Графен: новые возможности для бетона

РЕФЕРАТ. Уникальный набор свойств графена, представляющего собой слой обычного углерода толщиной всего в один атом, от­крывает множество потенциальных применений в различных об­ластях. В частности, графен и материалы, имеющие отношение к нему (ГиМИОГ), могут представлять интерес в качестве добавок в составе вяжущих. В обзорной статье рассмотрены возможности ГиМИОГ для улучшения традиционных характеристик бетона (прочности и долговечности) и для разработки новых многофункциональных вяжущих материалов. В числе наиболее сложных задач, требующих решения — обеспечить равномерное распре­деление графеноподобных наноматериалов в цементной матри­це. Кроме того, чтобы можно было широко применять ГиМИОГ, они должны производиться в промышленных масштабах, иметь приемлемую себестоимость и удовлетворять соответствующим стандартам качества.

Можно предположить, что наиболее интересные применения графена в составе бетона в дальнейшем будут основаны на его электропроводящих свойствах, которые позволят создать спе­циальные виды бетона, такие как самодиагностируемый бетон; бетон, позволяющий экранировать воздействие электромагнит­ных волн, и бетон с электронагревом.

Ключевые слова: графен; углерод; самодиагностируемый бетон; электропроводящий самонагревающийся бетон; бетон, экранирующий электромагнитное излучение.

Keywords: graphene, carbon, self-sensing concrete, electromagnetic interference shielding concrete, electrically conducting heating concrete.

1. Введение

В октябре 2010 года Королевская академия наук Швеции присудила Нобелевскую премию по физике Андре Гейму и Константину Новоселову (Университет Манчестера, Великобритания) «за новаторские эксперименты с двумерным материалом графеном» [1, 2]. Графен представляет собой слой обычного углерода толщиной всего в один атом; предполагается, что в такой форме углерод не является стабильным, и поэтому до открытия графена не было подтверждений его существования в свободном состоянии. Уникальный набор свойств, демонстрируемых графеном (он считается самым тонким, прочным и проводящим материалом в мире), открывает множество потенциальных применений в электротехнике, энергетике, электронике и других областях. Хотя применимость графена уже продемонстрирована на примере отдельных материалов и изделий (армированых пластиков, спортивного инвентаря и спортивной одежды, деталей смартфонов), он тем не менее рассматривается как материал будущего. Задача состоит в том, чтобы организовать масштабное производ­ство графена, имеющего приемлемую себестоимость и удовлетворяющего соответствующим стандартам качества.

В последние годы развитие технологии вяжущих материалов следует по пути использования все более сложных добавок, и в связи с этим неудивительно, что даже графен и материалы, имеющие к нему отношение (ГиМИОГ), здесь также могут представлять интерес. С учетом роли, которую цемент и бетон играют в современном обществе, вполне оправдано исследование возможных применений ГиМИОГ в плане оптимизации свойств этих материалов. В статье рассмотрены два основных направления: 1) возможности Ги МИОГ для улучшения традиционных характеристик бетона (прочности и долговечности), 2) применение ГиМИОГ при разработке новых многофункциональных вяжущих материалов, требующихся в строительстве «умных» городов.

2. Консорциум Graphene Flagship

Консорциум Graphene Flagship («Флагман Графен») [3], основанный в октябре 2013 года, призван объединить научных и промышленных исследователей для того, чтобы в течение 10 лет вывести графен из сферы академических лабораторий в евро­пейскую промышленность, создавая тем самым экономический рост, новые рабочие места и новые возможности. Исследовательская инициатива Graphene Flagship располагает бюджетом в EUR 1 млрд и координи­руется Техническим университетом Чалмерса, расположенным в Гетеборге (Швеция). Ядро консорциума состоит из более 150 академических и промышленных исследовательских групп в 23 странах. Кроме того, в проекте растет число ассоциированных участников. Graphene Flagship представляет собой новую форму совместных, скоординированных исследований в беспрецедентных масштабах, образуя крупнейшую в Европе исследовательскую инициативу.

3. Графит и графен

Графит является наиболее стабильной формой углерода. Вопреки распространенному мнению, графит высокой чистоты не сгорает даже при повышенных температурах. По этой причине он используется в ядерных реакторах в качестве замедлителя частиц. Графитовые кирпичи уменьшают скорость нейтронов и позволяют поддерживать ядерную реакцию [4]. Из-за своей инерт­ности графит также используется в качестве материа­ла тиглей для высокотемпературной плавки металлов [5]. 

