Износостойкость графеновых бетонов

Введение. На сегодняшний день количество публикаций по бетону с примесью графена и оксида графена перевалило за 3000. Однако существует недостаток этих работ (в большом количестве), который состоит в том, что при получении бетона нет контроля числа монослоев графена, а для природного графита число монослоев равно трем. Когда число монослоев выше трех, то он переходит в графит, свойства которого отличны от уникального одноатомного графена. Поэтому в опубликованных работах наблюдается большая разница по свойствам бетона.

Цель. Разработать технологию получения графенового бетона с контролируемым числом монослоёв графена и исследовать влияние графена и оксида графена на износостойкость бетона.

Материалы и методы. Стандартный бетон приготавливался следующим образом: водный раствор с оксидом графена (GO) и с восстановленным оксидом графена (rGO) помещался в ванну, где ультразвуковым излучателем создавалось ультразвуковое поле и проводилось расслоение графита и оксида графита на монослои графена и оксида графена; при этом частота ультразвукового поля подбиралась из «скрытой» энергии деформации образцов; контроль за расслоением графита проводился по спектрам УФ-излучения и спектрам Рамана; цемент М400; щебень с размерами зерен 5–20 мм; песок марки М2,5–2,9; мешалка VORONEZHFortis; вибростол; объем бетона 10 л. Полученные образцы бетона испытывались на прессе ПГМ-2000МГ4.

Результаты. В период от 1 до 7 суток прочность образцов на сжатие относительно контрольных образцов увеличилась от 13 до 63 %, а до 14 суток от 16 до 62 %. Относительно влияния графеновой суспензии можно сделать вывод: происходит расслоение графита и оксида графита на монослои графена и оксида графена в ультразвуковом поле определенной частоты; большая удельная поверхность графена и оксида графена служит источником кристаллизации и затвердевания бетона.

Перечисленные эффекты особенно сильно проявляются при концентрациях графена или оксида графена в области 0,05–0,07 мас. % от массы бетонной смеси. При превышении этой концентрации идет коагуляция монослоев графена и превращение их в графит.

Для получения графеновых бетонов высокой износостойкости на производстве нужно выдерживать регламент по получению суспензии в ультразвуковом поле, как описано выше.

Выводы. В статье предложена модель трещин в графеновом бетоне на основе теории катастроф, из которой следует, что и графен и оксид графена входят в межслоевую область, разрушая структуру геля C–S–H за счет резкого уменьшения молярной массы соединения. Это является тормозом движения нанотрещин, которые возникают в любом твердом теле при образовании его поверхности. Показано, что модификация бетона оксидами графена повышает его износостойкость в 4-5 раз по отношению к стандартному бетону.

1. Novoselov K.S., Geim A.K., Morozov S.V., Jiang D., Zhang Y., Dubonos S.V., Grigorieva I.V., Firsov A.A. Electric field effect in atomically thin carbon films. Science, 2004, vol. 306, no. 5696, pp. 666–669. DOI: https://doi.org/10.1126/science.1102896.

2. Li H., Zhao G., Zhang H. Recent Progress of Cement-Based Materials Modified by Graphene and Its Derivatives. Materials, 2023, vol. 16, no. 10, p. 3783. DOI: https://doi.org/10.3390/ma16103783.

3. Юров В.М., Жангозин К.Н., Жанабергенов Т.К., Каргин Д.Б. Поверхностные явления в графите и получение из него графена // Новости науки Казахстана. 2024. Т. 160. № 1. С. 19–42. DOI: https://doi.org/10.53939/1560-5655_2024_1_19. EDN: ZYWSXX.

4. Yurov V.M., Zhangozin K.N., Goncharenko V.I., Oleshko V.S. Tribological properties of graphite, graphene and fluorographite, fluorographene. Modern high technologies, 2024, no. 7, pp. 81–87. DOI: https://doi.org/10.17513/snt.40089.

5. Yurov V.M., Zhangozin K.N., Kargin D.B. Number of graphene layers in natural graphite. The Scientific Heritage, 2024, no. 143, pp. 75–80. DOI: https://doi.org/10.5281/zenodo.13378607.

6. Lv Sh., Ma Yu., Qiu Ch., Sun T., Liu J., Zhou Q. Effect of graphene oxide nanosheets of microstructure and mechanical properties of cement composites. Construction and Building Materials, 2013, vol. 49, pp. 121–127. DOI: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2013.08.022.

7. Sedaghat Ah., Ram M., Zayed A., Kamal R., Shanahan N. Investigation of Physical Properties of Graphene-Cement Composite for Structural Applications. Journal of Composite Materials, 2014, vol. 4 (01), pp. 12–21. DOI: https://doi.org/10.4236/ojcm.2014.41002.

8. Lv S., Zhang J., Zhu L., Jia Ch. Preparation of Cement Composites with Ordered Microstructures via Doping with Graphene Oxide Nanosheets and an Investigation of Their Strength and Durability. Materials, 2016, vol. 9, no. 11, p. 924. DOI: https://doi.org/10.3390/ma9110924.

