Graphene-enhanced בטון מתפתח במהירות כחומר טרנספורמטיבי במגזר הבנייה, המציע שילוב משכנע של עמידות גבוהה והשפעה סביבתית מופחתת. על ידי שילוב גרפן - גיליון חד-אטומי של אטומי פחמן מסודרים במסלול hexagonal לחריגות - בתערובת קונקרטית סטנדרטית, חוקרים ומהנדסים פתחו מעמד חדש של ביצועים מורכבים זה לא רק מחזק את המסלולים של פעילות גופנית קבועה, אלא גם את פני השטח של פעילות פחמן-אווירה קבועה של מחזור חיים רחב יותר.

מה זה Graphene-Enhanced Concrete?

Graphene-enhanced בטון הוא חומר מורכב המשלב גרפן או נגזרות שלו, כגון oxide (GO) או מופחת תחמוצת גרפן (rGO), לתוך ממטריקס מלטיבי. תוספת של אלה ננומטרי פחמן דו-חמצני - באופן חד-משמעי בכמויות נמוכות כמו 0.01% ל 0.1% על ידי משקל מלט - אלטרם כימיה ופיזיקה של חומר הבטון, וכתוצאה מכך תכונות מכניות.

שיטות ייצור ואתגרי משמעת

המפתח לחשיפת היתרונות של גרפן הוא בהשגת פיזור אחיד בתוך התערובת הבטונית.חלקיקי Graphene הם הידרופוביים ו נוטה לבלוטות עקב כוחות וואלאס חזקים, אשר יכולים ליצור נקודות חלשות ולא חיזוק שיטות הייצור הנוכחיות כוללים:

  • (FLT:0) sonication and הגולשיםactants: FIRLT:1) שימוש באנרגיה קולנית ופיזור כימי כדי לפרק את אשכולות גרפן לפני ערבוב מים ומלט.
  • (ב) ,0) ב-ituituation:cioFLT:1 , Producing גרפן ישירות בתוך התערובת באמצעות שיטות מחוסמות, לעתים קרובות משתמש גרפיט כמבשר.
  • (ב) ,0) ,Pre-dispersion in Mixing water:cioFLT:1 , יצירת השעיה יציבה של גרפן אשר נוספה לתהליך האנימציה הבטונית.

כל גישה נושאת את החילופים המסחריים בין עלות, קנה מידה וביצועים סופיים. פתרונות בקנה מידה תעשייתי, כגון אלה שפותחו על ידי FLT:0 First GraphenecioFLT:1, עכשיו מציעים תוספים גרפים pre-dispersed שניתן לשלב לתוך זרמי עבודה קונקרטיים סטנדרטיים מוכן תערובת ללא שינויים משמעותיים.

סוגים של Graphene בשימוש ב Concrete

לא כל גרפן שווה.בחירה של השפעות חומריות הן עלות והן ביצועים:

  • (ב) ,0)Graphene ננופלאטס (GNPreas): ערימה קטנה של שכבות גרפן, בדרך כלל עולה פחות מאשר גרפן יחיד ומציעה הטבות חיזוק משמעותיות.
  • (FLT:0)Graphene תחמוצת (GO): גרף 1 (Graphene) פונקציונלי עם קבוצות חמצן, אשר משפר את פיזור המים, אך דורש הפחתה של צעדים לשיקום תכונות חשמל ומכניות.
  • (FLT:0Chemical vapor deposition (CVD) גרפן:FreaLT:1 גרף חד-שכבות באיכות גבוהה, כיום יקר מדי לשימוש בבנייה אך יקר עבור יישומי חיישן נישה.

רוב היישומים המסחריים כיום מסתמכים על GNPs או מופחתים את GO, איזון ביצועים עם מגבלות עלות מעשיות.

המונחים: Durability mechanism

עמידות מרוויחה משילוב גרפן נובעת ממנגנונים סינרגיסטים מרובים שמחזקים את הבטון הן ברמות המיקרוסקופיות והן מקרוסקופיות.

כוח מכני

(ג'ל Graphene פועל כאתר נינקיה עבור הידרוקליד סידן (C-S-H) ג'ל (C-S-H) - השלב המחייב העיקרי בטון.זה מוביל למבנה דחוס יותר, אחיד יותר עם פורוזיות מופחתת.מחקרים מדווחים על עלייה של 20–50% בטעינה גרפינית של 0.05%, יחד עם שיפורים דומים בגמישות ועשרות כוח.

