استفاده از گرافن اکسید برای محافظت از بتن

یکی از روش‌های محفاظت از بتن به منظور افزایش طول عمر و کاهش هزینه‌های نگهداری آن، استفاده از مواد محفاظ سطح است. این مواد آبگریز بوده و مانع نفوذ یون‌های مخرب کلرید موجود در منابع آب می‌شود.

به طور کلی‌ترمیم سطح بتن به سه دسته مختلف تقسیم می‌شود:

1. پوشش‌هایی که یک فیلم پیوسته بر روی سطح بتن ایجاد می‌کنند.
2. استفاده از یک پوشش برای «آغشته کردن» مواد سازنده سطح قابل‌حل، برای ایجاد یک مانع محافظتی.
3. آغشته کردن اجزای سطح به مواد آبگریز برای ساخت بتن ضد آب.
    

مواد پوشش‌دهنده موجود، همگی درجات مختلفی از کارایی را نشان داده‌اند. در حال حاضر هیچ پوششی وجود ندارد که بتواند از انواع بتن در برابر تخریب محافظت نماید.

گرافن اکسید و استفاده از آن به عنوان ماده محافظ سطح

به تازگی، پژوهشگران حوزه بتن بر استفاده از مواد نانو برای توسعه مواد پوششی برتر تمرکز کرده‌اند. به طور خاص، گرافن اکسید، که توسط لایه‌برداری شیمیایی گرافیت تولید می‌شود، به عنوان گزینه‌ای نویدبخش ظاهر شده‌است. به نظر می‌رسد که گرافن اکسید به دلیل خواص مکانیکی برتر ناشی از مساحت سطح و استحکام زیاد و همچنین قابلیت پراکندگی عالی آن در آب، گزینه مناسبی برای حفاظت سطحی از بتن است.

مطالعات بسیاری بر روی استفاده از گرافن اکسید در مصالح ساختمانی برای افزایش عملکرد آن‌ها صورت‌گرفته است. توجه به این ماده تا حدودی افزایش یافته است؛ زیرا تولید آن از نانومواد کربنی قابل‌مقایسه مانند نانولوله‌های کربنی و نانوالیاف کربنی، بسیار ارزان‌تر است.

جلوگیری از نفوذ آب و یون

در یک مطالعه جدید، محققان با تمرکز بر توانایی گرافن اکسید در جلوگیری از نفوذ آب و یون‌ها، به اثر محافظتی این پوشش بر روی بتن پرداختند. برای اعمال یک لایه ۹ میلی‌گرمی از گرافن اکسید بر نمونه‌های بتن، تیم تحقیق از سه روش کاربردی برس زنی، اسپری کردن و غوطه‌وری استفاده کرد.

پژوهشگران نمونه‌هایی که ۹۰ روز از اعمال پوشش بر روی آنها می‌گذشت را از نظر جذب آب، جذب موئین و نفوذپذیری بخار آب مورد ارزیابی قرار دادند. آن‌ها همچنین طیف‌سنجی مادون‌قرمز تبدیل فوریه (FTIR) را برای ارزیابی هر نوع تغییرات مولکولی و همچنین آزمایش تسریع‌شده نفوذپذیری کلرید (RCPT) را برای ارزیابی میزان خوردگی ناشی از نفوذ کلرید انجام دادند. میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) برای ارزیابی کیفیت پوشش‌ها در سطوح نمونه مورد استفاده قرار گرفت و آنالیز پتانسیل زتا برای تعیین هرگونه تغییر در سطوح نمونه انجام شد.

با توجه به آزمایش‌های جذب و نفوذپذیری آب، پوشش‌های گرافن اکسید در نمونه‌های بتن، میزان جذب حجمی و جذب موئین آب را به ترتیب حدود ۴۰ درصد و ۵۷ درصد کاهش دادند.

محققان دریافتند هنگامی که میزان گرافن اکسید در یک سطح افزایش می‌یابد، جذب حجمی و موئین بتن کاهش می‌یابد. ارزیابی FTIR نمونه‌های پوشش‌دهی شده با گرافن اکسید نشان داد که پیوند شیمیایی رخ نداده‌است. پوشش‌های آزمایشی، بر نفوذپذیری بخار آب تاثیری نداشت، اما گرافن اکسید نفوذپذیری یون کلرید را در حدود ۲۵ درصد کاهش داد.

تیم تخقیق بر این باور است که نتایج آن، نشان می‌دهد گرافن اکسید دارای پتانسیل لازم به عنوان نسل بعدی ماده محافظ بتن، به ویژه برای سازه‌های در شرایط دشوار است.

گنجاندن گرافن اکسید در بتن

علاوه بر بررسی گرافن اکسید به عنوان پوشش محافظ بتن، به عنوان ماده افزودنی بتن نیز مورد مطالعه قرار گرفته‌است. تحقیقات نشان داده‌اند که گنجاندن گرافن اکسید باعث افزایش استحکام مکانیکی و دوام بیشتر آن می‌شود. به طور کلی، نانومواد به عنوان افزودنی بتن، یک جنبه منفی قابل‌توجه دارند؛ پراکندگی ضعیف. با این حال، ویژگی‌های اکسیداتیو گرافن اکسید باعث می‌شود راحت‌تر از هر نانوماده دیگری در آب پراکنده شود.

عیب بزرگ افزودن گرافن اکسید به مواد بر پایه سیمان، کاهش کارآیی در نتیجه مساحت سطح نسبتاً زیادی است که تمایل به جذب آب دارد. همچنین این ماده دارای اندازه جانبی دست و پا گیری است که ظرفیت قابل‌توجهی برای نگهداشت آب دارد.

با وجود این معایب، به اثبات رسیده‌است که گنجاندن مقدار کمی گرافن (تقریباً ۱ درصد وزنی سیمان) مقاومت فشاری را افزایش می‌دهد. علاوه بر این، نشان‌داده شده‌است که گنجاندن حدود 0.05 درصد گرافن اکسید باعث افزایش مقاومت فشاری و خمشی بتن می‌شود.

مطالعه جدیدی به طور خاص بر روی گنجاندن گرافن اکسید در کامپوزیت‌های بتنی با دانه‌های ریز و درشت طبیعی متمرکز شده‌است. این مطالعه نشان داد که گنجاندن گرافن اکسید، با میزان درصد متفاوت، می‌تواند کارایی را کاهش دهد، اما به طور چشمگیری مقاومت فشاری (۲۱ تا ۵۵ درصد) و مقاومت کششی (۱۶ تا ۳۸ درصد) را افزایش می‌دهد.

همچنین مشخص شد جذب و جذب‌پذیری سطحی اولیه با افزایش میزان گرافن اکسید در نمونه‌های بتنی کاهش یافته است. تیم مطالعه یک آنالیز هزینه انجام داد که نشان می‌دهد مقدار 0.06 درصد گرافن اکسید بهترین نسبت ممکن برای دستیابی به حداکثر مقاومت بدست‌آمده در نمونه‌های ۹۰ روزه است.