmaları, her bir ölçeğin özelliklerinin bir sonraki daha küçük ölçeğin özelliklerinden türediği çoklu uzunluk ölçeklerinde (nano-mikro-makro) bulunur. Betonun nano mühendisliği, (a) katı fazlarda, (b) sıvı fazlarda veya (c) sıvı-katı ve katı-katı arasındaki ara yüzler gibi üç konumdan birinde veya daha fazlasında gerçekleşir.
Beton malzemelerin mekanik davranışı büyük ölçüde mikro ve nano ölçekte etkili olan yapısal elemanlara ve olaylara bağlıdır. Çimentolu sistemlerde dayanım ve diğer özelliklerden sorumlu birincil bileşen olan kalsiyum silikat hidrat (CSH) fazının boyutu, birkaç nanometre aralığında yer almaktadır. CSH’ın yapısı, ara katman ve adsorbe edilmiş su ile doldurulmuş jel gözenekleriyle ayrılmış ince katı katmanlar ile kile çok benzemektedir. Bu, betonun performansı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir, çünkü beton yapısı plastik rötre (büzülme) ve dolayısıyla çatlaklara neden olan nem hareketine duyarlıdır.
Beton teknolojisinde nanoteknoloji kullanımı aşağıdaki önemli gelişmelere neden olabilecektir:
Mekanik ve dayanıklılık özellikleriyle ölçülen yüksek performanslı çimento ve beton malzemelerin geliştirilmesi;
Farklı olumsuz ortamlar için mühendislik yoluyla sürdürülebilir beton malzeme ve yapıların geliştirilmesi, çimento üretimi sırasında enerji tüketiminin azaltılması;
Nanoteknoloji tabanlı kendi kendini algılayan ve kendi kendine çalışan malzemeler ve siber altyapı teknolojilerinin entegrasyonu yoluyla akıllı beton malzemelerin geliştirilmesi;
Nanoteknoloji tabanlı yenilikçi çimentolar yoluyla yeni beton malzemelerin geliştirilmesi;
Betonun nano, mikro, mezo ve makro ölçekte gelişmiş karakterizasyonu ve modellemesi yoluyla beton için temel çok ölçekli modellerin geliştirilmesi.
Beton Nanoteknolojisinde Son Gelişmeler
Nanoteknoloji esaslı bazı ürünler, çözelti şeklinde nano malzemelerin eklenmesiyle betonun geçirgenliğini azaltmak için pazara girmiş durumdadır. Servis sırasında malzemenin performansındaki anlık iyileşme (renk kararlılığı, yüzeyde mantar oluşumuna karşı direnç, dayanıklılık) nedeniyle, bu ürünler yapısal ve mimari uygulamaları (beton bloklar, parke taşları, harçlar) hedeflemektedir. Bu alandaki muazzam gelişmenin şüphesiz inşaat sektörünü ve dolayısıyla çimento ve betonu da etkileyeceği tahmin edilmektedir. Gelişmelerden bazıları aşağıda belirtilmektedir:
Nano silika (SiO2): Nano-SiO2, yüksek saflıkta amorf silika tozundan oluşan malzemedir. Küçük parçacık boyutu nedeniyle, nano-SiO2 geniş özgül yüzey alanı, güçlü yüzey adsorpsiyonu, büyük yüzey enerjisi, yüksek kimyasal saflık ve iyi dağılım avantajlarına sahiptir. Beton yüzeyine nano-silika modifiyeli kaplama uygulanarak betonun karbonatlaşması engellenebilir. Bunun nedeni nano-SiO2 partiküllerinin betondaki mikroskobik kusurları ve ultraviyole ışınlarının polimer moleküllerine verdiği zararı azaltmasıdır. Belirli bir doz aralığında hidratlı kalsiyum silikat jelleri (C-S-H) ve ettrinjit kristalinin (AFt) kütlesi nano-SiO2 içeriğinin artmasıyla kademeli olarak artabilmektedir. Nano-SiO2‘in betona ilave edilmesi, geri dönüştürülmüş agregalı betonun gözenek yapısını optimize edebilir ve klorür iyonlarının difüzyon kapasitesini sınırlayabilir. Çimentolu sistemlere nano-SiO2 eklenmesi, betonun erken hidrasyonunu hızlandırabilir, bu da betonun erken dayanımını güçlendirmek için çok faydalıdır. Nano-SiO2 partiküllerinin eklenmesi mekanik özellikleri önemli ölçüde iyileştirmese de, klorür iyonlarının penetrasyonunu önemli ölçüde azaltabilir ve betondaki çelik çubukların korozyonunu önlemeye yardımcı olabilir. Yüzey koruma malzemeleri nano-SiO2 ve silis dumanı modifiyeli harç kullanılarak hazırlanabilir. Bu malzeme beton yüzeye kaplandığında beton iyi bir sızdırmazlık gösterir. Nano silika parçacıkları harç dayanımını arttırmada da etkilidir, çünkü nano-SiO2 sadece matristeki gözenekleri doldurmakla kalmaz, aynı zamanda puzolan reaksiyonunu teşvik etmek için aktivatör görevi görür. Betona uygun miktarda nano-SiO2 eklemek, ara yüz mukavemetini artırabilir ve gözenekleri iyileştirebilir, bu da betonun su geçirgenliğini etkili bir şekilde azaltabilir.
