کاربرد گرافن در بتن

در این بخش به مباحثی در زمینه فواید کاربرد گرافن در بتن خواهیم پرداخت:

شهرنشینی سریع و الزامات مقرراتی جدید مهندسی عمران در سراسر جهان نیاز به زیرساخت های چالش برانگیزتری دارد. این چالش‌ها توسعه مواد ساختمانی نانومهندسی چند منظوره با کارایی فوق‌العاده بالا را می طلبد.

نانوتکنولوژی در فناوری عمران توجه زیادی را به خود جلب کرده است. ترکیب نانومواد می تواند به طور قابل توجهی خواص ساختاری و مکانیکی کامپوزیت های سیمانی را افزایش دهد. محققان تاکنون بسیاری از کامپوزیت های سیمانی را که در مقیاس نانو مهندسی شده اند، ساخته اند، مانند کامپوزیت های تقویت شده با گرافن.

بتن در ساخت و ساز

بتن، پرکاربردترین مصالح ساختمانی روی کره زمین، در حال انجام تحقیقات قابل توجهی برای بهبود عملکرد و کاربرد آن است. این ماده به دلیل استحکام، دوام و تطبیق پذیری برای مدت طولانی به عنوان یک مصالح ساختمانی مورد استفاده قرار گرفته است و آن را به یک جایگزین بادوام و طولانی مدت برای کاربردهای مختلف خانگی و تجاری تبدیل کرده است.

چالش های مرتبط با بتن

علیرغم تمام ویژگی های بتن، بخش صنعتی به دلیل نیاز به حداقل رساندن انتشار دی اکسید کربن جهانی، با واکنش شدید استفاده از بتن مواجه است. علاوه بر این، الزامات سختگیرانه استحکام، مقاومت، سازگاری با محیط زیست، استقرار در محیط‌های پر استرس، و مبارزه با نفوذ رطوبت برای مصالح ساختمانی، نیاز به نوع مقاوم‌تری از بتن با خواص مکانیکی پیشرفته‌تر دارد.

چگونه می توان ویژگی های بتن را تقویت کرد؟

بر اساس توصیه‌های جامعه علمی، بتن باید در مقیاس نانو مهندسی شود تا بتوان ویژگی‌های مکانیکی، شیمیایی و فیزیکی آن را بهینه کرد. افزودن مواد افزودنی مانند گرافن می تواند عملکرد آن را افزایش دهد.

کامپوزیت های گرافن بتن

گرافن را می توان به عنوان یک افزودنی به بتن اضافه کرد تا آن را قوی تر، بادوام تر و انعطاف پذیرتر کند. این ترکیب گرافن می تواند طول عمر ساختمان ها را با کاهش ترک ها و خوردگی افزایش دهد.

چرا گرافن در بتن؟

گرافن مطمئناً یک اکتشاف جدید است. با این حال، پتانسیل واقعی را به عنوان یک افزودنی بتن نشان می دهد. بتن ساخته شده با سیمان پرتلند معمولی استحکام فشاری را با هزینه اندک ارائه می دهد. این کیفیت آن را به یکی از محبوب ترین مصالح ساختمانی در جهان تبدیل می کند. با این حال، استحکام کششی کم در بسیاری از کاربردها نیاز به تقویت دارد.

بتن گرافنی به طور همزمان مقاومت فشاری، مقاومت خمشی و مقاومت کششی تقسیم را بهبود می بخشد. بتن ارتجاعی تر کمتر ترک می خورد و بهتر در مقابل تنش مقاومت می کند. بتن مقاوم، در برابر ترک بیشتر دوام بیشتری دارد و به نگهداری کمتری نیاز دارد.

استحکام خمشی

بررسی ها نشان دادن که افزودن نانو صفحات اکسید گرافن استحکام خمشی بتن معمولی را 15.6% افزایش می دهد.

مقاومت فشاری

مطالعات انجام شده نشان داده است که مقاومت فشاری بتن گرافنی 146% بیشتر از بتن استاندارد است. بتن قوی تر امکان طراحی سازه های سبک وزن را فراهم می کند. استحکام اضافه شده به مهندسان معماری اجازه می دهد تا کارهای بیشتری را با میزان مواد کمتر انجام دهند. یک ماده سبک تر اغلب به معنای طراحی های پویاتر و انتشار کربن کمتر است.

مقاومت آب

محققان مشاهده می کنند که “دوام بتن به ظرفیت سیال برای نفوذ به ریزساختار آن بستگی دارد.” بتن گرافنی تا چهار برابر کمتر از همتای سنتی خود نفوذپذیری دارد. نفوذپذیری کم میزان آب، در معرض گذاری خطر را کاهش می دهد. به طور معمول، رطوبت از طریق شکاف ها و منافذ مویرگی نفوذ می کند. بتن تقویت شده با گرافن نیز واکنش قلیایی سیلیس (ASR)  را به حداقل می رساند. عموما تورم ناشی از نفوذ رطوبت است. این تورم منجر به ترک خوردگی و سایر مسائل ساختاری می شود.

