Графен усилит бетон

Трехмерная печать конструкций из бетона, даже зданий из него — одна из быстро развивающихся технологий современного строительства. 3D-принтеры печатают элементы строений методом экструзии, то есть выдавливают из сопел жидкий бетон и наносят его слоями. Сейчас ученые активно исследуют влияние дополнительных добавок и присадок на характеристики полученных таким способом изделий, а также на экономию материалов и экологическую безопасность.

Традиционными добавками к бетону служат зола и шлаки. Но они дорожают, поэтому инженеры обратили внимание на известняк и кальцинированную глину. Также механические свойства печатных конструкций улучшают наноматериалы. Они снижают число межслойных границ и пустот, которые всегда присутствуют в застывшем бетоне и ухудшают его механические свойства.

Научная группа профессора кафедры гражданского и экологического строительства Университета Вирджинии Османа Озбулута (Osman E. Ozbulut) исследовала, как влияют наноразмерные добавки на бетонные смеси с известняком и прокаленной глиной. Исследователи вводили в них нанопластинки графена, который обладает исключительной механической прочностью.

Сначала графеновые пластинки диспергировали в смесях с помощью поверхностно-активных веществ и звуковых волн, а затем несколькими методами оценивали распределение этих добавок. Напечатанные образцы также испытывали на прочность при сжатии и изгибе в сравнении с литыми образцами. Микроструктурные характеристики разрушенных образцов определяли с помощью сканирующей электронной микроскопии. Ученые также оценили длительность жизненного цикла нового материала и его влияние на окружающую среду. Все измерения выполняли для различных концентраций нанопримесей.

Оказалось, что добавка графена в оптимальном к весу цемента соотношении 0,05% увеличивает предел текучести смесей и модуля упругости изделий, например повышает прочность на сжатие на 23%. По словам Османа Озбулута, добавление графена снижает выбросы углекислого газа примерно на треть, сохранив при этом необходимые прочность и гибкость строительных изделий. Статья опубликована в журнале Journal of Building Engineering.