Elektricky vodivé kompozitní materiály jsou v dnešní době široce používány v mnoha průmyslových aplikacích včetně stavebních materiálů. Kompozity jsou jedny z novodobých a stále se vyvíjejících se materiálů, které se využívají ve všech odvětvích průmyslu. Kompozitní materiály se skládají ze dvou a více fází. První fáze představuje plnivo, které ovlivňuje především fyzikálně mechanické vlastnosti a také většinou také snižuje cenu kompozitu, druhá fáze pojivo neboli matrice má za úkol spojit jednotlivé částice plniva pohromadě a vytvářet tak homogenní kompaktní materiál. Jednou z možných aplikací je jako odporová sonda. Tyto sondy byly navrženy tak, aby monitorovaly vnitřní strukturální změny stavebních materiálů zabudovaných do konstrukce a předpovídaly jejich trvanlivost, přetížení nebo vady.
Vodivost betonu a role grafitu
Materiály na cementové bázi mají obvykle měrný odpor okolo 8-10 × 106 Ω·m a jsou takzvaným dielektrikem. Přidáním vodivých komponentů jako jsou například saze, grafit, uhlíková a ocelová vlákna lze významně snížit jeho rezistivitu až na řády desítek Ω·m při zachování relativně dobrých mechanických vlastností. K docílení dobré elektrické vodivosti kompozitního materiálu je zapotřebí vytvoření dokonale elektricky vodivé sítě v jeho vnitřní struktuře. Čím je tato vodivá síť stabilnější, tím je také větší elektrická vodivost materiálu. S tím je také spojena maximální síla elektrického proudu, který jí může projít. Jakmile je v kompozitním materiálu dosaženo celistvé, vzájemně propojené elektricky vodivé struktury, sníží se významně měrný odpor samotného materiálu. Grafit má dobrou elektrickou vodivost, nejčastěji se využívá ve formě prášku, dobře se rozmíchává i dávkuje. Měrný elektrický odpor samotného grafitu je (40 až 150)∙10−8 Ω∙m.
Využití vodivých kompozitů ve stavebnictví
Největší potenciál využití vodivých kompozitů je v civilních strukturách. Díky schopnosti detekovat vnitřní napětí, přetvoření, praskání a poškození, samosnímací beton může nahradit zabudované nebo připojené senzory nebo detektory, které jsou nevýhodné kvůli vysoké ceně, nízké životnosti, omezeným snímacím objemem a dále vnášejí do konstrukce nehomogenitu, která může způsobovat rychlejší degradaci konstrukce. Cílem SHM (Structural Health Monitoring) je nepřetržitě kontrolovat strukturální chování konstrukce za různých povětrnostních podmínek, provozního zatížení a informovat inženýry o důležitých parametrech, jako jsou mechanické vlastnosti, rychlost koroze, vlhkost, PH, napětí, přetvoření nebo praskliny. Elektricky vodivé kompozity zde mohou sehrát důležitou roli v předcházení závažným nehodám civilních infrastruktur jako jsou mosty, přehrady a silnice.
Dále lze elektrovodivé kompozity využít například pro odporově vyhřívaný beton. Betonové vozovky a především mostovky jsou náchylné k hromadění ledu. Bylo prokázáno, že třífázový kompozitní vodivý beton složený z ocelových vláken, uhlíkových vláken a grafitu lze využít jako efektivní materiál pro silniční povrch. Kompozity s měrným odporem okolo 400 Ω·cm poskytují uspokojivé tepelné účinky s ohledem na ekonomický faktor, které splňují požadavky na odmrazování vozovky.
Vliv grafitu na mechanické vlastnosti
Grafitový prášek při vyšších dávkách významně snižuje pevnost v tlaku i tahu kvůli vysoké absorpční kapacitě pro vodu, vlastnostem rozlístkování a špatné adhezi k cementovému tmelu. Jelikož se jedná o částice s nízkým poměrem stran, je potřeba, aby se zásadně zvýšila vodivost kompozitu vyšších dávek okolo 10 % hmotnostně z celkového množství surovin, přičemž optimální dávka pro zachování dobrých mechanických vlastností je okolo 7 %. Když je dávka grafitu větší než 20 %, pevnost v tlaku i tahu se výrazně snižuje.