התנגדות ונפיחות

הלכידות של Concrete היא מגבלה גדולה, המוביל לכשלים קטסטרופליים תחת לחץ רבילי. Graphene משפר את קשיות השברים על ידי גינון nano- ו micro-cracks, המונע מהם להתפשט לתוך כישלונות מבניים גדולים יותר.יחס האספקט הגבוה של גליונות גרפן מאפשר להם להפיץ מתח על פני שטח רחב, ביעילות להגדיל את האנרגיה הנדרשת כדי להניע סדק.

התנגדות כימית וחדירה Chloride

קורוזיה המושרה של פלדה ממושכות היא גורם מוביל להידרדרות קונקרטית, במיוחד בסביבות ימית ודה-המלטה. Graphene-reinforced תצוגות קונקרטיות מופחתת באופן משמעותי את כלורידיות של יון עקב הדחיסה של המבנה הנקבובי. Tests באמצעות Permeability מהיר (RCP) מראה הפחתת של 30–60% בחזקות חשוף, באופן דומה, כמו גם את התקפים של כוח המשיכה.

הקפאת שיער -Thaw Durability

באקלים קר, מחזורי הקפאה החוזרים גורמים לפצח פנימי כאשר המים מתרחבים על הקפאת היכולת של גראפן לחדד את המבנה הפונקטיבי מפחית את נפח המים הבלתי ניתנים להשגה ומגביל את צמיחתם של גבישים קרח.ניסויים בשטח במדינות הנורדיות הוכיחו כי בטון גרפין-enhanced יכול לעמוד במאות מחזורי קפואים עם הפחתה מינימלית, מה שמגדיר את קצבת של האוויר הקונבנציונאלי המשמש למטרה זהה.

יתרונות בריאותיים באמצעות מחזור חיים

היתרונות הסביבתיים של בטון גרפן-נסטד משתרעים הרבה מעבר לשלב הייצור של החומר, מתן הפחתה בפליטת פחמן, צריכת משאבים ובזבוז לאורך כל מחזור החיים של מבנה.

טביעת רגל נמוכה יותר

למרות שהייצור של גרפן עצמו נושא כמה עלות אנרגיה (בדרך כלל על ידי כמויות קטנות מאוד צורך), רווח פחמן נטו הוא משמעותי.עלייה של 30% בכוח מאפשר למהנדסים להפחית את החלקה של אלמנטים מבניים כגון עמודות ודבורים על ידי 15-25%, ישירות להפחית את נפח של בטון הנדרש וכתוצאה מכך, פליטות CO2 הקשורות לייצור מלט.

יעילות וצמצום

על ידי מתן סעיפים דקים ומבנים קלים יותר, גרפן-נאנסנד בטון חול, חמור ומלט - שלושת המרכיבים המשמעותיים ביותר של משאבים משאבים.עם מחסור חול הופך לדאגה גלובלית, כל צמצום בשימוש מצטבר הוא משמעותי.בנוסף, עמידות מוגברת מפחיתה את נפח הפסולת ההריסה שנוצר בסוף החיים, כמו מבנים נשארים בשירות ארוך יותר.

אינטגרציה חומרית

Graphene הוכח כדי לשפר את הביצועים של חומר קונקרטי המכיל אגרגציות ממוחזרות או חומרים מלטיים משלימים (SCMs) כגון זבוב אפר, slag, ו- silica fume. nanomaterial יכול לפצות על הכוח התחתון ואת הנפיחות גבוהה יותר בדרך כלל קשור חומרים ממוחזרים.סינרגיה זו תומכת בגישה של כלכלה מעגלית שבה בנייה ופסולת משומשת בביצועים חדש של ביצועים קונקרטיים.

חיסכון באנרגיה בתחזוקה ותפעול

תיקונים קטנים יותר מתכוונים פחות אנרגיה הנצרכים להובלת חומרים, תפעול ציוד ושיבוש התנועה.Over a 50 שנים Bridge Lifespan, שיקום גדול אחד יכול לצרוך כמות האנרגיה כמו הבנייה הראשונית. Graphene-enhanced בטון, עם מרווחי תחזוקה מורחבים שלה, מקטין את דרישות האנרגיה התפעולית הללו.

