سیمان و صنایع وابسته یکی از تولیدکنندگان بزرگ گازهای گلخانه ای بوده که 5 تا 8 درصد از کل گازهای گلخانه ای تولید شده توسط بشر را به خود اختصاص می دهند که این عامل یکی از اصلی ترین عوامل انگیزنده مهندسین برای تولید مصالح با کارایی و دوام بالا می باشد. انرژی خورشیدی سالانه حدود5×1024 ژول که 10,000 برابر کل انرژی مصرفی سالانه در جهان می باشد مهندسان و طراحان را ترغیب به ترکیب مصالح با دوام بالا با مواد پیشرفته در جهت کاهش هر چه بیشتر انرژی نموده است. نسل جدید از مصالح ساختمانی که به منظور برآورد این نیاز به وجود آمده اند مواد و مصالح فتوکاتالیست با دوام و عملکرد بالا می باشند که به سبب حضور عناصر با خاصیت فتوکاتالیستی دارای قابلیت خود تمیزشوندگی می باشند. کامپوزیتهای بر پایه سیمان، عمدتا در فرم بتن، موادی با محدوده گسترده ای از دانه بندی ها می باشند اما مهمترین عامل چسبندگی در آنها که همان ژل سیلیکات کلسیم هیدراته شده می باشد یک ماده نانو مقیاس طبیعی می باشد. بنابراین می توان گفت که عملکرد و کارایی این کامپوزیتها به میزان بسیار زیادی به واکنشهای شیمیایی و فیزیکی که در مقیاس نانومتری انجام می پذیرد بستگی دارد. نانو ذرات به دو دلیل عمده مورد توجه برای استفاده در بتن قرار گرفته اند که دلیل اول آن به قابلیت پرشدن منافذ نانومتری در ساختار این کامپوزیتها توسط این نانو ذرات و دلیل دوم به خواص کاملا متفاوت و نو که این مواد می توانند در قیاس با حالت بالک ارائه کنند بر می گردد. در این تحقیق اثر افزودن نانو ذرات اکسید قلع و اکسید منیزیم بر روی خواص مکانیکی و خود تمیزشوندگی در کامپوزیتهای پایه سیمان پرداخته می شود. آنالیزهای sem، edax،xrd و ft-ir بر روی نمونه ها انجام می شود تا اثر افزودن این نانو ذرات بر روی میکرو و نانو ساختار ماتریس زمینه و متعاقب آن تغییرات در مقاومتهای مکانیکی بررسی شود. خاصیت خود تمیزشوندگی در نمونه های حاوی نانو ذارت اکسید قلع با اندازه گیری قابلیت تجزیه یک رنگدانه آلی توسط این نمونه ها مورد بررسی قرار می گیرد. نتایج آزمونهای مقاومت مکانیکی افزایش بسیار چشمگیری را در مقاومتهای مکانیکی نمونه های حاوی نانو ذارت نشان می دهند که این مقاومتها در تمامی موارد به میزان چشمگیری از مقدار ثبت شده متناظر برای نمونه مبنا بیشتر می باشند. به عنوان مثال مقاومتهای فشاری 7 و 28 روزه ثبت شده برای نمونه های حاوی نانو ذارت اکسید منیزیم افزایش 103 و 80 درصدی را برای مقاومتهای در این سنین نشان می دهند. هدف این تحقیق همچنین بررسی اثر افزودن نانو پیگمنتهای سرامیکی بر مقاومت مکانیکی و خوردگی نمونه های در معرض محیطهای سولفات می باشد که نتایج آزمایشات متعدد خوردگی مقاومت بالای نمونه های حاوی نانو پیگمنتهای سرامیکی را نشان داده و همچنین نتایج آزمونهای مقاومت مکانیکی برای این نمونه ها با نشان دادن افزایش چشمگیر به نوعی نتایج مربوط به مقاومتهای خوردگی را نیز تایید می کنند.

