افزودنی های متداول برای بتن همواره تمامی خواص بتن را بهبود نمی دهند. این در حالی است که طبق مطالعات انجام شده، نانوفناوری تقریبا قابلیت بهبود عملکرد بتن را به صورت همه جانبه دارد. نانوذرات با توجه به ابعاد کوچک و سطح ویژه بالا می‌توانند به عنوان پر کننده حفرات بین مورد استفاده قرار گیرند. از طرف دیگر، این مواد می‌توانند با تشکیل نانو‌کریستال‌ها، خواص بتن را ارتقا دهند. میکرو سیلیس از جمله افزودنی‌های پرمصرف برای این کاربرد است. با این حال، مشاهدات نشان می‌دهند که استفاده از نانو سیلیس تاثیر بهتری بر روی رفتار مکانیکی بتن دارد.
نانوذرات سیمان
یکی از مزایای اصلی استفاده از کریستال‌های نانومقیاس، پر شدن فضاها و حفرات خالی در ماتریس سیمان است. افزودن آن دسته از نانوذرات که منجر به تشکیل نانوکریستال‌های خاص در سیمان می‌شود، می‌تواند مقاومت فشاری، کششی و برشی آن را افزایش دهد. سیمان در صنعت به صورت پودر تولید و مصرف می‌شود. ابعاد ذرات سیمان معمولی عموماً در حد میلی‌متر و میکرومتر هستند. اخیراً نانوذرات سیمان برای بهبود عملکرد آن پیشنهاد شده است. دو روش برای ساخت نانوذرات سیمان وجود دارد:
1. خرد کردن ذرات سیمان معمولی به وسیله آسیاب‌های پر قدرت
2. افزودن ترکیبات شیمیایی خاص
نانوذرات رس
استفاده از نانوذرات رس، رفتار مکانیکی سیمان مانند مقاومت در برابر نفوذ ترکیبات کلریدی، ایجاد بتن خودمتراکم، و کاهش نفوذ پذیری بتن را بهبود می‌دهد. ابعاد ذرات رس موجود در طبیعت، مقیاس میکرومتری و حتی کوچکتر از آن دارد. ساختار رس از لایه‌های کریستالی فیلوسیلیکات آلومینیوم با ضخامت تقریبی یک نانومتر تشکیل شده است. تاثیر ذرات رس بر خواص سیمان، موضوع جدیدی نیست و در اکثر کاربردها از رس کلسینه شده (Calcined clay) برای این منظور استفاده می‌شود. به دلیل آبدوست بودن (Hydrophilic) ذرات رس، کنترل مقدار آب مورد نیاز در کامپوزیت‌های رس- سیمان از اهمیت بالایی برخوردار است.
نانوذرات سیلیس
میکروذرات سیلیس یکی از موادی است که در دهه‌های اخیر مورد استفاده گسترده در بتن قرار گرفته است. به دلیل ویژگی‌های بارز پوزولانی میکروذرات سیلیس، استفاده از این مواد برای بهبود خواص مکانیکی و افزایش دوام بتن در کشورهای پیشرفته رو به افزایش است. از مهم‌ترین مزیت‌های استفاده از ذرات سیلیس در بتن می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
1. کاهش ترک‌های ناشی از هیدراتاسیون سیمان
2. دوام بهتر در برابر آسیب‌های ناشی از حضور سولفات‌ها و آب‌های اسیدی
3. دست یافتن به استحکام نهایی بالا با بکارگیری انواع سوپر روان‌کننده‌های بتن
4. کاهش تحرک یون‌های کلر و کاهش عمق نفوذ آنها در بتن
از موارد مصرف این نوع سیمان‌ها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
1. بتن‌ریزی‌های مربوط به ساخت اسکله‌های دریائی، شمع‌ها، ستون‌ها و قطعات پیش‌ساخته
2. فونداسیون ماشین‌آلات
3. ساخت کلیه سازه‌های بتنی که در معرض حملات شیمیایی به‌ویژه یون‌های کلر و سولفات‌ها قرار دارند
نتایج نشان می‌دهند که افزودن نانوذرات سیلیس به بتن موجب افزایش مقاومت فشاری، کششی و خمشی، کاهش زمان گیرش بتن، کاهش نفوذپذیری آب به بافت آن، و مقاومت بالاتر بتن در برابر حملات شیمیایی می‌شود. جالب‌تر اینکه این ذرات نه‌تنها برای محیط زیست مشکل‌ساز نیستند بلکه نتایج بهتری در مقایسه با میکروذرات سیلیس ارائه می‌دهند. نانوذرات سیلیس می‌تواند مصرف سیمان را کاهش و کیفیت و کارایی آن را افزایش دهد. افزودن 10 درصد وزنی از نانوذرات سیلیس به سیمان، افزایش 26 درصدی در مقاومت فشاری بتن را به وجود می‌آورد، در حالی‌که همین مقدار میکروذرات سیلیس، تنها می‌تواند مقاومت فشاری بتن را تا حداکثر 15 درصد بهبود دهد. حتی افزودن بسیار محدود نانوذرات سیلیس (مثلا 0/25درصد وزنی) می‌تواند مقاومت فشاری را تا 10 درصد و مقاومت خمشی را تا 25 درصد ارتقا دهد.
