Из-за основных тенденций в строительной отрасли, наблюдается растущий спрос на материалы, которые могут повысить прочность строительных конструкций. В связи с этим, существует стремление совершенствовать уже существующие строительные материалы, чтобы улучшить их эксплуатационные характеристики. Одним из таких добавок, которая способна усилить бетон, является оксид графен.
Графен состоит из плотно соединенной решетки атомов углерода толщиной в один атом. Это делает его самым тонким веществом в мире, которое при этом в 200 раз прочнее стали. Множество исследований показывают, что при добавлении минимального количества графена в бетонную смесь, значительно повышается прочность бетона.
Безусловно, применение первичных углеродных наночастиц в производстве цементных бетонов представляет огромный потенциал. Один из таких материалов - оксид графена (ОГ) размер оксидных пленок от 0,01мм до 0.1мм, благодаря своим уникальным механическим и химическим свойствам, способен значительно улучшить прочность цементного камня и придать бетону новые характеристики. Однако, как и вся новая технология, влияние нанолистов ОГ до сих пор обсуждается, и существуют противоречивые данные, которые объясняют повышение прочностных свойств цементного камня, раствора и бетона.
Данная статья представляет собой анализ результатов исследований, связанных с увеличением прочности цементных композитов. Из представленных данных видно, что добавление нано добавки ОГ существенно повышает механическую прочность цементных композитов. Большинство исследований посвящено изучению влияния ОГ на прочностные свойства цементного камня и раствора. Например, авторы работы исследовали изменение прочностных свойств цементного камня (В/Ц=0,29) и цементного раствора (Ц:П=1:3, В/Ц=0,37) при добавлении поликарбоксилатного суперпластификатора в зависимости от количества ОГ, которое составляло от 0,01% до 0,05% от массы цемента. Исследователи пришли к выводу, что наиболее эффективным оказалось добавление ОГ в количестве 0,05%.
График демонстрирует повышение прочности цементных композитов при использовании 0,05% ОГ по сравнению с составами без ОГ. Как следует в целом ОГ способствует увеличению прочности цементных композитов на всех этапах твердения. Однако наибольшее повышение прочности наблюдается на ранних этапах твердения. Согласно авторам исследования, неровная поверхность и двумерный размер пленки ОГ позволяют ей служить микроарматурой в цементной матрице, что значительно повышает ее прочность при изгибе. Они также полагают, что ОГ не только взаимодействует с цементом и способствует образованию новых кристаллических структур, но и влияет на формирование поровой структуры, увеличивая объем микропор.
В своем исследовании Haibin Yang и его коллеги изучили цементное тесто с текучестью 183 мм (расплыв конуса) при соотношении вода/цемент (В/Ц) 0,4. Они достигли такой текучести с помощью добавления 0,04% суперпластификатора и 0,12% пеногасителя. Дозировку оксида графена (ОГ) они меняли в диапазоне 0,1; 0,15 и 0,2% от массы цемента. Чтобы поддерживать одинаковую текучесть теста при одинаковом В/Ц0,4, они изменяли расход суперпластификатора. Наибольшее увеличение прочности при сжатии наблюдалось при добавлении 0,2% ОГ. Увеличение прочности при сжатии состава с ОГ по сравнению с составом без добавок в возрасте 1, 3, 7, 14, 28 дней составило соответственно 11,9%; 42,3%; 35,7%; 21,3% и 11,2%. Стоит отметить, что, как и в предыдущем исследовании, наибольшее увеличение прочности было замечено на 3-й и 7-й день твердения. Использование разных видов добавок, а также различное количество суперпластификаторов, создает сложности при оценке роли органических добавок в увеличении прочности цементного камня. Тем не менее, исследователи считают, что органические добавки не влияют на структуру гидросиликатов кальция, а повышение механических свойств цементного камня в основном происходит благодаря увеличению степени гидратации и химическим реакциям между оксидом графена, цементом и продуктами гидратации.