عملکرد موفق دوده سیلیسی در بهبود قابل توجه خواص مکانیکی و دوام بتن باعث شده تا استفاده از مواد نانوسیلیسی در محصولات پایه سیمانی مورد توجه جدی محققین چه در سطح جهان و چه در داخل کشور قرار گیرد. خلوص نزدیک به 100 درصد مواد نانوسیلیسی در مقایسه با خلوص حدود 90 درصد دوده سیلیسی و همچنین سطح ویژه بالاتر این مواد که محدوده ای از 50 تا قریب به 1000 مترمربع برگرم را در بر میگیرد در مقایسه با سطح ویژه 20 مترمربع برگرم دوده سیلیسی سبب شده است تا عملکرد بسیار موثری از این ماده در ارتقاء خواص بتن مورد انتظار باشد. لیکن نتایج گزارش شده متنوع و در مواردی متناقض بوده و از عملکرد بسیار موثر تا عملکردهای پایین تر از دوده سیلیسی را شامل میشود. شایان توجه است که بر خلاف دوده سیلیسی که محصول جانبی صنایع تولید فروسیلیسیم میباشد، نانوسیلیس ها با روش های مختلف و با خواص متفاوت قابل تولید هستند و بنظر میرسد بخشی از تفاوت های گزارش شده توسط محققین در خصوص عملکرد نانوسیلیس ها در بتن ناشی از تفاوت در سطح ویژه و نوع این مواد باشد. با توجه به اینکه اثر تغییرات در خواص نانوسیلیس ها در عملکرد آنها در مواد پایه سیمانی قبلا به صورت منسجم موردبررسی قرار نگرفته بود تحقیق حاضر با هدف مشخص کردن تاثیر تغییرات در سطح ویژه دو نوع عمده از نانوسیلیس ها شامل نانوسیلیس های پایروژنیک و سل های نانوسیلیس روی عملکرد آنها در محصولات پایه سیمانی در مقایسه آنها با دوده سیلیسی انجام پذیرفت. نانوسیلیس های مورد مطالعه شامل نانوسیلیس های پایروژنیک aerosil 90، aerosil 200 و aerosil 300 با سطوح ویژه 90، 200 و 300 مترمربع برگرم و سل های نانوسیلیس شامل levasil100/45، levasil200/30 و levasil300/30 با سطوح ویژه 100، 200 و 300 مترمربع بر گرم بوده اند. مطالعات میکروسکوپی و بررسی های توزیع ابعادی نشانگر آن میباشند که نانوسیلیس های پایروژنیک در حالت کلوخه ای بوده و پخش موثر آنها در محیط های آبی با دشواری های بسیار همراه است. لیکن سل های نانوسیلیس دارای پخش مناسب به صورت ذرات مجزا و غیر کلوخه در محیط آبی میباشند. نتایج آزمایش های ترموگراویمتری روی خمیره های آهکی و سیمانی نشانگر سرعت واکنش پوزولانی بسیار سریع تر نانوسیلیس ها در مقایسه با دوده سیلیسی میباشد که با افزایش سطح ویژه سرعت واکنش آنها بیشتر میشود. ضمنا سرعت واکنش پوزولانی نانوسیلیس های پایروژنیک قدری بالاتر از سل های نانوسیلیس مشاهده گردید. همچنین نتایج نشانگر این هستند که نانوسیلیس ها اثر تسریع کنندگی بر هیدراسیون سیمان در سنین اولیه دارند اما با گذشت زمان سبب کاهش درجه هیدراسیون سیمان در مقایسه با نمونه های کنترل میگردند. برای سنجش تاثیر نانوسیلیس ها بر دوام و مقاومت مواد پایه سیمانی، آزمایش های مقاومت فشاری، مقاومت خمشی، نفوذ یون کلرید و جذب آب انجام پذیرفت. بر اساس نتایج حاصله هرچند نانوسیلیس های ریزتر دارای نرخ واکنش پوزولانی بیشتر در سنین اولیه نسبت به انواع درشت تر هستند، لیکن نانوسیلیس های درشت تر دارای عملکرد بهتر در بهبود شاخصه های دوام همچون محدود کردن نفوذ یون کلر میباشند. جالب است که دوده سیلیسی که به مراتب سرعت واکنش پوزولانی کندتری نسبت به نانوسیلیس ها دارد در سن 28 روز بهتر از نانوسیلیس های ریز عمل نموده و رفتار مشابهی با نانوسیلیس های درشت داشته و در سن 90 روز حتی از نانوسیلیس های درشت نیز پیشی گرفته است، همچنین مشاهده گردید که نانوسیلیس ها اثر تسریع کنندگی بر روند کسب مقاومت مخلوط های سیمانی دارند، هرچند در سن 28 روز از مقدار ارتقاء اولیه در مقاومت بصورت قابل توجه کاسته میشود. در سن 90 روز عملکرد اغلب نانوسیلیس ها ضعیف تر از دوده سیلیسی میباشد. لذا بنظر میرسد که تنها مزیت نانوسیلیس ها نسبت به دوده سیلیسی عملکرد سریع تر آنها در ارتقاء خواص بتن در سنین اولیه باشد.

