Прочность и электропроводность бетонных композитов, модифицированных оксидом графена

Создание и применение так называемых умных, многофункциональных и гибридных материалов является одним из актуальных направлений современного материаловедения. В работе приведены результаты механических испытаний, исследований микроструктуры, оценки электрофизических свойств, а также стохастического моделирования разрушения образцов из бетонного композита, модифицированного переработанным вторичным сырьем в виде восстановленного оксида графена. Работы проведены с целью создания материалов повышенной прочности и с заданной электропроводностью. Дан обзор исследований в области создания и моделирования процессов разрушения гибридных материалов. Приведены подходы к оценке напряженного состояния и обосновано применение концепции зоны предразрушения и структурного размера для описания процессов разрушения в квазихрупких материалах. Показано, что высокие прочностные свойства и электропроводность графена позволяют существенно улучшить характеристики гибридного композита при незначительной концентрации модификатора. Образцы для испытаний были изготовлены с добавлением 0,2 и 0,5 мас.% оксида графена. Для исследования структуры и состава использовались электронная сканирующая растровая микроскопия и инфракрасная спектроскопия. Механические испытания показали, что добавление восстановленного оксида графена вызывает увеличение прочности на 48 % при содержании всего 0,5 мас.% оксида графена и снижение электрического сопротивления до 550–600 Ом, при этом снятие нагрузки восстанавливает прежние значения проводимости. Установлено, что модификация бетона графеном улучшает как электрические, так и механические характеристики. Подобные гибридные материалы могут быть применены в системах мониторинга состояния конструкций, самонагревающихся элементах, при заземлении электроопор, с целью повышения надежности и безопасности эксплуатации энергетических комплексов и технических систем в экстремальных климатических условиях Арктики и Субарктики.

1. Yu T., Remennikov A.M. Novel hybrid FRP tubular columns for sustainable mining infrastructure: Recent research at University of Wollongong. International Journal of Mining Science and Technology. 2014;24(3):311–316. http://doi.org/10.1016/j.ijmst.2014.03.004

2. Das P.P., Chaudhary V., Singh R.K., et al. Advancement in hybrid materials, its applications and future challenges: A review. Materials Today: Proceedings. 2021;47(13): 3794–3801. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.03.009

3. Gomez-Romero P., Pokhriyal A., Rueda García D., et al. Hybrid Materials: A metareview. Chemistry of Materials. 2023; 36(1):8–27. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.3c01878

4. Ashby M.F., Bréchet Y.J.M. Designing hybrid materials. Acta Materialia. 2003;51(19):5801–5821. https://doi.org/10.1016/S1359-6454(03)00441-5

5. Bisong M.S., Lepov V.V., Landrine T. Physico-mechanical characteristics and multiscale stochastic modeling of cement mortar reinforced with oil palm mesocarp fibers. Industrial Laboratory. Materials Diagnostics. 2022;88(5):62–70. https://doi.org/10.26896/1028-6861-2022-88-5-62-70

6. Лепов В.В., Бисонг С.М., Голых Р.Н. Многоуровневый подход к моделированию процессов разрушения материалов с субмикроструктурой, применимых в условиях Арктики и Субарктики. Природные ресурсы Арктики и Субарктики. 2023;28(1):156–171. https://doi.org/10.31242/26189712-2023-28-1-156-171

7. Sandip Ku. Khatua, Pritam Ku. Sahoo, Kumari K., et al. Behavioural study of graphene oxide/functionalized graphene on bamboo fiber reinforced composite. Materials Today: Proceedings. 2021;47(13):3633–3636. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.01.100.

8. Агунов А.В., Терёхин И.А., Баранов И.А. Анализ применения электропроводящих бетонов в электроэнергетике. Транспортные системы и технологии. 2021;7(2):5– 15. https://doi.org/10.17816/transsyst2021725-15

9. Karamov D.N., Minarchenko I.M., Kolosnitsyn A.V., Pavlov N.V. Installed capacity optimization of autonomous photovoltaic systems under energy service contracting. Energy Conversion and Management. 2021;240:114256. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2021.114256

10. Лепов В.В., Дьячковский И.И. Моделирование разрушения композиционного материала на основе ледовой матрицы. Природные ресурсы Арктики и Субарктики. 2024;29(2):313–325. https://doi.org/10.31242/2618-9712-202429-2-313-325

11. Wu Y., Wang T., Duan J., Song L. Mesoscale numerical study of size effect on concrete fracture characteristics based on FDEM. Electronic Journal of Structural Engineering. 2025;25(1): 46–51. https://doi.org/10.56748/ejse.24667.

12. Liu Y., Liu X., Zhang H., Zhu F. A size effect model combining both surface effects and the Fracture Process Zone (FPZ) for rocks under uniaxial compression. Applied Sciences. 2024;14(20):9413. https://doi.org/10.3390/app14209413

13. Yuxia Suo, Rongxin Guo, Haiting Xia, et al. A review of graphene oxide/cement composites: Performance, functionality, mechanisms, and prospects. Journal of Building Engineering. 2022;53:104502. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2022.104502.

14. Polverino S., Del Rio Castillo A.E., Brencich A., et al. Few-layers graphene-based cement mortars: production process and mechanical properties. Sustainability. 2022;14(2):784. https://doi.org/10.3390/su14020784

15. Papanikolaou I., Arena N., Al-Tabbaa A. Graphene nanoplatelet reinforced concrete for self-sensing structures – A lifecycle assessment perspective. Journal of Cleaner Production. 2019;240:118202. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.118202

16. Gokhale D.G.K., Kaish A.B.M.A. Recent trends in incorporating graphene coated sand in self-sensing cementitious composites. Materials Proceedings. 2023;14(1):48. https://doi.org/10.3390/IOCN2023-14544

17. Wang Z., Wang Z.-J., Ning M., et al. Electro-thermal properties and Seebeck effect of conductive mortar and its use in self-heating and self-sensing system. Ceramics International. 2017;43(12):8685–8693. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.03.202.

18. Hu Y.G., Awol J.F., Chen S., et al. Experimental study of the electrical resistance of graphene oxide-reinforced cement-based composites with notch or rebar. Journal of Building Engineering. 2022;51:04331. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2022.104331.

19. Lavagna L., Santagati A., Bartoli M., et al. Cementbased composites containing oxidized graphene nanoplatelets: effects on the mechanical and electrical properties. Nanomaterials. 2023;13(5):901. https://doi.org/10.3390/nano13050901

20. Андреев А.Н. Моделирование процессов теплопроводности в однонаправленно армированных композитных средах. Вестник Кемеровского государственного университета. 2015;62(2-1):6–10.