م.م كوثر حسين شعلان
المقدمة

تُعدّ الخرسانة من أكثر مواد البناء استخدامًا في العالم، لما تمتاز به من مقاومة عالية للضغط وتكلفة اقتصادية مناسبة. ومع ذلك، تواجه الخرسانة التقليدية العديد من التحديات مثل التشققات الدقيقة، النفاذية العالية، وضعف مقاومة الشد والانحناء. في السنوات الأخيرة، أصبح استخدام المواد النانوية (Nanomaterials) أحد الاتجاهات الحديثة لتحسين خصائص الخرسانة على المستويين المجهري والنانووي، مما يفتح آفاقًا جديدة نحو تطوير خرسانة أكثر متانة واستدامة.

مفهوم المواد النانوية في الخرسانة

تشير المواد النانوية إلى الجزيئات أو الجسيمات التي يتراوح حجمها بين 1 و100 نانومتر، أي ما يعادل جزءًا من مليار من المتر. تتميز هذه المواد بخصائص فيزيائية وكيميائية مختلفة عن نظيراتها التقليدية بسبب الزيادة الكبيرة في مساحة السطح النوعي والنشاط الكيميائي. عند إضافتها إلى الخلطة الخرسانية، تعمل هذه الجسيمات على ملء المسامات الدقيقة وتحسين بنية العجينة الأسمنتية (C-S-H)، مما يؤدي إلى زيادة الكثافة وتقليل المسامية.

أنواع المواد النانوية المستخدمة في تحسين الخرسانة

تُستخدم عدة أنواع من المواد النانوية في صناعة الخرسانة الحديثة، ومن أهمها:

ثاني أكسيد السيليكون النانوي (Nano-SiO₂):
يُعدّ من أكثر المواد شيوعًا، إذ يعمل كمادة بوزولانية تفاعلية تُسرّع من عملية الإماهة (Hydration) وتزيد من ترابط المكونات الداخلية، مما يحسّن مقاومة الضغط والنفاذية.

أنابيب الكربون النانوية (Carbon Nanotubes - CNTs):
تمتاز بقدرتها العالية على تعزيز مقاومة الشد والانحناء للخرسانة نظرًا لمتانتها العالية ونسبة الطول إلى القطر الكبيرة.

أكسيد التيتانيوم النانوي (Nano-TiO₂):
يُستخدم لتحسين الخصائص الميكانيكية ولإضفاء خاصية التنظيف الذاتي (Self-cleaning) للسطوح الخرسانية.

أكسيد الألمنيوم النانوي (Nano-Al₂O₃):
يساهم في تقليل الانكماش وتحسين مقاومة التآكل.

أكاسيد الحديد النانوية (Nano-Fe₂O₃):
تُستخدم لتحسين مقاومة الحرارة وتعزيز الخواص المغناطيسية للخرسانة الخاصة.

آلية تحسين الخصائص الميكانيكية

تؤثر المواد النانوية في البنية المجهرية للخرسانة بطرق متعددة، منها:

ملء المسامات الدقيقة: مما يقلل من النفاذية ويزيد من الكثافة.

تسريع تفاعلات الإماهة: إذ تعمل الجسيمات النانوية كمراكز لتكوين منتجات الإماهة.

تحسين الانتقال بين العجينة والمكونات الخشنة (ITZ): ما يؤدي إلى توزيع أكثر تجانسًا للإجهادات.

تعزيز الربط الميكانيكي: خاصة في حال استخدام أنابيب الكربون النانوية التي توفر جسورًا ميكانيكية بين الجزيئات.

النتائج العملية لتطبيق المواد النانوية

أظهرت الدراسات التجريبية تحسنًا ملحوظًا في مقاومة الخرسانة عند استخدام النانو سيليكا بنسبة تتراوح بين 1–3% من وزن الأسمنت، حيث ازدادت مقاومة الضغط بنسبة قد تصل إلى 30%، ومقاومة الشد بنسبة 20%. كما انخفضت النفاذية للماء والكلوريدات بشكل كبير، مما يعزز مقاومة الخرسانة للتآكل والعوامل البيئية.

التحديات والتطبيقات المستقبلية

على الرغم من الفوائد الكبيرة، تواجه تطبيقات النانو في الخرسانة عدة تحديات، مثل:

صعوبة توزيع الجسيمات النانوية بالتجانس المطلوب بسبب ميلها للتكتل.

ارتفاع تكلفة الإنتاج مقارنة بالمواد التقليدية.

الحاجة إلى معدات متخصصة للخلط والمعالجة.

إلا أن التطور في تقنيات التصنيع وتناقص تكلفة المواد النانوية يبشر بإمكانية إدماجها على نطاق أوسع في مشاريع البناء المستقبلية، خصوصًا في الأبنية الذكية والبنى التحتية المستدامة.

الخاتمة

يمثل إدخال المواد النانوية في الخرسانة ثورة في عالم مواد البناء، إذ يساهم في تحسين مقاومتها الميكانيكية والبيئية بشكل ملحوظ. إن فهم آلية تأثير هذه المواد على البنية المجهرية للخرسانة يُعدّ خطوة أساسية نحو تطوير خرسانة متقدمة، مستدامة، وطويلة الأمد. وبالرغم من التحديات التقنية والاقتصادية، فإن مستقبل الخرسانة النانوية يبدو واعدًا في مجالات الإنشاءات المتقدمة والبنية التحتية الذكية.

المراجع (APA 7th Edition)

Sanchez, F., & Sobolev, K. (2010). Nanotechnology in concrete – A review. Construction and Building Materials, 24(11), 2060–2071. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2010.03.014

Li, H., Xiao, H., Yuan, J., & Ou, J. (2004). Microstructure of cement mortar with nano-particles. Composites Part B: Engineering, 35(2), 185–189.

Jalal, M., Fathi, M., & Farzad, M. (2013). Effects of nano silica on mechanical properties and durability of concrete. Journal of Civil Engineering and Management, 19(6), 777–785.

Qing, Y., Zenan, Z., Deyu, K., & Rongshen, C. (2007). Influence of nano-SiO₂ addition on properties of hardened cement paste as compared with silica fume. Construction and Building Materials, 21(3), 539–545.

Sobolev, K., & Shah, S. P. (Eds.). (2008). Nanotechnology of concrete: Recent developments and future perspectives. ACI Materials Journal, 105(5), 357–363.

جامعة المستقبل الجامعة الاولى في العراق