Čtěte také: Složení betonu
Studie mikrostruktury a vlivu vody
Tento článek je věnován studiu mikrostruktury silikátových elektricky vodivých kompozitů s plnivy na bázi grafitu. Mikrostrukturní tvar plniv byl zvolen s ohledem na zachování co nejvyšší vodivosti. Pro relevantní výsledky tohoto monitorování je zapotřebí dlouhodobého sledování. Vlhkost a další vnější povětrnostní vlivy mohou mít velmi negativní vliv na výsledky, proto je v této publikaci sledován vliv vlhkosti na rozličný typ mikrostruktury těchto kompozitů.
Elektrická vodivost kompozitů, jak již bylo zmíněno výše, závisí především na charakteru, množství, distribuci a vhodném tvaru částic elektrovodivých plniv, která jsou vhodná pro tvorbu ucelené, elektrovodivé sítě. Distribuce a propojení vnitřní struktury lze posoudit opticky pomocí mikroskopů s polarizačními filtry na nábrusech nebo na lomných plochách zkušebních vzorků.
Pro experimentální odzkoušení analýzy mikrostruktury silikátových kompozitů byly kompozitní vzorky koncipovány jako jednoduché silikátové kompozity s cementovým pojivem, normovým pískem a dvěma typy plniv. Pro výrobu malty byl použit normalizovaný písek CEN EN 196-1 o frakci 0-4 mm. Byly použity dva typy grafitu: vločkový přírodní grafit a mikro mletý přírodní grafit, oba složené z minimálně 99,5 % uhlíku a maximálně 0,5 % popelu s maximální vlhkostí 0,5 %.
Experimentální nastavení a měření
Pro účely SHM Monteiro a spol. (2015) testovali směsi malt s přidáním grafitu. Malta, která byla použita, byla složena z cementu CEM I a křemičitého písku v poměru 1:3 s vodním součinitelem wc = 0,5. Byly zkoušeny dávky grafitu 0 %, 4 % a 10 %. Superplastifikátor byl použit v různých procentech jako činidlo redukující vodu, čímž kompenzuje nedostatek vody potřebné pro hydrataci cementu (způsobený přidáním velmi jemných částic grafitu, které mají vysokou absorpční kapacitu). Pro každou kompozici byla vytvořena sada vzorků za účelem studia jejich elektrického měrného odporu a pevnosti v tahu / tlaku. Zkoušky byly prováděny na tělesech 40×40×160 mm po 28 dnech.
Na všech vstupních surovinách byly stanoveny důležité parametry, kterými byla impedance Z určující vodivost surovin, a specifický povrch, který udává zrnitost a charakter částic. Impedance surovin byla stanovena pomocí měřicího zařízení GW Instek LCR-6020 při frekvenci střídavého napětí 1,0 kHz. Ze směsí bylo vytvořeno 6 vzorků o rozměrech 40×40×160 mm, do kterých byly zabudovány měděné elektrody ve vzdálenosti 120 mm pro měření impedance. Tělesa byla uložena do vodního prostředí po dobu 28 dní od namíchání. Následně byla měřena impedance a úbytek hmotnosti těles v čase při laboratorních podmínkách po dobu 3 měsíců. Po dosažení nízkého úbytku hmotností vzorků při laboratorních podmínkách byly vzorky postupně vysušeny v sušárně do konstantní hmotnosti. Po úplném vysušení byla stanovena hmotnostní vlhkost dle ČSN EN ISO 9346 pro každé měření.