Форма твердого углерода зависит от типа химических связей [6]. В алмазе связи между атомами углерода образуются орбиталями, находящимися в состоянии sp3-гибридизации; соответственно, каждый атом углерода являет­ся центром тетраэдра, в вершинах которого расположены 4 атома углерода. В графите связи между атомами углерода образуются sp2-гибридными орбиталями; каждый атом находится в центре равностороннего треугольника, в вершинах которого расположены три других атома. Графит — ​это слоис­тая структура, состоящая из сотен тысяч слоев атомов углерода, расположенных параллельно. Расстояние между атомами углерода в слое составляет 0,142 нм, расстояние между слоя­ми — ​0,335 нм (рис. 1).


Рис. 1. Структуры графита (а) [7] и графена (б) [8]

Графен представляет собой единичный слой графита. Атомы в плоскости связаны ковалентно, но только три электронные орбитали являются связывающими. Четвертый электрон делокализован в плоскости, что обусловливает наличие электрической проводимости у графита и графена, несмотря на то, что они являются неметаллами. Однако графит не проводит ток в направлении, перпендикулярном ​​плоскости.

Слои графита связаны силами Ван-дер-Вааль­са, которые настолько слабы, что поз­воляют слоям отделяться друг от друга или смещаться друг относительно друга. Расслаивание графита является предпочтительным способом получения графитовых нанопластин, т. е. стопок графена толщиной 1—15 нм и диаметром от долей микрометра до 100 мкм с межплоскостным расстоянием, соответствую­щим исходному графиту.

3.1. Семейство графена

С 2008 года графен получил свой номер CAS (1034343—98—0) — ​уникальный числовой идентификатор, который однозначно идентифицирует химическое вещество. Тем не менее не обошлось без путаницы и не­определенности, поскольку четких соглашений все еще нет. В настоящее время термин «графен» — собирательный, характеризую­щий не только сам графен, но и многие материалы, имеющие к нему отношение (МИОГ). Под термином «графен» объединены несколько структур, самые распространенные из них — ​одно-, малослойные графены (с 2—10 слоями), графитовые нанопластинки (включающие в себя более 10 графеновых слоев, но имеющие толщину менее 100 нм), оксид графена (ОГ, обычно в виде одного слоя), восстановленный оксид графена (вОГ).

Группой ученых предложена классификация, основанная на трех основных парамет­рах: 1) числе слоев; 2) соотношении атомов углерода и кислорода (–C/O) и 3) средних поперечных размерах [9].

Со временем были разработаны аналитические методы для классификации МИОГ; наи­более часто используются просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ), сканирующая электронная микроскопия (СЭМ), атомно-силовая микроскопия (АСМ), спектроскопия комбинационного рассеяния (СКР), рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФС), масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС).

4. Графен как добавка в составе бетона, влияющая на его свойства и долговечность

Бетон является наиболее широко ис­поль­зуе­мым строительным материалом, по востребованности он уступает только воде. Таким образом, цемент — ​ключевой компонент бетона — ​формирует большую часть антропогенной среды, но вместе с тем он оставляет огромный «углеродный след». В 2016 году общемировая эмиссия CO2, обусловленная производством цемента, составила около 2,2 млрд т, или 8 % всех выбросов СО2 [10].

Современная цементная промышленность постепенно снижает свое негативное воздействие на окружающую среду, используя технологические достижения (например, сухой способ производства, вертикальные мельницы и др.), заменяя первичное сырье отходами (например, известняк — загрязненными грунтами и др.), наращивая использование отходов в качестве альтернативного топлива, заменяя часть клинкера техногенными продуктами (например, золой-уносом) и др. С 1990 года цементные компании достигли значительного сокращения выбросов CO2 — ​на 18,3 % на 1 т произведенного цемента [11]. 

Бетон характеризуется очень низким соотношением энергозатрат к объему производ­ства. В первую очередь это обусловлено многокомпонентным его составом, где цемент — ​это только незначительная часть, а прочие компоненты зачастую можно получить из местных источников, так что на транспортировку приходится лишь около 7 % всех энергозатрат на производство бетона. Даже если суммарный объем энергозатрат зависит от типа бетона, он ниже, чем у любого другого строительного материала, кроме древесины [12]. В любом случае «углеродный след» бетона прямо пропорционален содержанию цемента в бетонной смеси. Следовательно, способ уменьшить «углеродный след» заключается в снижении содержания цемента в бетоне при сохранении требуемой прочности. Кроме того, чем чаще бетонные сооружения требуется заменять или восстанавливать, тем больше бетона нужно производить. Следовательно, повышенная долговечность сооружения способствует сокращению «углеродного следа». Исходя из этого, большая часть исследований по применению графена в композитах на основе цемента направлена ​​на изучение влияния частиц наноуглерода на прочность.

