Melbourne / Australien (pm) – Ingenieure haben der Zementmischung Graphenoxid zugesetzt, um stärkeren 3D-gedruckten Beton herzustellen, der sich leichter drucken lässt, und damit den Weg für potenzielle „intelligente“ Wände zu ebnen, die Risse überwachen können. Die von der RMIT University und der University of Melbourne durchgeführte Forschung ist die erste, die die Auswirkungen von Graphenoxid auf die Druckfähigkeit und die Druckeigenschaften von 3D-gedrucktem Beton untersucht.
„Intelligente“ Gebäude
Dabei wurde festgestellt, dass die Zugabe von Graphenoxid, einem Nanomaterial, das üblicherweise in Batterien und elektronischen Geräten verwendet wird, dem Beton elektrische Leitfähigkeit verleiht und die Festigkeit des Betons um bis zu 10 % erhöht. Forschungsleiter und RMIT Associate Professor Jonathan Tran sagte, dieser Beton habe das Potenzial, „intelligente“ Gebäude zu schaffen, in denen Wände als Sensoren fungieren können, um kleine Risse zu erkennen und zu überwachen.
Während die derzeitigen Erkennungsmethoden, wie Ultraschall- oder akustische Sensoren, zerstörungsfrei sind und in der Bauindustrie weit verbreitet sind, um große Risse in Betonstrukturen zu erkennen, ist die frühzeitige Erkennung kleinerer Risse immer noch eine Herausforderung. „Die Ausrüstung für diese Methoden ist oft sperrig, so dass es schwierig ist, sie regelmäßig zur Überwachung sehr großer Strukturen wie Brücken oder hoher Gebäude einzusetzen“, sagte Tran von der School of Engineering des RMIT. „Aber die Zugabe von Graphenoxid schafft die Möglichkeit eines elektrischen Schaltkreises in Betonstrukturen, der helfen könnte, strukturelle Probleme, Temperaturänderungen und andere Umweltfaktoren zu erkennen.
3D-Druck
Obwohl es sich um eine vorläufige Studie handelte, sagte Tran, dass Graphenoxid das Potenzial habe, 3D-gedruckten Beton in der Bauindustrie praktikabler zu machen, was sich positiv auf die Kosten und die Nachhaltigkeit auswirken könnte. „Heutige Betonstrukturen werden mit Hilfe von Schalungen hergestellt, d. h. es wird eine Form erstellt, in die dann die frische Betonmischung gegossen wird“, sagte er. „Schalungen erfordern einen hohen Arbeits-, Zeit- und Geldaufwand und verursachen oft viel Abfall.“
„Mit 3D-gedrucktem Beton kann man nicht nur Zeit, Geld und Arbeit sparen, sondern auch komplexere Strukturen schaffen und einen Teil der Bauabfälle in zementbasierten Materialien wiederverwenden. Da 3D-gedruckter Beton schichtweise gedruckt wird, kann es zu schwächeren Bindungen zwischen den einzelnen Schichten kommen. Durch die Zugabe von Graphenoxid in den Beton lässt er sich jedoch leichter extrudieren, wodurch eine bessere Verbindung zwischen den Schichten entsteht, was ebenfalls zur Maximierung der Festigkeit beitragen kann.
„Graphenoxid hat funktionelle Gruppen auf seiner Oberfläche, die wie klebrige Punkte auf der Oberfläche eines Materials sind, die sich an anderen Dingen festhalten können“, so Tran. „Diese ‚klebrigen Stellen‘ bestehen hauptsächlich aus verschiedenen funktionellen Gruppen, die Sauerstoff enthalten und eine entscheidende Rolle dabei spielen, eine stärkere Bindung mit anderen Materialien wie Zement zu ermöglichen. Diese starke Bindung kann die Gesamtfestigkeit des Betons verbessern. „Es sind jedoch weitere Forschungsarbeiten erforderlich, um zu prüfen, ob Beton mit Graphenoxid die Festigkeit von herkömmlich gegossenem Beton erreichen oder übertreffen kann.“
Zu viel des Guten
Der leitende Forscher und RMIT-Doktorand Junli Liu sagte, dass die Festigkeit des Betons erhöht werden könnte, wenn die Verbindung zwischen Graphenoxid und der Betonmischung verbessert würde. Die Forscher testeten zwei Dosierungen von Graphenoxid in Zement und stellten fest, dass die niedrigere Dosierung (0,015 % des Zementgewichts) stärker war als die höhere (0,03 % des Zementgewichts). Tran sagte, dass die Zugabe von zu viel Graphenoxid die Festigkeit und Verarbeitbarkeit der Betonmischung beeinträchtigen könnte, was zu potenziellen Problemen bei Druckbarkeit, Festigkeit und Haltbarkeit führen kann. „Beton ist eine sorgfältig ausgewogene Mischung. Die Zugabe von zu viel Graphenoxid kann dieses Gleichgewicht stören, insbesondere den Hydratationsprozess, der für die Festigkeit des Betons entscheidend ist“, so Tran. „Zu viel Graphenoxid kann das Fließen des Betons beeinträchtigen, so dass er schwieriger zu extrudieren ist und daher eine Struktur mit mehr Lücken zwischen den Betonschichten entsteht. Graphenoxid kann auch verklumpen, anstatt sich gleichmäßig zu verteilen, was zu Schwachstellen im Beton führen und seine Gesamtfestigkeit verringern kann.“
In der nächsten Phase der Forschung soll die elektrische Leitfähigkeit von Graphenoxid in Beton untersucht und seine Eignung als potenzielles intelligentes Material getestet werden.
“Exploration of using graphene oxide for strength enhancement of 3D-printed cementitious mortar” was published in Additive Manufacturing Letters. (DOI: 10.1016/j.addlet.2023.100157). Junli Liu, Phuong Tran, Thusitha Ginigaddara und Priyan Mendis sind Mitautoren.
Quelle: RMIT University
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