یک مطالعه جدید انجام شده توسط دانشمندان دانشگاه RMIT و دانشگاه ملبورن نشان داده است که افزودن اکسید گرافن به سیمان می‌تواند به مقاومت و چاپ‌پذیری سه‌بعدی بتن کمک کند.
به گزارش تک‌ناک، این پیشرفت چون ، به بتن خاصیت رسانایی الکتریکی می‌بخشد ممکن است به توسعه دیوارهای ‘هوشمند’ منجر شود که قادر به تشخیص و نظارت بر ترک‌های ریز در ساختمان‌ها هستند.
اکسید گرافن یک ماده‌ی تک‌لایه‌ی کربنی است که از گرافیت ساخته شده و دارای گروه‌های اکسیژنی متصل به سطح آن می‌باشد. این ماده به دلیل خواص منحصر به فرد الکتریکی، مکانیکی و شیمیایی خود، مورد توجه گسترده در زمینه‌های علمی و فناوری قرار گرفته است.
اکسید گرافن به روش‌های مختلفی تولید می‌شود که معمولاً شامل اکسیداسیون و اسیدشویی گرافیت است. این فرآیند باعث ایجاد گروه‌های عاملی مانند اپوکسی، هیدروکسیل و کربوکسیل بر روی صفحات گرافن می‌شود.
از اکسید گرافن در کاربردهای مختلفی استفاده می‌شود، مانند ساخت مواد کامپوزیتی، سنسورها، سلول‌های خورشیدی، باتری‌ها و دستگاه‌های الکترونیکی. همچنین، به دلیل قابلیت تعامل با سایر مواد و ساختار قابل تنظیم خود، در زمینه‌های پژوهشی مانند نانوپزشکی و تصفیه آب نیز مورد استفاده قرار گرفته است.
کاربردهای اکسید گرافن در چاپ سه‌بعدی بتن
این تحقیق که در مجله Additive Manufacturing Letters منتشر شده، اولین بررسی است که تأثیرات اکسید گرافن بر روی خصوصیات چاپ‌پذیری و استحکام فشردگی بتن چاپ شده با تکنولوژی سه‌بعدی را مورد مطالعه قرار می‌دهد. نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که افزودن اکسید گرافن، که نوعی گرافن با اتم‌های اکسیژن متصل به سطح است، می‌تواند مقاومت بتن را تا ۱۰ درصد افزایش دهد.
دانشیار دانشگاه RMIT، جاناتان تران، که مسئولیت رهبری این تحقیق را بر عهده داشت، نسبت به قابلیت‌های اکسید گرافن در ساخت ساختمان‌های ‘هوشمند’ هیجان زده است. در این ساختمان‌ها، دیوارها به عنوان حسگر عمل می‌کنند و قادر به شناسایی و نظارت بر ترک‌های ریز هستند. این پیشرفت، بالقوه می‌تواند دگرگونی عظیمی در صنعت ساخت و ساز ایجاد کند.
او توضیح داده که روش‌های موجود برای تشخیص ترک‌ها در سازه‌های بتنی، مانند حسگرهای اولتراسونیک یا آکوستیک، گرچه غیرمخرب و به شدت مورد استفاده هستند، اما در شناسایی ترک‌های کوچک در مراحل اولیه محدودیت‌هایی دارند.
تبدیل بتن به یک مدار الکتریکی
جاناتان تران توضیح داد که با ادغام اکسید گرافن در بتن، می‌توان یک مدار الکتریکی در داخل سازه بتنی ایجاد کرد. این مدار می‌تواند در شناسایی مسائل ساختاری، تغییرات دمایی و دیگر شرایط محیطی مفید واقع شود.
تران تأکید کرد که افزودن اکسید گرافن به بتن چاپ سه‌بعدی می‌تواند این فناوری را در صنعت ساخت و ساز بیشتر قابل استفاده و مفید سازد، که این امر تأثیرات مثبتی بر هزینه و پایداری خواهد داشت.
او بیان کرد که ساختارهای سنتی بتنی معمولاً با استفاده از قالب‌هایی ساخته می‌شوند، که در آن‌ها قبل از ریختن بتن تازه یک قالب ایجاد می‌شود. این فرایند به طور معمول نیازمند زمان، نیروی کار و هزینه زیادی است و اغلب باعث ایجاد ضایعات زیادی می‌شود.