4.1. Оксид графена и цемент

Разумно полагать, что МИОГ могут каким-либо образом взаимодействовать с продуктами гидратации цемента, т. е. C—S—H или Ca(OH)2, и посредством этого взаимодей­ствия влиять на механическую прочность. По данной причине в подавляющем большин­стве статей о цементных композитах описано использование в них оксида графена (ОГ), который состоит из отдельных мономолекулярных слоев графита, модифицированных гидроксильными (–OH) и эпоксидными (>O) группами, а также карбоксильными (–COOH) и карбонильными (–C=O) группами по краям (рис. 2).


Рис. 2. Схематичная структура оксида графена

4.1.1. Диспергируемость ОГ в водных средах. Благодаря кислородсодержащим группам ОГ имеет уникальные свойства: он обладает некоторой диспергируемостью в воде вследствие образования водородных связей с молекулами воды и отталкивания кислородсодержащих функциональных групп, хотя исследований состояния ОГ в составе цементных суспензий все еще очень мало.

Некоторые основные положения и достижения можно суммировать следующим образом:

⋅ агломерация наноматериалов — ​общая проблема, обусловленная действием ван-дер-ваальсовых сил между наночастицами. Между тем однородное распределение ОГ в цементном тесте имеет важное значение, поскольку этим обеспечивается потенциальная возможность взаимодействия с продуктами гидратации;

⋅ высокая щелочность и ионы кальция также являются факторами, вызывающими агломерацию ОГ в цементной системе. Формирование агломератов ОГ можно наблюдать, даже если просто ввести его в поровую жидкость. Этот процесс можно объяснить двумя причинами. Во-первых, из-за высокого показателя pH цемент­ного теста карбоксильная группа нанослоев ОГ депротонируется и участвует в комплексообразовании с катионами кальция, выделяющимися при растворении цемента в воде. Соответственно, карбоксильные группы, которые придают отрицательный заряд слоям ОГ, больше не выполняют эту функцию, что и приводит к агрегации слоев ОГ [13]. Во-вторых, ОГ реагирует с гидроксид-ионами в щелочных растворах и утрачивает значительную часть своих кислородсодержащих групп (кроме карбоксильных). Это также способ­ствует уменьшению вклада сил отталкивания и способствует агрегации частиц [14];

⋅ преодолеть агрегацию частиц МИОГ в водной среде, содержащей ионы кальция, позволяет его ультразвуковая обработка [15, 16], в том числе в присутствии поверх­ностно-активного вещества, например, поликарбоксилатного суперпластификатора (ПКС), до смешивания его с цементом.

Типичная структура ПКС представлена на рис. 3.


Рис. 3. Схематичная структура ПКС

Поликарбоксилаты, по существу, препят­ствуют участию ОГ в двух химических процессах: 1) комплексообразовании кальция с карбоксильными центрами в ОГ [13]; 2) реакции гидроксид-ионов в щелочном растворе с некарбоксильными функциональными группами в ОГ [14].

4.1.2. Взаимодействие ОГ с цементом. В некоторых исследованиях последних лет предлагается использовать ОГ для улучшения механических свойств цементного теста и раствора. Однако, как отмечается в работе [17], результаты этих исследований не согласуются между собой: они демонстрируют различное влияние ОГ на механические свойства композита из-за использования различных видов ОГ и различных условий приготовления.

Исследования [18—23], выполненные на цементном тесте, преследовали цель изучить гидратацию цемента в присутствии графена, а именно — ​кинетику гидратации, морфологию гидратов в ходе роста и в конечном состоя­нии, взаимодействие графена с продуктами гидратации. Также исследовалось влияние графена на прочность. Следую­щим значительным этапом стали исследования [24—30], выполненные на растворных смесях. Авторы преимуще­ственно указывают на увеличение прочности при сжатии, растяжении и изгибе теста и раствора; соответ­ствующие обобщения представлены в [31—34]. Имеются данные о том, что чрезвычайно низкие дозировки ОГ (0,02—0,08 % масс.) заметно влияют на цемент­ный камень или цементно-песчаный раствор.

Во многих случаях ОГ увеличивал проч­ность в определенном возрасте, но не влиял на нее в другие периоды, особенно в раннем возрасте. Возможными причинами повышения прочности являются: механическое сцепление, обусловленное особенностями морфологии; сильное взаимодействие между слоями ОГ и микротрещинами, обусловленное соответствием их геометрических факторов; взаимодействие между функциональными группами и продуктами гидратации; уплотнение мик­роструктуры переходной зоны и увеличение доли мельчайших пор в цементном растворе [35—38].

