Grafenförstärkta betongpålar – industrialisering av funktionaliserad grafen i betong (avslutat)

Syfte och mål

Detta FoI-projekt syftade till att i större skala kunna ta fram prototyper på grafenförstärkta betongpålar samt möjliggöra kommersiell tillverkning av funktionaliserat grafen. Projektet vidareutvecklade tidigare forskningsresultat där små provkroppar med cementpasta påvisat att rätt funktionaliserat grafen kan öka betongens tryckhållfasthet med upp till 50 %.

Planerat genomförande

Centrum Påle AB, tillverkare av betongpålar koordineraed projektet och SHT Smart High Tech AB utvecklade och tillverkade funktionaliserat grafen tillsammans med två forskningsgrupper på Chalmers Tekniska Högskola med spetskunskaper om grafen respektive betong. Projektet genomfördes genom olika aktiviteter inklusive uppbyggnad av pilotskaleanläggning för ytbehandling av grafen; tillverkning och karaktärisering av funktionaliserat grafen; karaktärisering av grafenförstärkt betong; hållfasthet- och beständighetsprovning, livslängdsanalys samt hållbarhetanalys. Resultaten har disseminerats och exploaterats genom olika demonstrationer, presentationer samt vetenskapliga och populärvetenskapliga publikationer.

Förväntade effekter och resultat 

Genom ökad hållfasthet tillåts tillverkning av lättare och mindre betongkrävande konstruktioner. En lättare konstruktion (påle i det här fallet) blir en billigare produkt då råvaruåtgången av framförallt cement är lägre samtidigt som dyra transportkostnader kan hållas på ett minimum. Starkare och billigare betongkonstruktioner kan på sikt tänkas sänka de genomsnittliga byggpriserna. Dessutom står dagens betongindustri för cirka 7 procent av världens CO2-utsläpp och en minskning av utsläppsnivåerna via ett minskat betongbehov är mycket positivt.

Resultat

  • Projektet har lyckats skala upp tillverkningen av funktionaliserat grafenoxid (FGO) från labbnivå till pilotskalenivå med en produktionskapacitet på nära 100g FGO/batch och en helautomatisk produktionsprocess. Med den ökade kapaciteten kunde dagliga gjutningar av FGO-förstärkta betongprovkroppar utföras och det slutliga betongreceptet uppnådde en hållfasthetsökning på som bäst 25 % mot referensbetong. Vi har med detta lyckats visa att det under vissa förhållanden går att få en signifikant hållfasthetsökning inte bara på labbnivå, utan även på fabrikstillverkad betong, dessutom i betong med superplasticerare (flyttillsatsmedel). Principen och processen fungerar men fortsatta försök i större skala behövs och planeras för att öka reproducerbarheten.
  • Vi uppnådde 25 % hållfasthetsökning mot referensen i pilotskalenivå, vilket  är en stor framgång då referensbetongen är tillverkad i en av de högsta hållfasthetsklasserna på marknaden. Generellt var målsättningen i projektet hög, men en stor del av resurserna gick åt till att optimera samspelet mellan flyttillsatsmedel och FGO. Projektets resultat visar att det är viktigt att anpassa metoder för tillförsel av FGO beroende tillsatsmedels egenskaper. Detta ger en stark vägledning för framtida processutveckling för tillverkning av grafenförstärkt betong.
  • Den viktigaste insikten var att processen ställer stora krav på grafenets storlek, morfologi samt själva funktionaliseringen. Processen är dessutom känslig för kontaminering och moment som lagring, dosering och blandning av FGO är kritiska för nanopartiklarnas utblandning och därmed den slutliga hållfasthetsökningen i betongen. Det visade sig också vara svårare än väntat att skapa repeterbara resultat. Trots synbart samma procedurer varvades positiva resultat med negativa. Stora mängder provning gick åt till att försöka hitta felfaktorer i produktionskedjan.
  • Framtidsutsikterna för grafenförstärkt betong är goda, även om de första produkterna kanske ligger några år fram i tiden. I ett större perspektiv kan projektet vara en pusselbit på vägen mot industriell grafenförstärkt betong. Den uppskalade pilotanläggningen kan exempelvis vidareutvecklas för att nå bättre stabilitet och repeterbarhet.
  • Vi saknar en partner med analyskunnande på atomnivå för att gå vidare.
Abstract in English

Graphene strenghtened concrete piles - industrialization of functionalized graphene in concrete

This project will further develop graphene enhanced concrete in a large scale and allow commercial production of functionalized graphene. Previous research work on small-sized samples has shown that the compressive strength of concrete could have 50 % increase with the addition of functionalized graphene. Project partners are manufacturer of concrete piles Centrum Påle AB and instalation specialist Aarsleff Grundläggnings AB together with developer/manufacturer of functionalized graphene SHT Smart High Tech AB and Chalmers University of Technology. The project will be carried out through various activities, which includes: construction of pilot production line on surface modification of graphene, production and characterization of functionalized graphene and graphene reinforced concrete, durability testing, lifetime and sustainability analysis. Higher compressive strength allows manufacturing of lighter and less concrete consuming products. A lighter product becomes a less expensive product when the need for raw materials, of especially cement, is lowered and transportation costs can be held at a minimum.

Results
The project has managed to scale up the production of functionalized graphene oxide (FGO) from lab level to pilot scale level with a production capacity of close to 100g FGO / batch and a fully automatic production process.
With the increased capacity, daily castings of FGO-reinforced concrete specimens could be performed and the final concrete recipe achieved a strength increase of at least 25% against reference concrete.
With this we have succeeded in showing that under certain conditions it is possible to obtain a significant increase in strength not only at lab level, but also at factory-made concrete, in addition to concrete with superplasticizers (transfer additives). The principle and process work, but further attempts on a larger scale are needed and planned to increase reproducibility.
We achieved 25% strength increase against the reference in pilot scale level, which is a great success since the reference concrete is manufactured in one of the highest strength classes on the market. In general, the objective of the project was high, but a large part of the resources went into optimizing the interaction between the superplasticizers and FGO. The results of the project show that it is important to adapt methods for supplying the properties of FGO-dependent additives. This provides a strong guide for future process development for the production of graphene-reinforced concrete.
The most important insight was that the process places great demands on the graphene's size, morphology and the functionalization itself. In addition, the process is sensitive to contamination. Storage, dosing and mixing of FGO are critical to the nanoparticulate mixture and thus the final strength increase in the concrete. It also turned out to be more difficult than expected to create repeatable results. Despite visible procedures, there were positive and negative results. Large amounts of testing were used to try to find fault factors in the production chain. The future prospects for graphene-reinforced concrete are good, although the first products may be a few years ahead. In a larger perspective, the project can be a puzzle piece on the road to industrial graphene-reinforced concrete. For example, the upgraded pilot plant can be further developed to achieve better stability and repeatability. We lack a partner with analytical knowledge at atomic level to move on.

Utlysning:
Förstudieprojekt och Forsknings- och Innovationsprojekt våren 2016

Projektpartners: Centrum Påle AB, Aarsleff Grundläggnings AB, SHT Smart High Tech AB, Chalmers

Projektledare: Björn Cullbrand

Projektform: Förstudie

E-mail: bcu@centrumpale.se

Bidrag: 2 000 000 kr

Projektets löptid: maj 2016 - sept 2018

Relaterade styrkeområden:

Med stöd från: