Ученые увеличили прочность бетона на 48% и придали ему способность проводить электрический ток, введя в состав небольшие доли оксида графена. Замеряя электропроводность такого композита в процессе его эксплуатации, станет проще отслеживать состояние конструкции, в частности появление деформаций. Модифицированный материал также рассматривается как возможная основа для энергоэффективных покрытий, предназначенных для обогрева дорог и полов в зданиях. Авторы также создали модель образования трещин в таком бетоне, что позволит увеличить срок службы сооружений, возводимых в северных и арктических регионах. Подробности технологии — в материале «Известий».

Зачем нужен электропроводный бетон

Специалисты Института физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН и Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова (Якутск) добились улучшения характеристик бетона — одного из основных материалов в строительстве. В бетонную смесь добавили оксид графена, полученный из промышленных отходов, и смоделировали возникновение трещин в новом композите.

Как сообщили «Известиям» эксперты, в современном строительстве все чаще применяют композиционные материалы, содержащие два и более компонентов. Их ключевое преимущество — комбинирование полезных свойств исходных веществ. Так, вместо стали при армировании бетона иногда используют стеклопластик: он легче, прочнее и не ржавеет. Но у него есть минусы — высокая стоимость, низкая огнестойкость и склонность к хрупкому разрушению при чрезмерной нагрузке. Поэтому исследователи ищут составы композитов, которые не только превышают традиционные материалы по прочности, но и способны сигнализировать о своем состоянии — например, при риске деформации или разрушения.

Фото: Дмитрий Попов Микроизображения поверхности, полученные с помощью комбинированного атомно-силового микроскопа INTEGRA с конфокальной рамановской/флуоресцентной спектроскопией

Графен представляет собой прочный и электропроводящий материал, состоящий из углеродных слоев толщиной в один атом. Благодаря этим свойствам он способен повысить прочность строительного материала и придать ему проводимость. Последнее свойство открывает возможность мониторинга состояния композита: снижение проводимости может свидетельствовать о чрезмерной нагрузке и риске разрушения конструкции.

Однако исследования показывают: при добавлении в цементные смеси чистый графен склонен собираться в плотные кластеры и распределяться неравномерно, в результате чего его армирующий эффект снижается, пояснили ученые. Чтобы добиться равномерного распределения в цементной матрице, авторы применили оксид графена. Из-за кислородсодержащих групп он лучше взаимодействует с окружением по сравнению с чистым графеном и не слипается в агломераты. Были изготовлены образцы бетона с добавками оксида графена в концентрациях 0,2% и 0,5%.

Далее исследователи проверили механические и электрические характеристики исходного образца и модифицированных бетонов. Образцы подвергали сжатию на лабораторной установке, одновременно фиксируя изменение их электрического сопротивления. Эксперименты показали, что введение оксида графена повысило прочность бетона на 48%.

Фото: Валерий Лепов

Кроме того, материал, который в обычном виде не проводит ток, стал электропроводным. Электропроводность изменилась в ответ на механическое воздействие: при сжатии она сначала постепенно росла, а при приближении нагрузки к пределу прочности резко уменьшалась. В связи с этим измерение проводимости модифицированного бетона может служить индикатором избыточных нагрузок. Такой подход позволяет контролировать состояние зданий, опор мостов и других сооружений в строительной практике.

— 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

Авторы также создали численную модель, позволяющую оценивать устойчивость модифицированного бетона к образованию трещин. Эта модель будет полезна при оценке надежности сооружений, выполненных из композита, особенно в экстремальных условиях, например при низких температурах в арктических регионах страны, отметили ученые.

Фото: Валерий Лепов

По словам старшего научного сотрудника кафедры функциональ­ных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ МИСИС Дмитрия Суворова, исследование меняет традиционное представление о бетоне в строительстве: он превращается в композит нового поколения, совмещающий несущую функцию, самодиагностику и дополнительные полезные свойства. Внедрение такой технологии может заметно повысить безопасность, долговечность и энергоэффективность строительства, особенно для ответственных объектов и в условиях Арктики, где требования к долговечности и безопасности особенно высоки.

— 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 достаточно известная идея. Сегодня похожие решения применяют в теплых полах в виде кабеля, существуют также греющая керамика и греющий бетон, где в качестве электропроводящего компонента используют углеродную сажу, отметил доцент отделения машиностроения, морской техники и транспорта ДВФУ, эксперт НТИ TechNet Вячеслав Селезнев.

Фото: Валерий Лепов

— 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».