Подвижность цементного теста с добавкой ОГ существенно снижается. Это можно объяснить сокращением количества свободной воды, поскольку ОГ обладает высокой удельной поверхностью, и, соответственно, может иметь высокую водопоглощающую способность [26].

Подвижность можно восстановить путем ​​добавления ПКС, оказывающего диспергирую­щее действие и на частицы цемента, и на час­тицы ОГ. Исследование влияния дозировки ОГ предпочтительнее проводить при одинаковой подвижности, а не при одинаковом содержании ПКС, поскольку изменение подвижности может существенным образом повлиять на прочность и привести к неверным выводам.

Даже если ОГ хорошо диспергируется в воде, нет полной гарантии, что он будет хорошо диспергироваться в цементной мат­рице. В связи с этим механизм диспергирования наноматериалов необходимо изучать дальше [39].

Формирование продуктов гидратации цемента в виде правильных многогранных структур наблюдалось в цементном тесте и цемент­ном растворе, содержащих ОГ [23, 40]. Тем не менее нет единого мнения о взаимодействии ОГ с частицами портландцемента и продуктами гидратации.

Подчеркнем, что большая часть исследований касается цементного теста и цемент­но-песчаных растворов, хотя с практической точки зрения бетон должен представлять больший интерес. Однако работ, в которых рассматривается бетон с добавкой графена, мало [41—43].

5. Графен в бетоне для многофункциональных материалов

Новые материалы находят широкий спектр применения из-за их различной реакции на внешние возмущения. Исследователи материалов для строительной промышленности исследуют в том числе графен в целях придания бетону новых свойств, например, электрической проводимости; это открывает для бетона разнообразные функции и области применения, такие как электрообогрев (например, для предохранения от наружного обледенения или для внутреннего обогрева здания); заземление; рассеяние статического заряда; защита от молний или электромагнитного излучения; генерация термоэлектрической энергии; накладные элементы (электрические контакты), используемые при катодной защите стальной арматуры в бе­тоне.

5.1. Самодиагностируемый бетон

Вероятно, одной из наиболее интересных разработок с применением многофункциональных материалов является «самоконтролируемый» бетон, также известный как «самодиа­гностируемый» или «пьезорезистивный» [44]. Это конструкционный материал, который может откликаться на возникающие в нем напряжения, деформации, трещины, повреждения, изменения температуры и влажности соответствующим изменением его электрических характеристик. Более того, он способен вырабатывать сигнал без использования встроенных, подсоединенных или удаленных датчиков [45]. Свойство самодиагностики достигается за счет включения в цементную матрицу электропроводящих элементов, таких как стальные волокна, стружка и опилки, и материалов на основе углерода, например, коксового порошка, графита, углеродных волокон и последнего, но не менее важного, — ​графена. Функциональные наполнители должны быть хорошо диспергированы в бетонной матрице, чтобы получилась объемная проводящая сеть внутри бетона. Превосходная проводимость графеновых материалов делает их высокоценными составными частями для самодиагностируемого бетона, при условии, что структура графена достаточно хорошо сохраняется в ходе производства строительного материала или его последующей обработки. Монослойные и малослойные графены (менее чем с 10 слоями) имеют стоимость, которая в настоящее время неприемлема для строительной промышленности, поэтому основное внимание концентрируется на графитовых нанопластинах (рис. 4).


Рис. 4. Электронно-микроскопическое изображение графитовых нанопластин (5KX) (фото любезно предоставлено компанией Italcementi)

В будущем самодиагностируемый бетон может применяться прежде всего для мониторинга различных элементов инфраструктуры. Бетонные конструкции демонстрируют хорошие механические свойства и долговечность, если спроектированы и построены правильно. Тем не менее многие из них подвергаются час­тому ремонту и техническому обслуживанию (repair and maintenance, R&M), которые являют­ся дорогостоящими и приводят к значительным нагрузкам на экологическую и социальную сферу. С 2011 по 2015 год примерно пятая часть общего объема гражданского строительства в Великобритании приходилась на работы R&M [46]. Идентификация дефектов, зарождаю­щихся вследствие обычных причин, таких как воздействие окружающей среды в течение длительного времени, с наличием трафика или без него, или вследствие экстраординарных событий, таких как землетрясения, необходима для оценки ситуации, обслуживания и принятия решений. В настоящее время использование датчиков, рассредоточенных на относительно большой территории, является традиционным решением для структурного мониторинга состояния гражданской инфраструктуры. Сложности связаны с высокой стоимостью датчиков, низкой долговечностью и плохой совместимостью с местом установки. Самодиагностируемые цементные композиты могут стать более прак­тичной и надежной альтернативой для мониторинга состояния бетонных конструкций [47].

