EN
Следите за нашими новостями в удобном формате Есть новость? Присылайте!
Ученые на 48% увеличили прочность бетона, а также придали ему способность проводить ток, добавив в него небольшое количество оксида графена. Измеряя электропроводность полученного материала в процессе эксплуатации, будет удобно отслеживать его состояние, например, появление деформаций. Новый композит также может стать основой энергоэффективных покрытий для обогрева дорог и полов в зданиях. Кроме того, авторы проекта разработали модель образования трещин в модифицированном бетоне, которая позволит продлить ресурс сооружений, возводимых в условиях Севера и Арктики. Подробнее о технологии — в материале «Известий».
Зачем нужен электропроводный бетон
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 — одного из ключевых строительных материалов. Ученые добавили в его состав оксид графена, полученный из промышленных отходов, и смоделировали процесс образования трещин в таком композите.
Как рассказали «Известиям» специалисты, в строительстве всё чаще применяются композитные материалы, состоящие из двух и более компонентов. Их главное преимущество в том, что они сочетают полезные свойства составляющих веществ. Так, вместо стали для армирования бетонных конструкций может использоваться стеклопластик: он легкий, прочный и не подвержен коррозии. Однако у него есть и недостатки — высокая стоимость, низкая огнестойкость и хрупкость при избыточных нагрузках. Поэтому ученые ищут новые составы композитов, которые не только превосходят традиционные материалы по прочности, но и способны «сообщать» о своем состоянии — например, при появлении риска деформаций или разрушения.
Микроизображения поверхности, полученные с помощью комбинированного атомно-силового микроскопа INTEGRA с конфокальной рамановской/флуоресцентной спектроскопией
Графен — прочный и проводящий ток материал, он состоит из слоев углерода толщиной в один атом. Благодаря таким качествам он 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.
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, рассказали ученые. Поэтому, чтобы равномерно распределить его частицы 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 ученые 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%.
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, резко падала. Благодаря этому данные об электропроводности модифицированного бетона можно использовать для выявления избыточных нагрузок. В строительстве такой подход позволит контролировать состояние зданий, опор мостов и других сооружений.
— Подобные бетоны за счет 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, — рассказал руководитель проекта, действительный член Академии наук Республики Саха (Якутия), главный научный сотрудник ИФТПС СО РАН Валерий Лепов.
Где найдет применение технология
Также авторы разработали численную модель, которая позволяет оценить устойчивость модифицированного бетона к появлению трещин. Она будет полезна для оценки надежности сооружений, возводимых из композита, особенно в экстремальных условиях, например, при низких температурах арктических регионов нашей страны, рассказали ученые.
Исследование принципиально меняет роль бетона в строительстве, он становится композитом нового поколения, который сочетает в себе несущую функцию, самодиагностику и дополнительные полезные свойства, рассказал «Известиям» старший научный сотрудник кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ МИСИС Дмитрий Суворов. Внедрение технологии может существенно повысить безопасность, долговечность и энергоэффективность строительства, в первую очередь, для ответственных и специализированных объектов, в том числе в условиях Арктики, где требования к долговечности и безопасности максимальны.
— Основными вопросами для масштабирования, вероятно, станут стоимость оксида графена, что в данном случае было решено за счет использования вторичного сырья, а также отработка технологий введения добавки для исключения процесса агломерации наноразмерных пластин, — сказал эксперт.
Это довольно известная технология. На сегодняшний день она получила распространение в теплых полах в виде кабеля, существует также греющая керамика и греющий бетон, где в качестве электропроводного материала используется углеродная сажа, отметил доцент отделения машиностроения, морской техники и транспорта ДВФУ, эксперт НТИ TechNet Вячеслав Селезнев.
— У этих покрытий должна быть ограниченная температура работы, которую необходимо поддерживать. Я же считаю, что для широкого применения, кроме специальных покрытий, где требуется поддерживать точную температуру, достаточно просто внедрить в монолитный бетон греющие кабели или использовать другие технологии обогрева через арматуру, — рассказал специалист.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале «Природные ресурсы Арктики и Субарктики».
