Как оксид графена поможет оценивать состояние построенных конструкций
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».Исследователи из Института физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН и Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова 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.Как новая технология поможет безопасно хранить и выгодно использовать ядерные отходы Однако исследования показывают, что при добавлении в цементные смеси чистый графен образует плотные скопления и неравномерно распределяется в материале, из-за чего его армирующий 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 , главный научный сотрудник ИФТПС СО РАН Валерий Лепов.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.Авторское право на систему визуализации содержимого портала iz.ru, а также на исходные данные, включая тексты, фотографии, аудио- и видеоматериалы, графические изображения, иные произведения и товарные знаки принадлежит ООО «МИЦ «Известия». Указанная информация охраняется в соответствии с законодательством РФ и международными соглашениями.Новости, аналитика, прогнозы и другие материалы, представленные на данном сайте, не являются офертой или рекомендацией к покупке или продаже каких-либо активов.