Американское общество инженеров-строи­телей (The American Society of Civil engineers, ASCE) в 2017 году подсчитало, что стране понадобится почти US$ 2,4 трлн дополнительных инвестиций для ремонта и восстановления значительной части существующей инфраструктуры к 2025 году [48]. Это явный признак того, что существует неотложная необходимость обеспечить более высокую надежность и стабильность будущей инфраструктуры.

Помимо мониторинга состояния конструкций перспективным применением самодиагностируемых цементных композитов (в виде плит) являются датчики веса для анализа автомобильного трафика и людского потока [49]. Успешное применение самодиагностируемого бетона было продемонстрировано на испытательном участке в исследовательском центре Миннесота-Роуд (MnROAD) недалеко от Альбервиля, штат Миннесота, США [50]. В данном случае в качестве составляющих, способных изменять электрическое сопротивление пропорционально физического нагрузке, использовались углеродные нанотрубки. Нанопластины графена имеют такую ​​же химическую структуру, что и углеродные нанотрубки, но их внут­ренняя структура образована слоями графена толщиной всего несколько нанометров. По сравнению с углеродными нанотрубками, частицы графена менее склонны к агломерации и спутыванию, когда они используются в качестве нанонаполнителей в композиционных мате­риалах.

5.2. Бетон, экранирующий от электромагнитного излучения

Защита от электромагнитного излучения (ЭМИ) пользуется растущим спросом, главным образом из-за распространения современных радиоэлектронных устройств в телекоммуникациях, промышленном оборудовании и бытовых приборах, заставляющих общество жить в электромагнитной среде. Прежде экранирование от ЭМИ преимущественно основывалось на предотвращении утечек ЭМИ за пределы оборудования («предотвращении утечек ЭМИ наружу»), и предотвращении его воздействия извне на электронные приборы и устройства («предот­вращении воздействия ЭМИ извне») во избежание помех и сбоев. В последнее время в связи со все более широким использованием беспроводных технологий растет восприятие людьми потенциально опасного воздействия электромагнитного излучения, в том числе из-за отсутствия достоверных и проверенных временем данных о влиянии электромагнитных волн на здоровье людей. Предполагается, что вместе с повышением качества жизни возрастут требования к уровню безопасности во всех сферах жизнедеятельности; соответственно, защита от ЭМИ должна снизить электромагнитное воздей­ствие, которому люди подвергаются постоянно в течение всей жизни. Кроме того, правильно спроектированная система экранирования от ЭМИ может принести существенную пользу в защите от новых угроз, например, разрушительных электромагнитных импульсов, и может рассматриваться как важный фактор защиты системы.

Типичные материалы/изделия, используемые для электромагнитного экранирования, — ​листовой металл, металлический экран и металлические пленки. Любые отверстия в экране или сетке должны быть значительно меньше, чем длина волны воздействующего излучения, иначе защита не будет представлять собой цельную проводящую поверхность. Обычным материалом, используемым для изготовления корпусов для экранирования, является мю-металл — ​сплав, состоящий из 14 % железа, 5 % меди, 1,5 % хрома и 79,5 % никеля или близкий по составу. Другие металлические материалы, используемые в качестве экранов, — ​латунь, алюминий, серебро, никель, нержавеющая сталь, металлизированные пластики и проводящие углеродно-графитовые композиты. Экранирую­щие материалы на основе металлов имеют ряд недостатков: большую массу; подверженность коррозии; сложность придания формы, в точности соответствующей защищаемой структуре; сложность их настройки на максимальную эффективность экранирования. Вместе с тем углерод (графит) характери­зуется ограниченной механической гибкостью. Поэтому были предложены другие материалы, такие как проводящие полимеры, например, полианилин и полипиррол [51]. Графен также является перспективным кандидатом на эту роль из-за высокой электропроводности, низкой плотности, высокой удельной поверх­ности, оптимального коэффициента формы частиц, превосходной химической и экологической стабильности и механической гибкости. Исследования показывают, что экранирование нанокомпозитными материалами на основе углеродных наноструктур может иметь преимущества перед обычным металлическим экранированием [52—54]. Даже если основная часть исследований посвящена экранированию электронных устройств, результаты можно использовать в качестве отправной точки для применений в строительном секторе.

5.3. Бетон с возможностью электронагрева

Было предпринято несколько попыток [55] разработать электропроводящий бетон для придания ему возможности самонагрева; такой материал представляет интерес в решении проблемы обледенения парковочных гаражей, тротуаров, проезжей части, автомобильных мостов, пешеходных дорожек в аэропортах, а также создания теплых полов и стен внутри помещений. Факторами, влияющими на электрическое удельное сопротивление бетона, являются тип используемого цемента, водоцементное соотношение, характер твердения, степень гидратации, карбонизация, наличие хлоридов и др. [56]. Удельное сопротивление термически высушенного бетона изменяется примерно от 102 до 109 Ом · м [57].

