Якусткие исследователи на 48 % увеличили
прочность бетона, а также придали ему способность проводить ток, добавив в
материал небольшое количество оксида графена. Измеряя электропроводность
полученного материала в процессе эксплуатации, будет удобно отслеживать его
состояние, например, появление деформаций.
Новый композит также может лечь в основу
энергоэффективных покрытий для обогрева дорожных покрытий и полов в зданиях.
Кроме того, авторы предложили модель образования трещин в модифицированном
бетоне, которая позволит продлить ресурс сооружений, возводимых в условиях
Севера и Арктики. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского
научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале «Природные
ресурсы Арктики и Субарктики».
В строительстве все чаще используют композитные
материалы, состоящие из двух или более компонентов. Они хороши тем, что
сочетают полезные свойства материалов, входящих в их состав. Например, вместо
стали для армирования бетонных конструкций может использоваться стеклопластик.
Он лёгкий, прочный и не ржавеет, однако при этом он дорогой, неустойчив к огню
и оказывается хрупким при избыточных нагрузках. Поэтому учёные ищут новые
составы композитов, не только превосходящие по прочности традиционные
материалы, но и способные определённым образом «сообщать» о своем состоянии,
например, о появлении риска деформаций и разрушения.
Исследователи из Института физико-технических
проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН и Северо-Восточного
федерального университета им. М.К. Аммосова (Якутск) улучшили свойства
бетона — основного материала в строительстве, — добавив в его состав оксид
графена, полученный из отходов производства, и смоделировали образование трещин
в таком бетоне.
Графен — прочный и проводящий ток материал, который
состоит из слоев углерода толщиной в один атом. Благодаря таким качествам
графен может увеличить прочность стройматериала, а также придать ему
способность проводить ток. Последнее свойство можно использовать для
отслеживания состояния композита. Например, уменьшение проводимости может
указать на избыточные нагрузки и риск разрушения конструкции из такого
материала.
Микроизображения поверхности, полученные с помощью
комбинированного атомно-силовой микроскопа INTEGRA с конфокальной рамановской
флуоресцентной спектроскопией
Однако исследования показывают, что
при добавлении в цементные смеси чистый графен образует плотные скопления и
неравномерно распределяется в материале, из-за чего его армирующий
(укрепляющий) эффект уменьшается. Поэтому, чтобы равномерно распределить
частицы графена в цементной матрице, авторы использовали оксид графена.
Благодаря кислородсодержащим группам он лучше чистого графена взаимодействует с
окружающим материалом, а потому не слипается в агрегаты. Исследователи
изготовили образцы бетона с добавлением 0,2% и 0,5 % этого модификатора.
Затем авторы работы протестировали механические и
электрические свойства исходного образца и модифицированных бетонов. Для этого
образцы сжимали на лабораторной установке и параллельно с этим отслеживали их
электрическое сопротивление. Оказалось, что добавление графена увеличило
прочность бетона на 48 %.
Сравнительные изображения выявленного
экспериментально роста трещины и визуального моделирования процесса разрушения
бетона, модифицированного оксидом графена
Кроме того, бетон, в обычном состоянии не проводящий
ток, приобрел это свойство. Более того, электропроводность материала менялась в
ответ на механическое воздействие. При сжатии образца она медленно
увеличивалась, но при достижении нагрузок, близких к пределу прочности
материала, резко падала. Благодаря этому данные об электропроводности модифицированного
бетона можно использовать для выявления избыточных нагрузок на материал. В
строительстве такой подход позволит контролировать состояние зданий, опор
мостов и других бетонных сооружений.
Также авторы разработали численную модель, которая
позволяет оценить устойчивость модифицированного бетона к появлению трещин.
Разработка будет полезна для оценки надежности сооружений, возводимых из
композита, особенно в экстремальных условиях, например, при низких температурах
арктических регионов России.
«Подобные бетоны за счёт способности
проводить ток могут использоваться не только для мониторинга прочности
сооружений, но и для экономичного обогрева дорожных покрытий и полов внутри
помещений, защиты от коррозии и морозного растрескивания железобетонных
конструкций. Кроме того, потенциально они смогут выполнять роль беспроводной
зарядки на дорогах для электромобилей. В дальнейшем мы планируем смоделировать
действие электрического тока на процесс разрушения такого материала в условиях
низких температур и возможности накопления в нем энергии»,
— рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Валерий
Лепов, доктор технических наук, действительный член Академии наук Республики
Саха (Якутия), главный научный сотрудник ИФТПС СО РАН.
Источник: пресс-служба РНФ.