Longterm performance monitoring of concrete structures using a novel graphenebased DURAble SENSor

Syfte och mål

Projektet skulle utnyttja grafens speciella egenskaper och utveckla nya grafenbaserade sensorer, för att dokumentera och verifiera betongens beständighetsegenskaper i konstruktionen, genom att mäta dielektriska egenskaper och resistivitet.

Möjligheten att kunna mäta betongens hårdnande och beständighetsegenskaper under bygg- och driftskedet är i dag begränsat på grund av att nuvarande sensorer inte är långtidsstabila. Därför är den vanligaste tekniken att övervaka temperaturutvecklingen under byggskedet och använda detta som en indikation på hållfasthetsutveckling samt att gjuta in elektroder för att mäta korrosionspotentialer. Men ingen av dessa mätmetoder ger någon information om betongens beständighetsegenskaper och hur dessa förändras med tiden. Med en total årsförbrukning på mer än 4,2 miljarder ton, är betong ett av de mest använda materialen och primärt det som används inom byggnation av infrastruktur, vilket gör potentialen för sensorer mycket stor.

Planerat upplägg och genomförande

I projektet deltar Thomas Concrete Group, Chalmers tekniska högskola (institutionen för Mikroteknologi och Nanovetenskap samt institutionen för Bygg- och miljöteknik) och SHT Smart High Tech AB. Utformning av olika sensorer kommer att undersökas för ett erhålla optimal upplösning och långtidsstabilitet. Sensorerna ska gjutas in i färsk betongmassa och mätningar med sensorerna ska göras för att bestämma bindetid och utveckling av porstrukturen i den hårdnade betongen. Mätningar kommer samtidigt att genomföras med andra metoder, för att korrelera med sensorernas mätvärden.

Effekter och resultat
Det huvudsakliga målet var att utveckla en stabil och beständig sensor för mätning av betongens hårdnande och beständighetsegenskaper under bygg- och driftskedet.

Sensorsystemet baseras på fyra elektroder (Wenners fyrapunktsmetod), där elektroderna består av grafen-modifierad cementpasta vilken har en hög elektrisk ledningsförmåga och god kompabilitet med betong. I studien genomfördes många försök för att hitta den bästa blandningen av grafen och andra fillers, som gav den bästa elektriska ledningsförmågan men som också gav en stabil signal med den lägsta variationen. De elektroder som hade de bästa egenskaperna gjöts in i betong och användes för att mäta hur dess resistivitet förändrades under cementhydratiseringsprocessen.

I förstudien har en användbar sensor utvecklats som tros uppfylla de krav som kan ställas på en sådan. Sensorn har påvisats att fungera för mätning av betongens resistivitetsutveckling, vilken har en mycket stark koppling till betongens materialegenskaper och porstruktur.

Projektet har gett insikten att funktionella material, som grafen, gör det möjligt att förändra och styra materialegenskaper. Det är till exempel möjligt att radikalt ändra den elektriska ledningsförmågan, så att cementbaserade material kan användas som sensorer. Denna utveckling sker i en rasande takt. Det finns andra som till exempel utvecklat och patenterat grafen-modifierad cement med piezoelektriska egenskaper.

I nästa steg är utmaningen att utveckla ett komplett mätsystem, som inkluderar anslutning, strömförsörjning, datainsamling och bearbetning. För denna del finns det behov av partners som arbetar med elektronik och mätsystem.