Разработка электропроводящего бетона с возможностью самонагрева основана на принципе «электрической перколяции», при которой электрическая проводимость композита увеличивается на несколько порядков, когда содержание проводящей фазы достигает критического «порогового» значения. Такой эффект может быть достигнут путем введения материалов, обеспечивающих образование в матрице бетона цепочек контактирующих между собой частиц во всех направлениях, которые обеспечивают движение электронов. Типичными проводящими компонентами яв­ляются стальные волокна, стружка и опилки, однако последние, как правило, имеют меньшую чистоту. К углеродным добавкам относятся порошок графита, кокс (т. е. коксовая мелочь), углеродные волокна и нановолокна [57, 58]. С открытием графена здесь появились новые возможности. Чистый графен еще не выпускается в промышленных масштабах. Основным препятствием являются низкая производительность процесса изготовления и высокая себестоимость. Вмес­те с тем графеновые нанопластинки, также обладающие замечательными физическими свойствами, производятся в промышленных масштабах и имеют низкую себестоимость [59].

Нагревательные элементы действуют как электрическое сопротивление (R), и количество тепла Q, выделенного за определенное время t, определяется по закону Джоуля:

Q = I2Rt,

где I — ​ток, протекающий через проводник.

Недавно исследователи из Italcementi Heidel­bergCement Group разработали тонкий (толщиной около 2 мм) цементный композит, способный выполнять функцию нагревательно­го элемента для внутреннего покрытия и содержащий графеновые нанопластинки и другие компоненты [60]. Основные характеристики: удельное сопротивление ниже 0,5 Ом · м, прочность при сжатии около 15 МПа и достаточная устойчивость к царапинам. Благодаря преобразованию электрической энергии в тепло тонкий слой этого высокопроводящего цемент­ного компаунда, размещенного под полом или слоем штукатурки, будет представлять собой эффективную систему отопления при минимальном сокращении полезного пространства. Это долгосрочное решение, которое требует минимального обслуживания и способствует энергосбережению, потенциально предоставляя также экономические преимущества. Организация «сухого» отопления пола обходится сравнительно недорого, не требует использования труб, легко осуществляется на верхних этажах новых и старых зданий, где установка сис­темы водяного отопления и транспортировка жидкости по размещенным под напольным покрытием трубам может быть проблемой. Электричество может вырабатываться с помощью фотоэлектрических панелей.

6. Заключение

Новая форма углерода — ​графен — ​значительно превосходит большинство других его форм по механическим, электрическим и термическим свойствам. Графен обладает потенциалом для улучшения структурных характеристик и долговечности цементных материалов, по крайней мере, как было показано на примере цементного камня и цемент­ного раствора. Но даже в случае этих, более простых по сравнению с бетоном, материалах существует множество проблем, требующих решения. Одна из основных сложных задач — ​обеспечить равномерное распределение наноматериалов в цементной матрице. Тенденция графеноподобных материалов образовывать агломераты в водной среде, содержащей ионы кальция, препятствует их равномерному диспергированию в цементной пасте, что может ухудшить микроструктуру бетона и вмес­те с тем его механические свойства.

Рассматривая промышленную применимость графена в составе бетона, можно предположить, что наиболее интересные применения в дальнейшем будут основаны на электропроводящих свойствах и создании на этой основе специальных видов бетона, таких как самодиагностируемый бетон; бетон, экранирую­щий от воздействия электромагнитных волн, и бетон с электронагревом.



ЛИТЕРАТУРА

1. Royal Swedish Academy of Science. Press release. 5 October 2010 [Электронный ресурс]. URL: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2010/press-release/ (дата обращения 09.03.2020).

2. The Nobel Prize in Physics 2010 [Электронный ресурс]. URL: https://www.nobelprize.org/uploads/2018/06/popular-physicsprize2010.pdf (дата обращения 09.03.2020).

3. About graphene flagship [Электронный ресурс]. URL: https://graphene-flagship.eu/project/pages/about-graphene-flagship.aspx (дата обращения 10.03.2020).

4. Graphite blocks in nuclear power stations [Электронный ресурс]. URL: https://www.edfenergy.com/energy/graphite-core (дата обращения 09.03.2020).

5. Crucible [Электронный ресурс]. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Crucible (дата обращения 09.03.2020).

6. Graphite [Электронный ресурс]. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Graphite (дата обращения 09.03.2020).