امروزه بتن به دلیل مزایای قابل توجه آن یکی از پرکاربردترین مصالح ساختمانی در جهان شناخته شده است. لذا دوام بتن در محیطهای خورنده حائز اهمیت بوده و عمر مفید سازه های بتنی را به شدت تحت تاثیر قرار می دهد. کمیته aci-201 حملات شیمیایی را به شش قسمت اساسی تقسیم بندی نموده است که یکی از این قسمتها دوام بتن در محیطهای اسیدی می باشد. در این میان اسید سولفوریک یکی از مخربترین انواع اسیدها بوده که طبق گزارشهای منتشره تهاجم این اسید تنها به سیستم جمع آوری فاضلاب سالانه بیلیونها دلار خسارت به بار آورده است. گرچه جهت افزایش دوام بتن در برابر اسید سولفوریک تحقیقات زیادی انجام شده و مواد مقاوم از جمله پوششهای با عملکرد بالا و ملاتهای ویژه ارائه شده است ولی در خصوص بتن های معمولی تحقیقات کافی انجام نشده است لذا تحقیق در خصوص افزایش دوام بتن های معمولی در برابر اسید سولفوریک که همچنان مورد علاقه پژوهشگران می باشد به عنوان پایان نامه دکتری در نظر گرفته شده است. هشت طرح پایه شامل مخلوط حاوی سیمان پرتلند نوع دو و مخلوطهای حاوی تراس، پومیس، میکروسیلیس و پودر کوارتز به عنوان فیلر انتخاب شده و نمونه ها با استفاده از دانه بندی ایده آل بدست آمده برای سنگدانه ها و مواد سیمانی ساخته شده است. نسبت آب به سیمان از 38و0 تا 45و0 و میزان مواد سیمانی نیز از 300 تا 350 کیلوگرم بر متر مکعب به عنوان متغیر در نظر گرفته شده است. پس از انجام آزمایشات لازم جهت بررسی خصوصیات مکانیکی نمونه ها، دوام آنها با قرارگیری نمونه ها در محلول اسید سولفوریک با درجه اسیدی یا ph برابر با یک مورد مطالعه قرار گرفته است. همچنین ph برابر با 0و2 نیز جهت مقایسه برای برخی نمونه ها در نظر گرفته شده است. نتایج حاکی از عملکرد مناسب مواد پوزولانی و تاثیر ضد و نقیض تخلخل، ph و میزان مواد سیمانی در برابر تهاجم اسید سولفوریک می باشد. لذا بر این اساس میزان مواد سیمانی بهینه برای کلیه مخلوطها ارائه شده است. با انجام آنالیزهای آماری نتایج با دقت بیشتری بررسی شده و بر اساس رگرسیونهای خطی و غیرخطی، مدل مناسب خطی و نیمه خطی جهت پیش بینی میزان کاهش وزن نمونه ها در برابر اسید سولفوریک ارائه شده است. جهت یافتن دلایل لازم و کافی در خصوص نتایج ضد و نقیض بدست آمده بررسیهای میکروسکوپی بر روی نمونه های دست نخورده و مقطع نازک انجام شده است. بر اساس این بررسیها مکانیزم تهاجم اسید سولفوریک به بتن و همچنین نقش تخلخل در تهاجم اسید سولفوریک به صورت کامل تشریح شده است که تشکیل لایه محافظ زرد رنگ یکی از مهمترین موارد فرایند خوردگی می باشد.