به گفته تران، بتن چاپ شده سه‌بعدی می‌تواند زمان، هزینه و نیروی کار را کاهش دهد، امکان ساخت ساختارهای پیچیده‌تر را فراهم کند و به استفاده مجدد از برخی ضایعات ساختمانی در مواد مبتنی بر سیمان کمک کند.
اکسید گرافن برای استحکام ساختاری
بتن چاپ شده سه‌بعدی در گذشته با مشکل پیوندهای ضعیف بین لایه‌های چاپ شده مواجه بود، زیرا روش چاپ لایه به لایه ممکن بود اتصالات کم‌استحکامی را ایجاد کند. با این حال، تران توضیح داد که افزودن اکسید گرافن به بتن، فرایند خروجی را آسان‌تر می‌کرد و به ایجاد پیوندهای محکم‌تر بین لایه‌ها کمک می‌کرد، که این امر به نوبه خود می‌توانست به افزایش استحکام کلی بتن کمک کند.
او همچنین بیان کرد که اکسید گرافن حاوی گروه‌های عملکردی بود که مانند نقاط چسبنده عمل می‌کردند و اغلب از گروه‌های اکسیژنی مختلف تشکیل شده بودند. این ویژگی‌ها در تسهیل ایجاد پیوندهای قوی بین اکسید گرافن و دیگر مواد، مانند سیمان، حیاتی بودند، که به بهبود استحکام کلی بتن کمک می‌کرد.
او تأکید کرد که هنوز تحقیقات بیشتری لازم بود تا بررسی شود که آیا بتن حاوی اکسید گرافن می‌تواند با استحکام بتن سنتی ریخته شده برابری کند یا حتی از آن بیشتر باشد.
مطالعه همچنین نشان داد که استفاده بیش از حد از اکسید گرافن می‌تواند تأثیرات منفی بر استحکام و کارایی مخلوط بتن داشته باشد و مشکلات بالقوه‌ای را در چاپ‌پذیری، استحکام و دوام ایجاد کند.
تران یادآور شد که بتن یک مخلوط متعادل دقیق بود و افزودن بیش از حد اکسید گرافن می‌توانست این تعادل را ، به ویژه در فرآیند هیدراتاسیون، که برای استحکام بتن حیاتی است، بر هم زند.
برخی نگرانی‌ها در مورد استفاده از اکسید گرافن
افزودن بیش از حد اکسید گرافن می‌تواند بر جریان بتن تأثیر منفی داشته باشد، آن را برای پمپاژ کردن سخت‌تر کند، و منجر به ساختاری با فاصله‌های بیشتر بین لایه‌های بتن شود. این امر می‌تواند کیفیت چاپ سه‌بعدی بتن را تحت تأثیر قرار دهد.
همچنین یک مشکل دیگر با اکسید گرافن این است که ممکن است به جای توزیع یکنواخت، تجمع یابد، که می‌تواند نقاط ضعفی در بتن ایجاد کرده و به کاهش استحکام کلی آن منجر شود.
جونلی لیو پژوهشگر اصلی و دانشجوی دکتری دانشگاه RMIT ، معتقد است که استحکام بتن می‌تواند افزایش یابد اگر پیوند بین اکسید گرافن و مخلوط بتن بهبود یابد.
در این تحقیق، دو دوز مختلف اکسید گرافن در سیمان آزمایش شد و مشخص شد که دوز پایین‌تر (۰.۰۱۵٪ وزن سیمان) نسبت به دوز بالاتر (۰.۰۳٪ وزن سیمان) بهتر عمل کرد.
لیو بیان کرد که مرحله بعدی تحقیق شامل بهینه‌سازی دوز اکسید گرافن و بررسی تأثیرات آن بر سایر خصوصیات بتن چاپ شده سه‌بعدی، از جمله دوام و رسانایی الکتریکی، خواهد بود.
او افزود که مرحله بعدی تحقیق همچنین شامل بررسی رسانایی الکتریکی اکسید گرافن در بتن و آزمایش امکان‌پذیری آن به عنوان یک ماده هوشمند بالقوه خواهد بود.