7. About Graphite [Электронный ресурс]. URL: https://superiorgraphite.com/innovation/about-graphite/ (дата обращения 09.03.2020).

8. Graphene structure [Электронный ресурс]. URL: https://de.wikipedia.org/wiki/Datei: Graphene_structure.svg) (дата обращения 09.03.2020).

9. Wick P., et al. Classification framework for graphene-based materials // Angew. Chem., Angewandte Chemie Int. Edition. 2014. Vol. 53, N 30. P. 7714—7718.

10. Climate change: The massive CO2 emitter you may not know about [Электронный ресурс]. URL: https://www.bbc.com/news/science-environment‑46455844 (дата обращения 10.03.2020).

11. Global Cement and Concrete Association. GNR — ​Getting the Numbers Right or GCCA in NumbeRs [Электронный ресурс]. URL: https://gccassociation.org/sustainability-innovation/gnr-gcca-in-numbers/ (дата обращения 10.03.2020).

12. Hammond G. P., et al. Embodied energy and carbon in construction materials // Proc. Institutions of Civil Engineers. 2008. Vol. 161, is. EN2.

13. Ghazizadeh S. A., et al. An investigation into the colloidal stability of graphene oxide nano-layers in alite paste // Cement and Concrete Res. 2017. Vol. 99. P. 116—128.

14. Ghazizadeh S. A., et al. Understanding the behaviour of graphene oxide in Portland cement paste // Cement and Concrete Res. 2018. Vol. 111. P. 169—182.

15. Zhang B., et al. Study of ultrasonic dispersion of graphene nanoplatelets // Materials. 2019. Vol. 12. P. 1757.

16. Baig Z., et al. Investigation of tip sonication effects on structural quality of graphene nanoplatelets (GNPs) for superior solvent dispersion // Ultrasonics Sonochemistry. July 2018. Vol. 45. P. 133—149.

17. Gholampour A., et al. Revealing the dependence of the physiochemical and mechanical properties of cement composites on graphene oxide concentration // RSC Adv. 2017. Vol. 7. P. 55148—55156.

18. Birenboim M., et al., Reinforcement and workability aspects of graphene-oxide-reinforced cement nanocomposites // Composites. Pt B. 2019. Vol. 161. P. 68—76.

19. Mokhtar M. M., et al. Mechanical performance, pore structure and micro-structural characteristics of graphene oxide nano platelets reinforced cement // Construction and Building Materials. 2017. Vol. 138. P. 333—339.

20. Wengui Li, et al. Effects of graphene oxide on early-age hydration and electrical resistivity of Portland cement paste // Construction and Building Materials. 2017. Vol. 136. P. 506—514.

21. Shenghua Lv, et al. Fabrication of GO/cement composites by incorporation of few-layered GO nanosheets and characterization of their crystal/chemical structure and properties // Nanomaterials. 2017. Vol. 7. P. 457.

22. Baomin Wang, et al. Investigation of the mechanical properties and microstructure of graphene nanoplatelet-cement composite // Nanomaterials. 2016. Vol. 6. P. 200.

23. Shengua Lv, et al. Use of graphene oxide nanosheets to regulate the microstructure of hardened cement paste to increase its strength and toughness // CrystEngComm. 2014. Vol. 16, N 36. P. 8508—8516.

24. Krystek M. et al., High-Performance Graphene-Based Cementitious Composites // Adv. Sci. 2019. 1801195 [Электронный ресурс]. URL: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/advs.201801195 (дата обращения 09.03.2020).

25. Chougan M., et al. // Construction and Building Materials. 2019. Vol. 227. P. 116701.

26. Kjaernsmo H., et al. The effect of graphene oxide on cement mortar // IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2018. 362. doi:10.1088/1757—899X/362/1/012012.

27. Pang J., et al. Graphene Oxide on the Microstructure and Mechanical Properties of Cement Based Composite Material // Frattura ed Integrità Strutturale. 2018. Vol. 12, N45. P. 156—163.

28. Kang D., et al. Experimental study on mechanical strength of GO-cement composites // Construction and Building Materials. 2017. Vol. 131. P. 303—308.

29. Li X., et al. Improvement of mechanical properties by incorporating graphene oxide into cement mortar // Mechanics of Advanced Materials and Structures. 2017. P. 1313—1322.

30. Tong T., et al, Investigation of the effects of graphene and graphene oxide nanoplatelets on the micro-and macro-properties of cementitious materials // Construction and Building Materials. 2016. Vol. 106. P. 102—114.

31. Shamsaei E., et al. Graphene-based nanosheets for stronger and more durable concrete: A review // Construction and Building Materials. 2018. Vol. 183. P. 642—660.

