Оксид графена поможет оценивать состояние бетонных конструкций

Ученые 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 легкий, прочный и не ржавеет, однако при этом он дорогой, не устойчив к огню и оказывается хрупким при избыточных нагрузках. Поэтому ученые ищут новые составы композитов, не только превосходящие по прочности традиционные материалы, но и способные определенным образом «сообщать» о своем состоянии, например, о появлении риска деформаций и разрушения.Исследователи из Института физико-технических проблем Севера имени В.П. Ларионова СО РАН (Якутск) и Северо-Восточного федерального университета имени 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.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 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 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 нашей страны.«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», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Валерий Лепов, доктор технических наук, действительный член Академии наук Республики Саха (Якутия), главный научный сотрудник ИФТПС СО РАН.