Elektrik ark fırınından elde edilen nanometre boyutundaki franklinit parçacıkları, Portland çimentosu ile yapılanlara kıyasla üstün beton dayanımı performansı göstermektedir.
Hidrofobik olan organo-modifiye montmorillonit parçacıkları çimento harcı ve betonun hem dayanımını arttırır ve hem de geçirgenlik katsayısını azaltır.
Nano Portland çimentosu, alev püskürtme sentezi ile üretilen kalsiyum silikat esaslı nanopartiküllere sahiptir. Geleneksel Portland çimentosuna kıyasla ilk reaktivitede on kat artış göstermektedir.
Karbon nanotüpler, çimento esaslı malzemelerde nano takviye olarak kullanılır. İyileştirdiği elastisite modülü ve çekme dayanımı ile olağanüstü dayanım performansı sağlar.
Nano gözenekli ince film, betonda ara yüzey geçiş bölgesini iyileştirmenin ve böylece betonun performansını arttırmanın etkili bir yoludur.
Kendi kendini iyileştiren polimerler, mikrokapsüllenmiş iyileştirici ajan ve katalitik kimyasal tetikleyici içerir. Çimento harcına eklenen bu polimer sayesinde beton mikro çatlakları kapanarak iyileşmektedir.
Titanyum dioksit nano partiküller, hızlı hidrasyon, yüksek hidrasyon derecesi ve kendi kendini temizleme (betonda) gibi harika özelliklere sahiptir.
Demir oksit nano partiküller, betonda basınç dayanımını arttırmak ve aşınmaya dayanıklılık için kullanılır.
Nanoteknoloji İhtiyacı
Nanoteknoloji, sadece malzeme özelliklerini ve işlevlerini geliştirmek için değil; aynı zamanda enerji tasarrufu bağlamında da düşünülmelidir. Kullanılan tüm enerjinin yüksek bir yüzdesi ısıtma, aydınlatma ve klima gibi uygulamalar tarafından ticari binalar ve konutlar tarafından tüketildiği için bu oldukça önemlidir. TiO2, Al2O3 veya ZnO nanopartikülleri, bu özelliği yüzeylere getirmek için seramik malzemelerde kullanılmaktadır. TiO2, UV ışığına maruz kaldığında kiri veya kirliliği parçalama ve ardından fayans, cam ve sıhhi tesisat gibi yüzeylerde yağmur suyuyla yıkanmasına izin verme yeteneği için kullanılmaktadır. ZnO, hem kaplamalarda hem de boyalarda UV direncine sahip olmak için kullanılmaktadır. Nano boyutta Al2O3 parçacıkları, yüzeyleri çizilmeye karşı dirençli hale getirmek için kullanılmaktadır. Bu yüzeyler aynı zamanda kötü koku, mantar ve küf oluşumunu da engeller.
Nanoteknoloji, daha iyi yalıtım özelliklerine sahip malzemelerin geliştirilmesine ve enerji kullanımını optimize edebilen akıllı yapılara imkân sağlayabilir.
Sonuç
Sürdürülebilir inşaatta nanoteknolojinin benimsenmesi konusunda önemli başarılar elde edilmektedir. Ancak, halen keşfedilecek çok şey bulunmaktadır. Sürdürülebilir inşaatta nanoteknoloji kapsamındaki gelişmeler, beton bileşenlerinin nanoskopik özelliklerine bağlı olan reoloji, dayanım ve dayanıklılık özelliklerinin iyileştirilmesini içermektedir.
Nanoskopik beton ve bileşen seviyesindeki herhangi bir değişiklik, dayanım ve dayanıklılık özellikleri de dâhil olmak üzere betonun davranışını etkiler. Bu nedenle, gelecekte beton ve sürdürülebilir yapı malzemelerinin performansının, bu malzemelerin atomlarını ve moleküllerini ve bileşenlerini nano ölçekte manipüle etmek için nanoteknolojinin uygulanmasıyla büyük ölçüde artırılacağı tahmin edilmektedir.
BetonveCimento.com için Patreon üzerinden destekte bulunmak ister misiniz?
İnş.Yük.Müh. olan Yasin Engin, lisans ve yüksek lisans eğitimini Boğaziçi Üniversitesi'nde tamamlamıştır. 16 yıldır beton ve çimento sektöründe çalışmaktadır. Web sitesindeki tüm yayınlar Yasin Engin tarafından paylaşım amacıyla hazırlanmıştır. Yayınlar kaynak gösterilerek kullanılabilmektedir.
(yasin.engin@gmail.com)
