13.11.2025

Электропроводный бетон

Ученые на 48% увеличили прочность бетона, а также придали ему способность проводить ток, добавив в него небольшое количество оксида графена. Измеряя электропроводность полученного материала в процессе эксплуатации, будет удобно отслеживать его состояние, например, появление деформаций. Новый композит также может стать основой энергоэффективных покрытий для обогрева дорог и полов в зданиях. Кроме того, авторы проекта разработали модель образования трещин в модифицированном бетоне, которая позволит продлить ресурс сооружений, возводимых в условиях Севера и Арктики. 

Исследователи из Института физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН и Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова (Якутск) улучшили свойства бетона — одного из ключевых строительных материалов. Ученые добавили в его состав оксид графена, полученный из промышленных отходов, и смоделировали процесс образования трещин в таком композите.

Как рассказали «Известиям» специалисты, в строительстве всё чаще применяются композитные материалы, состоящие из двух и более компонентов. Их главное преимущество в том, что они сочетают полезные свойства составляющих веществ. Так, вместо стали для армирования бетонных конструкций может использоваться стеклопластик: он легкий, прочный и не подвержен коррозии. Однако у него есть и недостатки — высокая стоимость, низкая огнестойкость и хрупкость при избыточных нагрузках. Поэтому ученые ищут новые составы композитов, которые не только превосходят традиционные материалы по прочности, но и способны «сообщать» о своем состоянии — например, при появлении риска деформаций или разрушения.

Сравнительные изображения выявленного экспериментально роста трещины и визуального моделирования процесса разрушения бетона, модифицированного оксидом графена. Источник: Валерий Лепов

Графен — прочный и проводящий ток материал, он состоит из слоев углерода толщиной в один атом. Благодаря таким качествам он может увеличить прочность стройматериала, а также придать ему способность проводить ток. Последнее свойство можно использовать для отслеживания состояния композита. Например, уменьшение проводимости может указать на избыточные нагрузки и риск разрушения конструкции.

Однако исследования показывают, что при добавлении в цементные смеси чистый графен образует плотные скопления и неравномерно распределяется в материале, из-за чего его армирующий (укрепляющий) эффект уменьшается, рассказали ученые. Поэтому, чтобы равномерно распределить его частицы в цементной матрице, авторы использовали оксид графена. Благодаря кислородсодержащим группам он лучше чистого графена взаимодействует с окружающим материалом, а потому не слипается в агрегаты. Исследователи изготовили образцы бетона с добавлением 0,2 и 0,5% этого модификатора.

Затем ученые протестировали механические и электрические свойства исходного образца и модифицированных бетонов. Для этого образцы сжимали на лабораторной установке и параллельно с этим отслеживали их электрическое сопротивление. Оказалось, что добавление графена увеличило прочность бетона на 48%.

Кроме того, бетон, в обычном состоянии не проводящий ток, приобрел это свойство. Более того, электропроводность материала менялась в ответ на механическое воздействие. При сжатии образца она медленно увеличивалась, но при достижении нагрузок, близких к пределу прочности, резко падала. Благодаря этому данные об электропроводности модифицированного бетона можно использовать для выявления избыточных нагрузок. В строительстве такой подход позволит контролировать состояние зданий, опор мостов и других сооружений.

Также авторы разработали численную модель, которая позволяет оценить устойчивость модифицированного бетона к появлению трещин. Она будет полезна для оценки надежности сооружений, возводимых из композита, особенно в экстремальных условиях, например, при низких температурах арктических регионов нашей страны, рассказали ученые.

Микроизображения поверхности, полученные с помощью комбинированного атомно-силовой микроскопа INTEGRA с конфокальной рамановской/флуоресцентной спектроскопией. Источник: Дмитрий Попов

Исследование принципиально меняет роль бетона в строительстве, он становится композитом нового поколения, который сочетает в себе несущую функцию, самодиагностику и дополнительные полезные свойства, рассказал «Известиям» старший научный сотрудник кафедры функциональ­ных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ МИСИС Дмитрий Суворов. Внедрение технологии может существенно повысить безопасность, долговечность и энергоэффективность строительства, в первую очередь, для ответственных и специализированных объектов, в том числе в условиях Арктики, где требования к долговечности и безопасности максимальны.

— Основными вопросами для масштабирования, вероятно, станут стоимость оксида графена, что в данном случае было решено за счет использования вторичного сырья, а также отработка технологий введения добавки для исключения процесса агломерации наноразмерных пластин, — сказал эксперт.

Это довольно известная технология. На сегодняшний день она получила распространение в теплых полах в виде кабеля, существует также греющая керамика и греющий бетон, где в качестве электропроводного материала используется углеродная сажа, отметил доцент отделения машиностроения, морской техники и транспорта ДВФУ, эксперт НТИ TechNet Вячеслав Селезнев.

— У этих покрытий должна быть ограниченная температура работы, которую необходимо поддерживать. Я же считаю, что для широкого применения, кроме специальных покрытий, где требуется поддерживать точную температуру, достаточно просто внедрить в монолитный бетон греющие кабели или использовать другие технологии обогрева через арматуру, — рассказал специалист.

Источник: rscf.ru