9. Jing G., Ye Z., Wu J., Wang S., Cheng X., Strokova V., Nelyubova V. Introducing Reduced Graphene Oxide to Enhance the Thermal Properties of Cement Composites. Cement and Concrete Composites, 2020, vol. 109, article 103559. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2020.103559.

10. Long W.J., Zhang X., Feng G.L., Xie J., Xing F., Dong B., Zhang J., Khayat K.H. Investigation on Chloride Binding Capacity and Stability of Friedel’s Salt in Graphene Oxide Reinforced Cement Paste. Cement and Concrete Composites, 2022, vol. 132, article 104603. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2022.104603.

11. Юров В.М., Гончаренко В.И., Олешко В.С., Жангозин К.Н. Открытая квантовая система поверхностного слоя атомно-гладких металлов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2025. № 4. С. 54–60. DOI: https://doi.org/10.17513/mjpfi.13720.

12. Леденёв В.В. Деформирование и разрушение оснований, фундаментов, строительных материалов и конструкций (теория, эксперимент). Тамбов: Издательский центр ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2021.

13. Кузнецов В.С. Железобетонные и каменные конструкции: учебное пособие. Москва: Изд-во АСВ, 2012. 303 с.

14. Richardson I.G. The Calcium Silicate Hydrates. Cement and Concrete Research, 2008, vol. 38, no. 2, pp. 137–158. DOI: https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2007.11.005.

15. Hou D. Molecular Simulation on Cement-Based Materials. From Theory to Application. Springer Singapore, 2020.

16. Юров В.М. Толщина поверхностного слоя атомарно-гладких кристаллов // Межвузовский сборник научных трудов. Тверь: Тверской государственный университет. 2019. Вып. 11. С. 389–397. DOI: https://doi.org/10.26456/pcascnn/2019.11.389.

17. Hamid S. The crystal structure of the 11 A natural tobermorite Ca2.25Si3O7.5(OH)1.5·H2O. Zeitschrift fur Kristallographie, 1981, vol. 154, pp. 189–198.

18. Allen A.J., Thomas J.J., Jennings H.M. Composition and density of nanoscale calcium silicate-hydrate in cement. Nature Material, 2007, vol. 6, pp. 311–316. DOI: https://doi.org/10.1038/nmat1871.

19. Gleiter H. Nanostructured materials: basic concepts and microstructure. Acta Materialia, 2000, vol. 48, no. 1, pp. 1–29. DOI: https://doi.org/10.1016/S1359-6454(99)00285-2.

20. Юров В.М., Гончаренко В.И., Олешко В.С. Первичные нанотрещины в нитридах, боридах и карбидах тугоплавких металлов // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2023. № 15. С. 328–337. DOI: https://doi.org/10.26456/pcascnn/2023.15.328. EDN: RFQULG.

21. Бердибеков А.Т., Юров В.М., Грузин В.В., Шугаев М.А., Доля А.В., Балкишев К.Т. Защитные покрытия в вооружении и военной технике. Монография. Астана: Издательство ТОО «Research & Development центр «Казахстан инжиниринг». 2023. 318 с. ISBN 978–601–7781–05–7.

22. Poston T., Stewart I. Catastrophe Theory and Its Applications. Dover Publications: Incorporated, 2013.

23. Paris P.C., Erdogan F. A critical analysis of crack propagation laws. ASME Journal of Basic Engineering, 1963, vol. 85, pp. 528–533.

24. Юров В.М., Жангозин К.Н. Толщина поверхностного слоя воды и этанола // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. 2023. № 15. С. 338–349. DOI: https://doi.org/10.26456/pcascnn/2023.15.338.

25. Fayyad T.M., Abdalqader A.F., Sonebi M. An insight into graphene as an additive for the use in concrete. Conference: CERI/ITRN, 2022, pp. 67–72. URL: https://www.researchgate.net/publication/363281202_An_insight_into_Graphene_as_an_additive_for_the_use_in_concrete

26. Zhangozin K.N. New method for producing graphene by intercalation of graphite with microcluster water. Almaty: Darkhan, 2023. (In Russian).

27. Каргин Д. Б., Жангозин К., Жанабергенов Т. К. Новый метод получения порошкообразного графена // Вестник Евразийского Национального университета имени Л.Н. Гумилёва. Физика. Серия «Астрономия». 2022. Т. 136. № 3. С. 8–16. DOI: https://doi.org/10.32523/2616-6836-2021-136-3-8-16. EDN: ZXYJGU.

28. Ерасов В.С., Орешко Е.И. Коэффициент Пуассона и Пуассонова сила // Авиационные материалы и технологии. 2018. Т. 52. № 3. С. 56–64. DOI: https://doi.org/10.18577/2071-9140-2018-0-3-56-64. EDN: XVANQD.

29. Makeeva O.V., Oleshko V.S., Fedorov A.V, Yurov V.M. Development of a device for determining work electron output. Eurasian Physical Technical Journal, 2020, vol. 17, no. 1, pp. 127–131. DOI: https://doi.org/10.31489/2020No1/127-131.

30. Гончаренко В.И., Олешко В.С., Юров В.М. Определение величины поверхностной энергии металлов с использованием метода машинного обучения // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2025. № 2. С. 103–111. DOI: https://doi.org/10.52261/02346206_2025_2_103. EDN: RBJNRZ.