بتن غلتکی (rccp ) نام خود را از غلتک های چرخ لاستیکی و فولادی ارتعاشی گرفته است که برای شکل دادن و اجرای آن مورد استفاده قرار می گیرد. لایه پخش شده توسط غلتک های فولادی ویبره ای متراکم می گردد. با توجه به آب کمی که برای انجام هیدراسیون در اختیار بتن های غلتکی است و همچنین گستردگی سطح، عمل آوری در روسازی های بتن غلتکی از اهمیت بالایی برخوردار است. در این تحقیق ابتداء چند ماده عمل آوری شامل پایه اکرلیک رزین، پارافین واکس، کلرینیتد رابر، ترکیبات معدنی سیلیکاته و قیر امولسیونی کاتیونی تهیه گردید و سپس برای اطمینان حاصل کردن از ترکیبات تشکیل دهنده، آزمون شناسایی ترکیبات (ftir) با توجه به استاندارد مربوطه انجام گرفت. سپس برای صحت از کارایی و انتخاب نهایی ترکیبات عمل آوری آزمون های استاندارد ترکیبات غشاء ساز بر روی ترکیب اکرلیک رزین، واکس رزین و کلرینیتد رابر انجام گرفت و دو ترکیب clr ( کلرینیتد رابر) و wbi (واکس رزین) برای ادامه تحقیقات انتخاب شد. نمونه های rccp با طرح اختلاط بهینه، ساخته شد و دو ترکیب غشاء ساز فوق با ترکیبات سیلیکاته و قیر امولسیون کاتیونی بر روی آنها اعمال گردید و سپس بر روی نمونه ها آزمایش های مقاومت فشاری، مقاومت خمشی، جذب آب حجمی بتن و مقاومت سایشی انجام گرفت و تاثیرات انواع ترکیبات عمل آوری با شرایط مختلف عمل آوری باهم مقایسه شد و بطور مختصر مقایسه ی اقتصادی بین عمل آوری rccp با آب و عمل آوری با ترکیبات غشاء ساز نیز مورد بررسی قرار گرفته است.

استفاده از بتن غلتکی در ساخت روسازی رو به افزایش است. بتن غلتکی بتن متراکم با اسلامپ صفر است که توسط تجهیزات مشابه روسازی آسفالتی پخش و متراکم می گردد. بتن غلتکی دارای اجزای اساسی: سیمان، آب و سنگ دانه(گراول یا سنگ شکسته) مشابه بتن معمولی البته با نسبت متفاوت و حاوی آب کمتر در طرح مخلوط است. به دلیل استفاده از آب کمتر در اختلاط بتن غلتکی و در نتیجه پایین بودن نسبت آب به مواد سیمانی، بتن غلتکی دارای ویژگی های مقاومتی مشابه و یا کمی بیشتر از بتن معمولی است. دلیل دیگر برای استفاده از بتن غلتکی کاهش هزینه و زمان در پی اجرای آن است. این کاهش هزینه می تواند چشمگیر باشد که گاهی اوقات از 50 درصد تجاوز می کند. هدف از این تحقیق، ارزیابی تأثیر سنگ دانه های مختلف نظیر: سنگ دان? رسوبی(سنگ آهک)، سنگ دان? آذرین(بازالت) و سنگ دان? دگرگونی(کوارتزیت) و سنگ دان? رودخانه ای(آهک میکریتی و ماسه سنگ کوارتز آرنایتی و گری وکی) در مقاومت سایشی بتن غلتکی روسازی(rccp) است. برای این منظور، آزمایش های سنگ دانه: مقاومت در برابر ضربه(aiv)، ارزش ده درصد خردشدگی(tfv)، سایش لس آنجلس(la)، سایش میکرودوال، جذب آب و وزن مخصوص انجام شد. در طرح مخلوط، نسبت آب به سیمان 38/0 ثابت نگهداشته شد تا تأثیر سنگ دانه های مختلف در مقاومت سایشی ارزیابی شود. برای قالب گیری بتن غلتکی از چکش ویبره استفاده شد. برای نمونه های سخت شد? بتن، آزمایش های مکانیکی مقاومت فشاری، مقاومت کششی، مقاومت خمشی و مقاومت سایشی انجام گردید. روش چرخ پهن و بوهم برای اندازه گیری مقاومت سایشی بتن غلتکی مورد استفاده قرار گرفت. نتایج آزمایش های مکانیکی سنگ دانه نشان می دهد که نتایج آزمایش سایش میکرودوال در مقایسه با آزمایش سایش لس آنجلس ارتباط بهتری با مقاومت سایشی بتن داشته و نتایج آزمایش لس آنجلس ارتباط بهتری با آزمایش ضربه ای سنگ دانه دارد. از طرفی نتایج مقاومت سایشی بتن های ساخته شده نشان می دهد که بیشترین مقاومت سایشی مربوط به بتن کوارتزیتی و کمترین مقاومت سایشی مربوط به بتن بازالتی به دلیل آلتراسیون شدید سنگ دانه های بازالتی است. همچنین مقایس? نتایج مقاومت فشاری و مقاومت سایشی بتن نشان می دهد که مقاومت سایشی تنها به مقاومت فشاری بتن بستگی ندارد از طرفی ارتباط مقاومت خمشی با مقاومت سایشی بتن غلتکی بیشتر از مقاومت کششی و مقاومت فشاری است.