יישומים נוכחיים ו Case Studies

Graphene-enhanced בטון עבר מהפגנות מעבדה ליישומים מסחריים בקנה מידה פיילוט במדינות מסוימות. אימוץ מוקדם הם בעיקר פרויקטים תשתיתיים שבו עמידות וצמצום תחזוקה להצדיק את הפרימה הראשונית.

בניית הגשר ותיקון

בשנת 2021, גשר רגלי בבריטניה היה צורך בשימוש בטון גרפין-הנסד המסופק על ידי מרכז החדשנות של Graphene Engineering (GEIC) באוניברסיטת מנצ'סטר.הפרויקט הראה כי החומר יכול להיות מעורב, שפך, וחוספס באמצעות ציוד סטנדרטי תוך השגת 30% כוח גבוה יותר מאשר הציון שצוין.

כמו כן, החברה האוסטרלית הראשונה Graphene שיתפה עם חברת בנייה מקומית כדי לייצר אלמנטים קונקרטיים precast עבור קופס כביש מהיר.תוסף גרפן נמצא להפחית את התוכן מלט ב 15% ללא יכולת להתפשר, חיתוך פחמן מגולם בכ-12%.

בניינים גבוהים ובניינים מסחריים

בדרום קוריאה, מגדל מגורים גבוה שילב בטון גרפן-נאנסד בקירות הליבה שלה ולהעביר סלאבים כדי להפחית עובי ולהגדיל את שטח הרצפה ניתן להגדיל.הפרויקט השיג ירידה של 20% בממדים העמודים, שחרור שטח פנימי יקר.מפתחים לא דיווחו על עלייה בקו הזמן או עלות הפרויקט, כפי שהתוסף נוספה באתר באמצעות השעיה מוקדמת.

מבנים ימיים והגנה על החופים

פרויקטים הגנת החופים בהולנד הם ניסיון גרפן-reinforced בטון עבור revetments וBreakwaters. השילוב של התנגדות כימית למים הים והקפאת סובלנות הופך את החומר אידיאלי לאזורים tidal שבו לעתים קרובות בטון קונבנציונלי לעתים קרובות ספאלים בתוך עשור. תוצאות מוקדמות מצביע על כך גרפן-enhanced חוסם לשמור על שלמות פני השטח שלהם לאחר מחזורי מלח מואצים, הרבה מעל הביצועים של תקן קונקרטי.

אתגרים לאימוץ נרחב

למרות הבטחתו, פרצופים קונקרטיים של גרפן-נסטד כמה מכשולים שיש להתגבר עליהם לפני שניתן לקבלם כחומר בניין מרכזי.

עלויות הייצור ו-Salability

למרות שמחירי גרפן נפלו באופן דרמטי – מאלפי דולרים לגרם לפני עשור לתחת 100 דולר לקילוגרם עבור ננופלאטיסות בעלות רמה תעשייתית – העלות עדיין גבוהה בהרבה מפרסומות מסורתיות.עבור תערובת קונקרטית טיפוסית, העלות הנוספת של גרפן (ב-0.0.2% במשקל) היא בערך 2–5 דולר למ"ק, או כ-10% מהעלות הממשית עצמה היא מקובלת עבור ביצועים גבוהים או עבור מכשולים קריטיים, אך ורק עבור פרויקטים של בנייה.

ייצור סקריפט כדי לעמוד בביקוש העולמי מציג אתגרים.רוב יצרני הגרפן פועלים בפיילוט או ברמות תעשייתיות למחצה. הסכמי אספקה בקנה מידה גדול ופרוטוקולים סטנדרטיים של בקרת איכות נדרשים כדי להבטיח ביצועים עקביים על פני קבוצות.

פרוטוקולים סטנדרטיים ובדיקה

יצרנים ומהנדסים מסתמכים על סטנדרטים כגון ASTM C39 (כוח מדכא) ו- ACI 318 (עיצוב מבנה מבנה) כדי לציין חומרים. Graphene-enhanced קונקרטי עדיין לא הקדישו את ASTM או ISO סטנדרטים, אם כי קבוצות עבודה בתוך RILEM ו- ISO/TC 71 החלו לפתח שיטות בדיקה עבור קונקרטיות ננומודולציות סטנדרטיות.

