Grafenförstärkt betongstängsel

Syfte och mål

Heda Skandinavien AB (HEDA) är intresserade av att använda grafen för att minska mängden betong, men samtidigt behålla styrkan i betongen (t.ex. i betongfundament för stolpar) och att förbättra de strukturella mekaniska egenskaperna. Utveckling av alternativa och mer effektiva metoder för uppförande av stängsel är mycket viktigt för framtida stängseltillämpningar och andra närstående områden, såsom arbetsmiljön kontra kostnadsbasen. Den ständiga prisreduktionen i stängselbranschen där kvalitets- och prisproblemet alltid är närvarande, gör att vi konstant behöver utveckla oss och vara innovativa för att kunna leverera.

Syftet med detta FoI-projekt är att reducera mängden betong genom tillsättning av funtionaliserad grafen (FG) samtidigt som styrkan bibehålls, särskilt den flexurala styrkan för stängseltillämpningar. Konceptet med att använda FG i betong förväntas bibehålla prestanda och samtidigt minska vikten. På så sätt bidrar det till en helt ny generation av stängselmaterial i Sverige. Svensk byggsektor kommer kunna dra nytta av forskningen inom förbättrade lättviktsstrukturer för hållbart byggande och konstruktion. Projektet koordineras av HEDA och involverar SHT Smart High Tech AB (SHT) och Chalmers tekniska högskola. Baserat på resultaten från förstudien inom SIO Grafen, kommer repetering och uppskalning av FG-framställning förbättras. Blandning av FG och cement på plats är ett annat kritiskt område för att få grafenet väl distribuerat i betongen. Tester kommer utföras i vintermiljö (i minusgrader) med tjäle samt även havsnära (med korrosion) för att se vad som sker med den grafenförstärkta betongen vid olika väderförhållanden och olika geografiska platser.

 

Resultat

Målet med projektet var att minska mängden betong som används i stängselapplikationer, samtidigt som styrkan och böjhållfastheten bibehölls. Detta gjordes genom att använda funktionaliserad grafen. Stängslen sattes upp på tre olika platser (två utomhus och ett inomhus). För att jämföra med de normala betongstaketens fundament, utsattes alla stängsel för ett ett-årigt test. Förstärkningen av böj- och tryckstyrka observerades. Det snabba åldringstestet (inomhus) visade också flexibiliteten hos grafen i betong.

Det antas att grafen tätar mikrostrukturen för cement och som ett resultat ökar den mekaniska styrkan hos betongen. Detta gör det möjligt att använda mindre cement (30 viktprocent mindre) i betongstaketet. De resultat vi fick var förväntade och gav oss ett bevis på att grafenförstärkt betongfundament för staket är möjliga. Resultaten är tillräckligt säkra för att kunna användas som bevis i ytterligare detaljerade undersökningar och förbättringar av applikationen.

Morfologin för funktionaliserad grafen (FG), storleksfördelningen och antalet skikt har kännetecknats av elektronmikroskopi (SEM och TEM) och Raman spektroskopi. Kvaliteten på FG och dess funktionella grupper har undersökts med användning av Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR).

Inom projektet bildade vi en bra leveranskedja med olika partners: SHT tillhandahöll funktionaliserad grafen, Chalmers gjorde materialkaraktäriseringen och Heda inrättade grafenbetongstaket. Även om vi ser förbättringen för betongen med att lägga till funktionaliserad grafen krävs ytterligare arbete för att utvärdera om det är tillräckligt bra även i en kommersiell applikation. Tekniskt sett måste vi också gå tillbaka till den grundläggande studien för att förstå reaktionen mellan grafen och cement. Det hjälper oss att se om det finns potential att förbättra mer i framtiden. Livscykelstudien och påverkan på miljön hos funktionaliserad grafen ska också studeras innan resultaten kan implementeras i en kommersiell produkt. Detta beräknas att ta 3-4 år.

Abstract in English

Graphene reinforced concrete fences
Heda Skandinavien is interested in using graphene to reduce the amount of concrete, while retaining the strength of the concrete (eg in concrete foundations for posts) and improving the structural mechanical properties. Development of alternative and more efficient methods for putting up fences is essential for future fencing applications and other related areas, such as the working environment versus the cost base. The purpose of this research and innovation project is to reduce the amount of concrete by adding the functionalized graphene (FG) while maintaining the strength, especially the flexural strength of fencing applications. Using FG in concrete is expected to maintain performance while reducing weight. This will contribute to a whole new generation of fencing materials in Sweden. The Swedish construction sector will benefit from research in improved lightweight structures for sustainable building and construction. Based on the results from the previous feasibility study within SIO Grafen, repeating and scaling up the production of FG will be improved. Mixing of FG and cement on-site is another critical area to get the graphene well distributed in the concrete. Tests will be carried out to evaluate what happens to the graphene reinforced concrete in different weather conditions and different geographic locations.

Results
The goal of the project was to reduce the amount of concrete by adding functionalized graphene while keeping the strength, especially the flexural strength for fence applications. The fences were set up in three different locations (two outdoor and one indoor). In order to compare with the normal concrete fence foundations, all of the fences survived a complete one year test. The enhancement on flexural and compressive strength was observed. The fast aging test (indoor) also shows the flexibility of graphene contained in concrete.  

It is supposed that graphene densifies the microstructure of cement and as a result increases the mechanical strength of concrete. This makes it possible to use less cement (30 wt% less) in the concrete fence. The results we got was expected and gave us proof of concept that graphene enhanced concrete foundations for fences are possible and results are stable enough to use as evidence in further detailed examinations and trimmings of the application. 

The morphology of functionalized graphene (FG), the size distribution and the number of layers has been characterized by the electron microscopy (SEM and TEM) and Raman Spectroscopy. The quality of FG and its functional groups has been investigated using Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR).  

Within the project, we formed a good supply chain with different partners: SHT provided functionalized graphene, Chalmers did the material characterization and Heda set up the graphene concrete fences. Even though we see the improvement for the concrete with adding functionalized graphene, we still need to do more work to evaluate if it is good enough in a commercial application. Technically, we also need go back to the fundamental study to understand the reaction between graphene and cement. That will help us see if there is any potential to improve more in the future. The life cycle study and impact on the environment of functionalized graphene are also to be studied before it can be used in a commercial product. This will probably take 3-4 years.  

Utlysning:
Samverkansprojekt för kommersiella tillämpningar med grafen – våren 2018

Projektpartners: Heda Skandinavien, Chalmers och SHT Smart High-Tech

Projektledare: Simo Järelöv, Heda Skandinavien

Projektform: Forsknings- och innovationsprojekt

Bidrag: 1 000 000 kr

Projektets löptid: 30 maj 2018 - 29 nov. 2019

Relaterade projekt:
Grafenförstärkt betong för lättviktsstängsel

Relaterade styrkeområden: