سیمان سوپر هیدروفوبیک، یکی از نوآوریهای مهم در صنعت ساختمان است که با استفاده از فناوری نانو و اصلاح سطح، خاصیت آبگریزی فوقالعاده ای (superhydrophobicity) دارد. این نوع سیمان قادر است جذب و نفوذ آب را تا حد بسیار زیادی کاهش دهد، از آسیبهای ناشی از یخزدگی، ترکخوردگی ناشی از رطوبت، شورهزدگی، رشد جلبکها و قارچها جلوگیری کند.
اگر به دنبال بهینهسازی دوام سازه، کاهش هزینههای نگهداری و ارتقای عملکرد حفاظتی مصالح بتنی هستید، سیمان سوپر هیدروفوبیک میتواند گزینهای بسیار مناسب باشد. در این مقاله میتوانید با ویژگیها، کاربردها و همچنین مزایای و معایب این سیمان آشنا شوید.
مجله اینترنتی والا اینوست با ارائه تازهترین فناوریها و نوآوریهای صنعت ساختمان، در خدمت علاقهمندان و فعالان این حوزه است.
سیمان سوپر هیدروفوبیک چیست؟
سیمان سوپر هیدروفوبیک (Super Hydrophobic Cement) یا با نامهای سیمان فوق آبگریز، سیمان ضد آب نانو، پوشش سوپر هیدروفوبیک بتن، ملات سوپر هیدروفوبیک و بتن آبگریز نانو نیز شناخته میشود، نوعی سیمان یا ملات پیشرفته است که پس از خشک و سخت شدن، سطحی بسیار آبگریز ایجاد میکند. در سیمان فوق آبگریز ویژگی ضدآب بودن هم در سطح و هم در عمق مصالح اعمال میشود.
در این نوع سیمان، زاویه تماس قطرات آب با سطح بیش از ۱۵۰ درجه است؛ به همین دلیل، قطرات آب بهجای پخش شدن، به شکل دانههای گرد روی سطح میلغزند و وارد بافت سازه نمیشوند. این ویژگی باعث میشود رطوبت و آب نتوانند به داخل بتن نفوذ کنند و در نتیجه سازه در برابر نفوذ آب، یخزدگی و شورهزدگی مقاومتر بماند.
این سیمان به اشتباه در برخی منابع به عنوان سیمان شب تاب نیز معرفی شده است که باید ذکر کنیم که شاید در برخی مواقع خاصیت شب نما بودن نیز به ویژگیهای این سیمان اضافه شود، اما سیمان شب نما یا شب تاب نوع دیگری از مصالح است که خاصیت متفاوتی با این سیمان دارد.
مکانیسم عملکرد سیمان سوپر هیدروفوبیک
سیمان سوپر هیدروفوبیک بهگونهای طراحی شده است که سطح آن تمایل شدیدی به دفع مولکولهای آب دارد. این خاصیت ناشی از ترکیب ساختار سطحی ویژه و تغییر شیمیایی سطح است. ، این سیمان با تقلید از اثر لوتوس یا برگ نیلوفر آبی (Lotus Effect) عمل میکند و مثل برگ این گیاه هیچگاه خیس نمیشود. در ادامه به مکانیسم عملکرد این سیمان اشاره کردهایم:
۱- ایجاد زبری در مقیاس نانو و میکرو
در مرحله نخست، سطح سیمان با استفاده از افزودنیهای خاص (مانند نانوذرات سیلیکا، دیاکسید تیتانیوم، یا فلوئوروپلیمرها) دارای بافتی زبر و ناهموار در مقیاس بسیار کوچک میشود.
این زبری سبب میشود که آب هنگام تماس با سطح، تنها روی قلههای میکروسکوپی قرار گیرد و نتواند به درون منافذ نفوذ کند. در نتیجه، زاویه تماس آب با سطح بسیار افزایش پیدا میکند و قطره بهجای پخش شدن، به حالت کروی باقی میماند.
۲- اصلاح شیمی سطح با ترکیبات آبگریز
افزودن مواد آبگریز مانند سیلانها (Silanes)، سیلوکسانها (Siloxanes) یا فلوئوروآلکیل ترکیبات موجب میشود که گروههای فعال سطح سیمان با مواد آلی جایگزین شوند. به این ترتیب، پیوندهای شیمیایی که جذب آب را ممکن میکردند، حذف میشوند و سطح از نظر انرژی سطحی، بسیار پایین میآید؛ یعنی آب دیگر نمیتواند با سطح پیوند برقرار کند.