سازگار با محیط زیست

بتن تقویت شده با گرافن از سیمان بسیار کمتری برای ایجاد مقاومت مورد نظر استفاده می کند. در نتیجه، بر اساس یک برآورد، ممکن است انتشار CO2 را تا 983 پوند در هر تن کاهش دهد. همچنین می توان گرافن را از منابع پایدار تهیه کرد. به عنوان مثال، محققان دانشگاه رایس گرافن را از زباله تولید کردند.

چگونه گرافن ویژگی های بتن را بهبود می بخشد؟

بتن معمولی معمولاً از سیمان تشکیل شده است و تغییراتی در ساختار سیمانی انجام می شود. ذرات سیمان از عناصر متعددی مانند سیلیکات کلسیم، آلومینیوم، سیلیکون، آهن و آلومینوفریت ها تشکیل شده اند. واکنش هیدراتاسیون باعث می شود که ذرات سیمان در معرض آب از پودر به کریستال های فیبری تبدیل شوند. توسعه و اتصال ذرات سیمان در طول زمان مهمترین متغیر در تعیین کیفیت مواد بتن است. خواص شیمیایی و فیزیکی قابل توجه نانومواد آنها را به موثرترین وسیله برای بهبود ماتریس داخلی بتن تبدیل کرده است.

مشاهده شده که سازه های بتن مسلح به گرافن به عنوان یک مانع آب عمل می کنند و در نهایت دوام سازه را افزایش می دهد. سازه ساخته شده با بتن گرافنی مقاومت بالایی دارد که از خوردگی میلگردهای فولادی و پایداری حرارتی بالا جلوگیری می کند و ظرفیت گرمایی یک ماده را افزایش می دهد.

همه این یافته های تجربی، بتن مسلح گرافن را به یک ماده ساختمانی امیدوارکننده برای صنعت ساختمان سازی سبزتر و دوستدار محیط زیست تبدیل می کند.

بتن گرافنی: کاربردهای بالقوه

کاربردهای بالقوه بتن گرافنی بسیار زیاد است. آنها شامل مواردی هستند که از انعطاف پذیری، هدایت و/یا نفوذ ناپذیری آن بهره می برند. محققان تنها شروع به بررسی طیف گسترده ای از احتمالات کرده اند.

استقرار در محیط های پر استرس

شکنندگی بتن سنتی یک نگرانی ذاتی در مناطق با تنش بالا است. در مقابل، بتن گرافنی استحکام خمشی را نشان می دهد که آن را به یک جایگزین مناسب تبدیل می کند.

مبارزه با نفوذ رطوبت

نفوذپذیری کم آب، استفاده از بتن گرافنی را در هر جایی که رطوبت نگران کننده باشد، مطرح می کند. دوام بالا به معنای طول عمر طولانی و حداقل نگهداری است.

گرمایش کف و دیوار

محققان امیدوارند از رسانایی گرافن برای ایجاد دیوارها و کف‌هایی که بدون کابل گرم می‌شوند، استفاده کنند. در سال 2019، تولیدکننده سیمان Italcementi یک ماکت کف چند لایه را در کنگره جهانی موبایل 2019 در بارسلون، اسپانیا به نمایش گذاشت. این شامل لایه ای از کامپوزیت گرافن-سیمانی به همراه کفپوش فرعی، عایق پلی استایرن، ستون بتنی، ملات بستر و کاشی های سرامیکی بود.

بتن هوشمند

به لطف رسانایی گرافن، امکان استقرار حسگرهای هوشمند در تمام سطوح وجود دارد. امکاناتی برای نظارت تنش های موجود، زمان وقوع تنش، تغییر شکل، دما و رطوبت حاصل از آن که در نتیجه اقدام به موقع برای رفع تنش را ممکن خواهد کرد. تعمیرات پیشگیرانه تر می تواند آسیب را به حداقل برساند و طول عمر را افزایش دهد. بتن هوشمند می تواند آغازگر نسل جدیدی از ساختمان های سبزتر باشد.

کاربردهای رسانایی

گرما و هدایت الکتریکی بتن گرافنی الهام بخش دیگر کاربردهای بالقوه است. ممکن است به یخ زدایی باندهای فرودگاه کمک کند. بتن گرافنی همچنین ممکن است به زیرساخت های مورد نیاز برای راه آهن پرسرعت کمک کند. ممکن است به شارژ بی سیم مقرون به صرفه تر وسایل نقلیه الکتریکی منجر شود. محافظت در برابر صاعقه یک احتمال دیگر است. کفپوش ضد الکتریسیته ساکن و محافظت از تداخل الکترومغناطیسی (EMI)  از امکانات دیگر هستند.

تحقیقات گسترده ای برای به حداکثر رساندن کامل پتانسیل کامپوزیت های گرافن بدون به خطر انداختن محیط زیست یا سلامت انسان هنوز مورد نیاز است. با این حال، کامپوزیت های تقویت شده با گرافن مطمئناً در سال های آینده بخشی از شهرها و خانه ها خواهند شد و پیشرفت های قابل توجهی را در زندگی روزمره به ارمغان خواهند آورد.

منبع:

https://www.mdpi.com/2079-4991/11/12/3220