32. Boksun K., et al. Proc. World Congr. on Advances in Structural Engineering and Mechanics (ASEM), 2017, Ilsan (Seoul), Korea.

33. Zheng Q., et al. Nanomaterials and Nanotechnology. 2016. Vol. 7. P. 1—18.

34. Yang H., et al. A critical review on research progress of graphene/cement based composites // Composites: Pt A. 2017. Vol. 102. P. 273—296.

35. Lu Z., et al. Early-age interaction mechanism between the graphene oxide and cement hydrates // Construction and Building Materials. 2017. Vol. 152. P. 232—239.

36. Pan Z., et al. Mechanical properties and microstructure of a graphene oxide–cement composite // Cement & Concrete Composites. 2015. Vol. 58. P. 140—147.

37. Li X., et al. Incorporation of graphene oxide and silica fume into cement paste: A study of dispersion and compressive strength // Construction and Building Materials. 2016. Vol. 123. P. 327—335.

38. Gong K., et al. J. Materials in Civil Engineering. 2015. Vol. 27, N 2.

39. Uttam Kumar, et al. // IJSART. 2017. Vol. 3, N 5.

40. Shengua Lv, et al. Effect of GO nanosheets on shapes of cement hydration crystals and their formation process // Construction and Building Materials. 2014. Vol. 64. P. 231—239.

41. Dimov D., et al. Ultrahigh performance nanoengineered graphene–concrete composites for multifunctional applications // Adv. Funct. Mater. 2018. Vol. 28. 1705183.

42. Valles R. J.A., et al. Optimizing content graphene oxide in high strength concrete // Intern. J. of scientific research and management. 2016. Vol. 4, N 6. P. 4324—4332.

43. Devasena M., et al. Investigation on strength properties of graphene oxide concrete // Intern. J. of Eng. Sci. Invention Res. and Development. 2015. Vol. 1, N 8.

44. Wrya A. A. // Proc. of ISER211th Intern. Conf., Sydney, Australia, 2019.

45. Han B. G., et al. Intrinsic self-sensing concrete // Measurement. 2015. Vol. 59. P. 110—128.

46. HM Treasury (2010), Infrastructure Cost Review: Main Report, Group. [Электронный ресурс]. URL: http://www.hmtreasury (дата обращения 09.03.2020).

47. Papanikolaou I., et al. // Proc. 10th Int. Symp. IS‑2020, Cambridge, 2020.

48. Mishra D. K., et al. // Sixth Intern. Conf. on Durability of Concrete Structures, 2018, University of Leeds, Leeds, West Yorkshire, LS2 9JT, U.K.

49. D’Alessandro, et al. Self-sensing concrete nanocomposites for smart structures // Intern. J. Civil and Environmental Eng. 2016. Vol. 10, N 5.

50. Han B., et al. // Smart Materials and Structures. 2013. Vol. 22, N 1. 015020.

51. Shukla V. Review of electromagnetic interference shielding materials fabricated by iron ingredients // Nanoscale Adv. 2019. Vol. 1, N 5. P. 1640—1671.

52. Yan-Jun Wan, et al. Graphene paper for exceptional EMI shielding performance using large-sized graphene oxide sheets and doping strategy // Carbon. 2017. Vol. 122. P. 74—81.

53. Yudhajit Bhattacharjee // J. Mater. Chem. C, doi: 10.1039/c7tc02172k.

54. Kashani H., et al. Unprecedented electromagnetic interference shielding from three-dimensional bicontinuous nanoporous graphene // Matter. 2019. N 1. P. 1077—1087.

55. Yehia S.// ACI Materials Journal, Technical papers 97-M23, March—April 2000.

56. Banea P. MSc Thesis: Study of electrical resistivity of mature concrete. Delft University of Technology, 2015.

57. Madhavi T. Ch. Electrical conductivity of concrete // ARPN J. of Eng. and Appl. Sci. 2016. Vol. 11, N 9.

58. Chung D. D.L. Electrically conductive cement-based materials // Advances in Cement Res. 2004. Vol. 16, N 4. P. 167—176.

59. Cataldi P., et al. Graphene nanoplatelets-based advanced materials and recent progress in sustainable applications // Appl. Sci. 2018. Vol. 8. P. 1438.

60. A "graphene" cement that conducts electricity and can heat homes: Italian research brings intelligent concrete to the Mobile World Congress in Barcelona. Italcementi press release, February 2019.



Автор: М. Гойсис

Поделиться:  
Заказать этот номер журнала «Цемент и его применение» или подписаться с любого месяца можно по ссылке
Использование опубликованных на сайте новостных материалов допускается только с упоминанием источника (журнал «Цемент и его применение») и активной гиперссылкой на цитируемый материал.