۳- تشکیل لایهی هوای محافظ
بهدلیل وجود زبری و انرژی سطحی پایین، قطرات آب هنگام تماس با سیمان روی یک لایهی نازک از هوای محبوسشده بین برجستگیها قرار میگیرند. این لایه هوا مانند یک سپر عمل کرده و از تماس مستقیم آب با سطح واقعی سیمان جلوگیری میکند. در نتیجه، نفوذپذیری آب تقریبا صفر میشود و حتی در فشار یا رطوبت بالا نیز، آب توان نفوذ ندارد.
۴- رفتار خودتمیزشوندگی (Self-Cleaning Effect)
وقتی قطره آب روی سطح حرکت میکند، ذرات گردوغبار یا آلودگی را با خود میبرد. بنابراین، سیمان سوپر هیدروفوبیک خاصیت خودتمیزشوندگی دارد و سطح آن همیشه تمیز و براق باقی میماند.
۵- پایداری در برابر چرخههای خیس و خشک
مواد اصلاحکننده سطح، پیوندهای شیمیایی قوی با زمینهی سیمانی ایجاد میکنند، بنابراین حتی در چرخههای مکرر بارندگی، شستوشو یا تغییر دما، این خاصیت از بین نمیرود. به همین دلیل، دوام آن در محیطهای مرطوب یا مناطق ساحلی بسیار بالا است.
ترکیبات به کار رفته در سیمان سوپر هیدروفوبیک
برای ایجاد سیمان سوپر هیدروفوبیک، معمولا از افزودنیهای نانو و ترکیبات شیمیایی با گروههای آبگریز استفاده میشود. انتخاب ترکیب و دوز مناسب ترکیبات تشکیل دهنده این سیمان تاثیر قابلتوجهی بر عملکرد نهایی آن دارد. در ادامه به ترکیبات به کار رفته در این سیمان اشاره شده است:
- سیلانها و سیلوکسانها (مثلا اتوکسی سیلان)
- افزودنیهای فلوئوردار یا عامل آبگریز نانو
- ذرات نانوسیلیکا اصلاح شده با گروههای هیدروفوب
- مخلوطهای امولسیونی با رابط سطحی
- کنستانترههای نانو سوپر هیدروفوبیک
مزایای سیمان سوپر هیدروفوبیک
سیمان سوپر هیدروفوبیک مزایای قابل توجهی دارد و در پروژههایی که نیاز به مقاومت در برابر رطوبت، دوام در شرایط جوی و نگهداری پایین دارند، بسیار کاربردی است. در ادامه به مزایای این سیمان اشاره شده است:
- کاهش نفوذ آب و رطوبت به داخل سازه
- جلوگیری از شوره، ترکخوردگی ناشی از یخزدگی، رشد قارچ و کپک
- افزایش دوام و عمر مفید سازه
- کاهش هزینههای نگهداری و تعمیرات
- عملکرد به عنوان پوشش محافظ و کاهش نیاز به پوششهای سطحی جداگانه
- حفظ ظاهر و رنگ سطح بدون تغییر قابل ملاحظه
معایب و محدودیتهای سیمان سوپر هیدروفوبیک
سیمان سوپر هیدروفوبیک با وجود ویژگیهای ممتاز خود در مقاومت در برابر رطوبت و آلودگی، دارای محدودیتهایی نیز است که استفاده از آن را در برخی پروژهها با چالش همراه میکند. برخی از مهمترین معایب این سیمان عبارت اند از:
- هزینه بالا
- فرآیند ساخت پیچیده
- چسبندگی کم پوششها
- حساسیت به شرایط محیطی
- دسترسی محدود در بازار
کاربردهای سیمان سوپر هیدروفوبیک در مهندسی عمران و ساختمان
سیمان سوپر هیدروفوبیک، به علت ویژگی ضد نفوذ خود، در زمینههای مختلف مهندسی عمران کاربردهای فراوانی دارد. در این بخش به کاربردهای اصلی این سیمان اشاره کردهایم:
- نماهای خارجی ساختمان، برای جلوگیری از نفوذ باران، رطوبت و شورهزدگی
- معابر، پیادهروها و مسیرهای روباز: کاهش خیس شدن سطح و لغزندگی
- پلها و سازههای بتنی در معرض شرایط جوی
- تونلها، زیرگذرها و پارکینگهای زیرزمینی
- پلهای عبور عابر، دالهای باز، دالهای سطحی
- سازههای دریایی یا نزدیک ساحل
- ترمیم بناهای قدیمی
- پوشش داخلی کانالها و مجاری آب
مراحل اجرای سیمان سوپر هیدروفوبیک
اجرای سیمان سوپر هیدروفوبیک به دقت بالا، استفاده از مواد افزودنی مناسب و رعایت ترتیب صحیح مراحل نیاز دارد تا خاصیت آبگریزی و استحکام نهایی سازه حفظ شود. در این فرآیند، انتخاب نوع سیمان پایه، میزان دقیق افزودنیهای نانویی و شرایط اختلاط نقش مهمی در کیفیت نهایی دارند. در ادامه به مراحل اجرای این سیمان اشاره شده است:
- آمادهسازی سطح: پیش از اجرا، سطح زیرکار باید کاملا تمیز، عاری از گردوغبار، چربی و مواد زائد باشد تا چسبندگی بهینه ایجاد شود.