Čtěte také: Betonová dlažba Brož
Výsledky a pozorování
Bylo zjištěno, že odlišná zrnitost grafitu při stejném množství nemá výrazný vliv na impedanci kompozitů při nasycení přibližně nad 50 %. Při poklesu obsahu nasycení vodou pod 50 % se však impedance kompozitu s hrubým typem grafitu (grafitový prášek A) výrazně zvyšuje, přičemž kompozit s jemným typem grafitu (grafitový prášek B) mírně klesá. Tento jev je způsoben větší vzdáleností hrubých zrn a jejich nerovnoměrnou distribucí. Z experimentu dále vyplynulo, že impedance kompozitů je nejvíce citlivá na změny obsahu vody při nasycení mezi 30 až 50 % označená jako zóna „kontaktní vodivosti“.
Elektrická vodivost silikátových kompozitů je velmi závislá na vlhkostním stavu konstrukce. S klesající nasyceností vzorků se mění typ vedení elektrického proudu. Tyto změny jsou velmi dobře zaznamenatelné u kompozitu s hrubým typem plniva. Kompozity byly sledovány při nasycení vodou 30-100 %, přičemž pod 30 % již nejsou velké změny v elektrické vodivosti. Kompozit s jemným typem plniva vykazoval stejný typ vedení proudu i při postupném sušení, jeho elektrická vodivost byla mírně klesající až konstantní při celkovém měřeném rozptylu 30-100 % nasycenosti. Elektrická vodivost kompozitu s hrubým typem plniva se při nasycení 100-50 % výrazně neodlišovaly od kompozitu s jemným typem plniva, v obou případech dochází k iontovému vedení prostřednictvím vody jakožto elektrolytu. Při snížení nasycení vzorků s hrubým typem plniva vodou pod 50 % se výrazně zvyšuje impedance (zvyšuje se i měrný odpor). V této fázi je proud veden z částice na částici kontaktním vedením a zbylý obsah vody významně ovlivňuje impedanci vzorků.
Zóny vodivosti
Vedení elektrického proudu v kompozitu lze rozdělit do tří zón:
- Zóna „iontová vodivost“: Elektrický proud je veden přednostně grafitovými zrny a pomocí iontů obsažených ve vodě.
- Zóna „kontaktní vodivost“: Pro přenos elektrického proudu záleží na obsahu vody, přednostně je proud veden pomocí kontaktu mezi zrny grafitu, kde při nižším obsahu vody (30-40 %) se významně projevuje nízký kontakt větších zrn hrubého typu grafitu A.
- Nízké nasycení (okolo 30 %): Proud již velmi málo vede přes ionty obsažené vody a přeskakuje přímo mezi zrny grafitu. Čím jsou grafitová zrna více vzdálena od sebe, tím je nižší vodivost.
Analýza mikrostruktury
Pomocí optického mikroskopu byla porovnána mikrostruktura kompozitu vytvořená rozdílnými typy grafitu. Konkrétně byla sledována struktura vytvořená grafitem uvnitř kompozitu a jeho možná schopnost vytvářet ucelenou elektrovodivou síť. Pro optické posouzení vzorků byla použita jednoduchá optická metoda. Pomocí optického mikroskopu s polarizační clonou byl barevně zvýrazněn uhlík, matrice byla potřena indikátorem fenolftalein, který matrici zbarvil do růžova díky pH vyššímu než 9,5. Vzorek byl nastříkán indikátorem fenolftalein, pomocí kterého byla zbarvena do fialova matrice díky pH vyšším než 9,5 a byly pořízeny snímky z optického mikroskopu.
Při stejném dávkování grafitu lze pozorovat významné rozdíly v distribuci částic ve vzorku. Při použití 10 % velmi jemného grafitu bylo docíleno velmi dobrého homogenního rozptýlení částic, které tak vytváří velmi kvalitní síť pro přenos elektrického proudu.
Čtěte také: Půjčovna pil na beton – vyplatí se?
Dalšími potenciálně vhodnými metodami pro posouzení distribuce a propojení vnitřní struktury jsou metody elektronového skenovacího mikroskopu EDX a WDX, které jsou schopny rozeznat až 95 % prvků z periodické tabulky včetně stopového množství, a to i na ploše několika µm2. Následně lze vytvořit obraz, který lze kontrastně či barevně rozlišit dle prvků.