בריאות ובטיחות סביבתית

הסיכונים של אבק גרפן באוויר במהלך הטיפול והשילוב עדיין נחקרים.בעוד שראיות נוכחיות מראות כי ננופלים גרפן הם פחות רעילים מאשר צינורות פחמן, אמצעי בקרת אבק נאותים (למשל, מערכות ערבוב סגורות, פיזור רטוב) נדרשים.עובדים באתרי בנייה עשויים לדרוש ציוד הגנה אישי נוסף ואימון.

חוסר נתונים לטווח ארוך

בדיקות מואצות מעבדה יכולות לחזות עמידות, אך הן אינן יכולות לשכפל באופן מלא עשרות שנים של חשיפה בעולם האמיתי.בעלים ובטחנים דורשים לעתים קרובות רשומות ביצועים מוכחות לטווח ארוך.המחקר הארוך ביותר של בטון גרפן הוא כיום פחות מ-5 שנים.כפי שבניינים נוספים בנויים ומעקבים, רמת האמון תעלה, מה שיאפשר אימוץ רחב יותר.

כיוונים עתידיים של Outlook ומחקר

מחקר לתוך בטון גרפין-enhanced הוא מאיץ, מונע על ידי דחיפות של שינויי האקלים ואת הצורך בתשתיות חוזרות.כמה מגמות מתעוררות מצביעות לעבר עתיד שבו גרפן הופך לתוסף סטנדרטי בייצור קונקרטי.

קידודים וחילווי הגנה היברידיים

שילוב גרפן עם ננו-חומרים אחרים - כגון צינורות פחמן, ננוקריסטלים צלולים, או ננו-סייקה - יכול ליצור שיפורים סינרגטיים בכוח, דוקטריות ויכולות לחישה עצמית. לדוגמה, היברידית של גרפן-פחמן-פחמן עשויה להציע גם כוח גבוה ו מוליכות חשמל, המאפשר בטון חכם שיכול לפקח על הזנים שלו או לזהות קורוזיה על קורוז.

שילוב עם הדפסה תלת-ממדית

ייצור אדקטיבית (3D הדפסה) של בטון צובר מתחים לבנייה ללא טפסים. Graphene משפר את התכונות התרולוגיות של בטון מודפס, שיפור thixotropy (היכולת להחזיק צורה לאחר extrusion) תוך הגדלת כוח אחרון.קבוצות מחקר מספריות חוקרות חוקרות גרף-reinforced filaments המאפשרים מורכבות, מבנים קלים עם פסולת חומרית מינימלית.

ניכוי עלויות

כלכלות של קנה מידה ושיפור שיטות הייצור - כגון אלקטרוכימי exfoliation של גרפן ישירות במפעל הבטון - יכול להפחית עלויות גרפן פחות מ 20 / ק"ג בתוך חמש שנים. חוקרים גם חוקרים את השימוש גרפן הנגזר מגרף פסולת (למשל, החל ממחזור סוללות ליתיום) כדי להפחית עלויות נוספות ולשפר את האישורים הקיימות.

מדיניות ויוזמה בתעשייה

סוכנויות ממשלתיות ופקירות התעשייה מתחילות לממן פרויקטים של הדגמה ולפתח מסגרות הסמכה.מועצת Graphene השיקה תוכנית הסמכה לספקי גרפן כדי להבטיח עקביות המוצר.בינתיים, פלטפורמת Concrete האירופית כללה קונקרטיים ננו-מודולים במפת הדרכים שלה לבניית פחמן-ניטרלי עד שנת 2050.

מסקנה

Graphene-enhanced בטון מייצג שינוי פרדיגמה כיצד אנו ניגשים לבניית עמידות וקיימות. על ידי שיפור כוח מכני, עמידות סדק, עמידות כימית, וביצועים קפואים, nanomaterial זה מתייחס למצבים הנפוצים ביותר של מהנדסים קונקרטיים בעת צמצום השימוש בחומרי פחמן ופליטת פחמן.למרות אתגרים נשארים - עלות, סטנדרטיזציה ואימות לטווח ארוך - המסלול הוא ברור לחלוטין של פרויקטים יציבים כבר יכול להיות מסוגל להוכיח את הגרף של פיתוח פחמן, כמו גם כן, כמו גם תכונות קבועות, כמו גם כן, כמו גם פיתוח גרף, כמו גם כן, כמו גם פיתוח פחמן.