- انتخاب مواد پایه: استفاده از سیمان پرتلند باکیفیت به همراه افزودنیهای نانویی (مانند نانو سیلیکا یا نانو تیتانیا) برای افزایش خاصیت آبگریزی الزامی است.
- اختلاط دقیق: افزودنیهای هیدروفوبیک باید به میزان مشخص در حین اختلاط سیمان، آب و مصالح دیگر ترکیب شوند تا بهصورت یکنواخت در کل ملات پخش گردند.
- اجرا و قالبریزی: ملات آمادهشده بهصورت یکنواخت روی سطح ریخته یا در قالبها قرار داده و با لرزانندههای مخصوص، حبابهای هوا حذف میشوند.
- عملآوری (Curing): برای دستیابی به خاصیت کامل آبگریزی، باید عملآوری در شرایط کنترلشده و بهدور از رطوبت مستقیم انجام شود.
- تست آبگریزی: پس از سخت شدن، با آزمایش زاویه تماس قطره آب روی سطح، میزان آبگریزی و عملکرد سیمان بررسی میشود.
مقایسه عملکرد با سیمان معمولی و سایر روشهای ضدآب
سیمان سوپر هیدروفوبیک در مقایسه با سیمان معمولی و سایر روشهای ضدآب، عملکردی بسیار بهتر در دفع آب، جلوگیری از نفوذ رطوبت و افزایش دوام سازه دارد. در جدول زیر ویژگیهای این سیمان با سیمان معمولی و سایر روشهای رایج مقایسه شده است:
| ویژگی / معیار | سیمان معمولی | روشهای پوشش سطحی ضدآب (مانند غشا، پوشش اپوکسی) | سیمان سوپر هیدروفوبیک |
| نفوذپذیری آب | متوسط تا زیاد | پایین (اگر اجرا صحیح باشد) | بسیار پایین |
| دوام در عمق ماده | بدون خاصیت ضدآب بودن در عمق | فقط سطحی | تا حدی در عمق |
| تاثیر بر خواص مکانیکی | بدون تاثیر منفی عمده (در طراحی مناسب) | ممکن است چسبندگی سطحی محدود شود | ممکن است در صورت زیاد بودن افزودنی تأثیر داشته باشد |
| نگهداری | معمولی | ممکن است نیاز به ترمیم پوشش سطحی داشته باشد | نگهداری کاهش یافته، اما ترمیم در محلهای آسیبدیده لازم است |
| مقاومت در برابر سایش | متوسط | ممکن است آسیبپذیر باشد | در سطوح پرتردد پوشش ممکن است ساییده شود |
| هزینه | پایینتر | متوسط تا بالا | بالاتر (در ابتدا) |
| اجرا | مرسوم و آشنا | نیاز به اجرای دقیق | نیاز به دانش نانو و کنترل کیفیت بیشتر |
سخن نهایی
سیمان سوپر هیدروفوبیک به عنوان یک راهکار پیشرفته و موثر در مهندسی عمران، میتواند بهعنوان یک سد دفاعی در برابر رطوبت، ترکخوردگی ناشی از یخزدگی، شورهزدگی و رشد قارچها عمل کند. مزایای آن از جمله کاهش نفوذ آب، افزایش دوام و کاهش هزینههای نگهداری، آن را به گزینهای جذاب تبدیل کرده است. با این حال، چالشهایی مانند هزینه، نیاز به کنترل دقیق اجرا و پایداری در شرایط محیطی، باید در نظر گرفته شوند.
منابع: mdpi، theconstructor