نانوذرات اکسید آهن
مطالعات نشان می‌دهند که استفاده از نانوذرات اکسید آهن در ملات سیمان باعث افزایش مقاومت فشاری و خمشی و نیز عامل ایجاد قابلیت خود-پایش در بتن می‌شود. براساس نتایج به‌دست آمده، مخلوطی از ملات سیمان و نانوذرات اکسید آهن، تحت تاثیر بارگذاری‌های مختلف، مقاومت الکتریکی متفاوتی از خود نشان می‌دهد. وجود این قابلیت فوق‌العاده با اهمیت است، به ویژه برای سازه‌هایی که از حسگرهای مدفون داخل سازه بهره‌مند نیستند. با توجه به این خاصیت منحصربهفرد می‌توان عملکرد حسگرهای سنجش تنش را بهینه‌سازی کرد.
دی‌اکسید تیتانیوم (TiO2)
خودتمیزشوندگی فوتوکاتالیستی، یکی از مهم‌ترین موارد استفاده از نانوفناوری در صنعت ساختمان است. آلودگی‌های طبیعی و صنعتی مانند NOx، مونوکسید کربن، VOCها، کلروفنول‌ها و آلدهیدهای ناشی از اتومبیل‌ها و پساب‌های صنعتی می‌توانند در اثر واکنش‌های فوتوکاتالیستی در حضور نانوذرات دی‌اکسید تیتانیوم تجزیه شوند. برای فعال شدن اثر خودتمیزشوندگی در اکسید تیتانیوم، نور طبیعی خورشید، رطوبت هوا و اکسیژن مورد نیاز است. استفاده از نانوذرات دی اکسید تیتانیوم علاوه بر خاصیت خودتمیزکنندگی، باعث افزایش سرعت هیدراسیون، کاهش زمان گیرش، و افزایش مقاومت خمشی و فشاری بتن می‌شود. لازم به ذکر است که خاصیت خودتمیزشوندگی نانوذرات TiO2 با گذشت زمان کاهش می‌یابد.
نانوذرات اکسید آلومینیوم
افزودن نانوذرات اکسید آلومینیوم به مخلوط بتن، مدول الاستیک آن را به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش می‌دهد. مشاهدات نشان می‌دهند که با افزودن 5 درصد نانو اکسید آلومینیوم، مدول الاستیک بتن تا 143 درصد افزایش می‌یابد؛ ولی تاثیر قابل ملاحظه‌ای بر مقاومت بتن ندارد. تاکنون ویژگی خاص دیگری از این ماده در بتن گزارش نشده است.
نانوالیاف
نانولوله‌های کربنی (CNTs) و نانوالیاف کربنی (CNFs) اغلب به‌عنوان گزینه‌های اصلی فناوری نانو برای مسلح کردن مصالح پایه سیمانی مورد استفاده قرار می‌گیرند؛ زیرا این مواد مدول الاستیک و مقاومت بسیار بالا، مقاومت کششی عالی و خواص الکتریکی و شیمیایی منحصربهفرد از خود نشان می‌دهد. استفاده از این مواد می‌تواند خواص مکانیکی، مقاومت در برابر اشاعه ترک، و محافظت در برابر امواج الکترومغناطیس را بهبود داده و قابلیت خود پایش در مصالح پایه سیمانی را به وجود آورد. نانولوله‌های کربنی تک جداره (SWCNTs) و چند جداره (MWCNTs) و نانوالیاف کربنی از گرافن‌های زنجیر وار با ساختارهای بسیار منظم و با مساحت بسیار بالا تشکیل شده‌اند.
شمایی از آرایش اتمی نانولوله‌های کربنی تک جداره و چند جداره
پوشش‌های نانومقیاس
محافظت و یا تقویت ساختمان‌ها با اصلاح پلیمری سطح و یا پوشش‌دهی با سطوح نفوذ ناپذیر و آبگریز امکان‌پذیر است. جلوگیری از نفوذ آب و آلودگی به بتن باعث افزایش کارایی سازه‌ای آن می‌شود. پوشش‌های یاد شده از چند طریق می‌توانند کارایی سازه‌های بتونی را بهبود دهند:
1. این عمل از نفوذ مواد مضر به داخل بتن و فولاد جلوگیری می‌کند
2. باعث افزایش مقاومت در برابر یخ‌زدگی سازه‌ها می‌شود
3. دوام طولانی مدت مصالح ساختمانی را ارتقا می‌دهد
اصلاح خواص سازه‌های بتنی با استفاده از پوشش‌های نانومقیاس، مکانیزم‌های متفاوتی دارند:
1. ایجاد یک سد غیرقابل‌نفوذ بر روی سازه بتنی. در این مورد، اغلب از پوشش‌های پلی‌یورتان، اکریلیک و رزین‌های اپوکسی استفاده می‌شود.
2.جلوگیری از نفوذ آب با پوشش‌دهی سطح حفره‌دار و متخلخل بتن با مواد آبگریزی مانند سیلان، سیلوگسان، و پلیمرهای فلئوریناته
3. استفاده از مواد خاصی مانند سیلیکات مایع و سیلیکو فلورایدهای مایع به عنوان پرکننده حفرات بتن. این مواد پرکننده به داخل بتن نفوذ می‌کنند و حفرات را می‌بندند.
بتن‌های خودترمیم‌شونده
یکی از نگرانی‌های مهندسین در مورد بتن، ترک خوردن آن است. ترک‌ها موجب نفوذ مواد مضر، کاهش عمر بتن و کاهش عملکرد سازه‌ای آن می‌شود. یکی از راهکارهای موثر، افزودن کپسول‌های بسیار کوچکی حاوی پرکننده‌های ترک به مخلوط بتن است. زمانی‌که در بتن ترک ایجاد می‌شود، این کپسول‌ها می‌شکنند و مواد داخل آنها فضای ترک را پر می‌کند.