В университетах Австралии, включая университет Монаша, проведены глубокие исследования по данной проблеме. В ходе экспериментов была изменена дозировка оксида графена в цементе, варьируя ее от 0 до 0,3% от массы цемента при соотношении вода/цемент (В/Ц) 0,5. Исследователями было выявлено, что оптимальная дозировка составляет 0,05% от массы цемента. При этой дозировке наблюдается значительное повышение прочности бетона при изгибе и сжатии - соответственно на 41-59% и 15-33%. Авторы исследования объясняют этот эффект хорошим сцеплением пленки оксида графена с цементом. Они отмечают, что высокие прочностные свойства оксида графена придают пленкам армирующий эффект. Согласно мнению авторов, пленки оксида графена содержат карбоксильную группу, которая может реагировать с продуктами гидратации цемента, такими как C-S-H и Ca(OH)2. Для подтверждения микроармирующего свойства оксида графена была изучена морфология цементного камня, удельная поверхность цементной пасты, состоящей преимущественно из C-S-H, а также ее поровая структура. Исследователями было установлено, что введение оксида графена в цементную пасту значительно увеличивает ее объем гелевых пор в композите.
В Соединенных Штатах, в университетах Южной и Центральной Флориды, проводится активное исследование применения оксида графена в цементных системах. В данной работе были получены результаты экспериментов, направленных на изучение микроструктуры цементных паст с добавлением оксида графена, а также их морфологических, электрических и термальных свойств в процессе гидратации цемента при различных температурах (23, 100, 400, 600 и 750оС). Оксид графена был добавлен в цементную пасту в количестве 0, 1, 5 и 10% от массы цемента при водотвердом отношении 0,5. Результаты экспериментов показали, что введение оксида графена в цемент играет важную роль в формировании микроструктуры и способствует улучшению электропроводности. Данные по изучению кинетики твердения также подтверждают эффективность добавления 0,05% оксида графена от массы цемента. При этом наблюдалось повышение прочности на сжатие на 29% после 28 суток, что соответствует результатам предыдущих исследований.
Исследователи из Китая сообщают о заметном увеличении прочности цементной пасты и цементного раствора (соотношение цемента и песка 1:3) при добавлении 0,05% ОГ от массы цемента. Полученные результаты также подтверждают данные других исследователей о снижении пористости, ускорении гидратации цемента и повышении прочности цементной пасты и цементного раствора. Конкретно, через 28 суток прочность цементной пасты при изгибе возросла на 90,5%, а при сжатии на 40,4%. Прочность цементного раствора также увеличилась на 70,5% при изгибе и 24,4% при сжатии.
Таким образом, исследования показали, что использование оксида графена в качестве наномодификатора в цементных системах может быть эффективным способом контролировать микроструктуру цементного камня. Несмотря на то, что механизмы гидратации цемента все еще не полностью понятны, исследования в области нанотехнологий все больше уделяют внимание идентификации основных фаз процесса гидратации на микроуровне, таких как гель C-S-H, который влияет на физические и химические свойства цементного камня. Возможно, если мы сможем найти способы формирования желаемых наноразмерных структур гидросиликатов кальция, то сможем придать цементному камню и соответственно бетону новые уникальные свойства. Один из таких материалов - первичные синтезированные углеродные наноматериалы, включая оксид графена. Цель нашей работы - подтвердить перспективность разработок по модифицированию мелкозернистого цементного бетона с использованием оксида графена.
Исследования применения оксида графена в бетонных смесях проведены с целью улучшения механических свойств и долговечности бетонных конструкций. Оксид графена, полученный из графена путем окисления, обладает уникальными свойствами, которые могут быть полезными для улучшения качества бетона.
Одним из основных преимуществ оксида графена является его высокая прочность и жесткость, что позволяет улучшить механические свойства бетона. С добавлением оксида графена в бетонные смеси удалось достичь увеличения прочности на сжатие и изгиб, а также улучшения сцепления с армирующими материалами.
Кроме того, оксид графена имеет высокую теплопроводность и электропроводность, что может быть полезным для улучшения термической и электрической проводимости бетонных конструкций. Это может быть особенно важно в случае использования бетона в зданиях, требующих эффективной системы отопления или защиты от электромагнитных излучений.
Исследования показали, что оптимальное содержание оксида графена в бетонных смесях зависит от требуемых свойств конструкции и может варьироваться
Исследования показывают, что добавление оксида графена в бетон может значительно улучшить его механические свойства и самоуплотнение. Оксид графена может использоваться для регулирования текучести смеси и повышения прочности цементных композитов. Хотя механизм, через который оксид графена улучшает прочность цементного камня, еще не до конца понятен, многочисленные исследования за рубежом показывают потенциал этого материала. Приготовление цементного теста с использованием скоростного смесителя приводит к заметному увеличению прочности как через 7, так и через 14 и 28 дней. Особенно высокий прирост прочности был замечен при добавлении 0,05% оксида графена (соответственно 27, 53 и 50%).