Grafenový beton: Inovativní krok vpřed
Lidé si někdy myslí, že o grafenu se už nedá vyslovit více chvály. Ale to je omyl. Tento úžasný materiál dovede překvapit i po řadě let, které uplynuly od jeho objevu. Grafen teď opět zabodoval a stal se klíčovou surovinou pro vylepšení betonu. Není to nijak zvlášť složité, jen to chtělo správný nápad. Ten měli vědci na britské Exeterské univerzitě, když smíchali vločky grafenu s vodou a takto vzniklou grafenovou vodu použili k tradiční výrobě betonu. Oproti klasickému betonu je grafenový beton téměř 2,5 krát pevnější v tlaku, téměř 1,8 krát pevnější v ohybu a jeho propustnost vody je téměř 4 krát nižší.
Díky zvýšené pevnosti a odolnosti proti vodě budou stavby z tohoto betonu mnohem trvanlivější než doposud. To znamená, že betonové konstrukce nebude nutné tak často opravovat a nebude nutné vyrábět tolik nového betonu. To ušetří zdroje i emise oxidu uhličitého, kterých je při tradiční výrobě betonu požehnaně. Další výhodou je, že použití grafenu při výrobě betonu významně snižuje potřebné množství dalších materiálů, zhruba o 50 procent. Týká se to i cementu. Podle vedoucího výzkumu doktoranda Dimitara Dimova je teď velmi důležité hledat zelenější cesty produkce a využití stavebních materiálů, aby i stavebnictví podpořilo trend snižování emisí uhlíku. Dimov považuje grafenový beton za první, ale nepochybně klíčový krok, který nás může zavést k více udržitelnému stavebnictví. Rovněž není na škodu, že s grafenovým betonem stavební firmy ušetří nemalé finanční prostředky.
Základní principy betonování a vliv vody
Pro správnou hydrataci cementu je potřeba přibližně 23 - 26 % vody z jeho hmotnosti. To je ale tak málo, že by směs byla téměř nezpracovatelná. Vodní součinitel (wc) 0,40-0,50 je ideální pro pevný a trvanlivý beton a naprosto dostačující pro většinu domácích aplikací. Je však důležité si dát pozor na vlhkost kameniva. Pokud je písek mokrý, tato voda se započítává do vodního součinitele a je třeba ji odečíst. Po dešti může mít písek třeba i 5 % vlhkosti a vzhledem k tomu, že beton jej obsahuje velké množství, tak může razantně zvýšit vodní součinitel. Pokud chcete lépe zpracovatelný beton, plastifikátory umožňují snížit množství přidané vody až o desítky procent.
Jako vodostavební je označován takový beton, jehož maximální hloubka průsaku je menší než 50 mm, u některých speciálních typů betonu jen 20 mm. Konstrukce z vodostavebního betonu mohou čelit podzemní vodě a zemní vlhkosti. Vodostavební betony se proto využívají pro realizaci tzv. bílých van. Vodostavební beton je navrhován zejména pro konstrukce, které jsou dlouhodobě jednostranně vystaveny vodnímu tlaku. Receptury vodostavebních betonů jsou upraveny s ohledem na snížení rizika vzniku trhlin, které nepříznivě ovlivňují vodotěsnost konstrukce.
Tento článek je výsledkem práce Ing. Šimona Baránka, Ing. Víta Černého, Ph.D., Ing. Lenky Mészárosové, Ph.D., prof. Ing. Rostislava Drochytky, CSc., MBA, dr. h. c. a byl recenzován Ing. Miroslavem Vokáčem, Ph.D. z ČVUT Praha, Kloknerova ústavu, který článek doporučuje k publikaci s ohledem na jeho inovativní a aktuální téma vodivého betonu.
tags: #beton #s #grafitem #vodi #informace