خرسانة الجرافين

ما هي خرسانة الجرافين؟

الجرافين مادة رائعة تمتلك القدرة على تحويل أقدم مواد البناء إلى خيار أكثر خضرة واستدامة. كما تتم دراسة دمج الجرافين في عملية إنتاج الخرسانة في جامعة اكستر البريطانية لتطوير مادة مركّبة جديدة تسمى خرسانة الجرافين. حيث أن الخرسانة المركّبة النهائية التي تم الحصول عليها لديها ضعف قوة الخرسانة التقليدية.

الجرافين قوي وخفيف الوزن بشكل لا يصدق، مع موصلية كهربائية وحرارية ممتازة وخصائص ميكانيكية رائعة عندما يتعلق الأمر بالمقاومة والمرونة، ويعتبر الجرافين المادة السحرية. حيث تم اكتشاف الجرافين عن طريق الصدفة تقريبًا، لكن العلماء افترضوا على الفور أن خصائصه غير العادية ستكون قادرة على تغيير مستقبل البشرية.

الجرافين مادة ثنائية الأبعاد بسُمك ذرة واحدة فقط. ويمكن الحصول عليها من الجرافيت، وهو المادة التي تُصنع منها خيوط أقلام الرصاص لدينا. كما أن الجرافين هو معدن مركّب على شكل رقائقي مصنوع من طبقات عديدة من ذرات الكربون. وداخل كل طبقة بسمك ذرة واحدة، يتم ترتيب ذرات الكربون في هياكل سداسية ويتم تجميعها معًا بواسطة قوى كيميائية ضعيفة.

الجرافين أخف من الريش وأكثر موصلة من النحاس. كما لديها قوة أكبر من الفولاذ وتهيمن ببطء على منتجات الخرسانة المسلحة بالفولاذ. حيث تستكشف هذه المقالة خصائص الجرافين وتأثيره على البناء الخرساني.

الجرافين المادة المعجزة في الخرسانة:

يتكون الجرافين من ذرات كربون مرتبة في نمط شبكي قرص العسل. كما أن الهيكل شبه شفاف بسُمك ذرة واحدة. حيث أنه عند استخدامها في الخرسانة، تضفي المادة قوة أكبر 200 مرة وتجعل الخرسانة أخف ست مرات مقارنة بالخرسانة التقليدية. وبالتالي، تساعد خصائص الجرافين هذه في إنتاج مواد مركّبة خفيفة الوزن.

الجرافين موصل جيد للحرارة والكهرباء. حيث تمتص حوالي 2% من الضوء وهي غير منفذة للهيدروجين والهيليوم والغازات الخفيفة الأخرى.

الجرافين في الخرسانة:

الجرافين هو أقوى مادة من صنع الإنسان في العالم بقوة شد تبلغ 130 جيجا باسكال ومعامل مرونة 1 باسكال. حيث تساعد القوة الكامنة في الجرافين على استعادة الشكل الأصلي للمادة حتى بعد تطبيق إجهاد بنسبة 25%. ولها أبعاد أصغر من 1 ميكرون، ممّا يجعلها مثالية للخلط مع مواد رابطة أسمنتية ومواد مضافة وركام للحصول على خرسانة أفضل.

ابتكر الباحثون في جامعة اكستر طريقة لتعليق رقائق الجرافين في الماء. ويتم خلط هذه المياه مع مكونات الخرسانة التقليدية والإسمنت والركام. حيث أن العملية برمتها غير مكلفة ومتوافقة مع متطلبات البناء الحديثة. كما يتم خلط إضافات الجرافين بسهولة مع الماء وإضافتها إلى الخرسانة. ومن ثم، فإنّ هذا لا يتطلب أي معدات إضافية للتعامل معها.

تم اختبار الخرسانة المعززة بالجرافين ووجد أنها تلبّي المعايير البريطانية والأوروبية للبناء. ويوفر زيادة بنسبة 146% ​​في مقاومة الانضغاط وزيادة بنسبة 70% في مقاومة الانحناء وانخفاض بنسبة 400% في النفاذية. كما سيؤدي دمج الجرافين في الخرسانة إلى تطوير هياكل ذات متانة متزايدة.

يسمح الجرافين في الخرسانة بتقليل حوالي 50% من المواد الخام المستخدمة في الخرسانة التقليدية. ويقال إنه يحقق انخفاضًا ملحوظًا في محتوى الأسمنت. حيث يذكر الباحثون أن هذه التكنولوجيا يمكن أن تؤدي إلى تقليل 446 كجم لكل طن من ثاني أكسيد الكربون.

مزايا خرسانة الجرافين:

الحلول الثلاثة الرئيسية التي يوفرها الجرافين في الخرسانة هي من حيث الحجم والقوة ومقاومة الماء للخرسانة.

• يغير الجرافين الموجود في الخرسانة كيمياء الخرسانة، ممّا يجعلها أقوى وأكثر متانة. ويقل حجم الخرسانة بنسبة 15%، ممّا يقلل الحرارة المنبعثة أثناء التصلب.

• يزيد الجرافين في الخرسانة من قوة الانحناء بنسبة 70%، ممّا يقلل من كمية حديد التسليح. وبالتالي، يتم تحقيق وفورات كبيرة في التكلفة لكل منتج.

• تمت زيادة مقاومة الخرسانة للماء بنسبة 300%، ممّا يطيل من عمر الخدمة ويوفر تكلفة الصيانة.

تطبيقات خرسانة الجرافين:

• بناء سلالم مسبقة الصب وألواح خرسانية مسبقة الصب وأساسات مقاومة للماء.

• بناء خزانات الصرف الصحي والمياه وغرف الصرف الصحي وعوارض السكك الحديدية.

• بناء جدران رأسية للأنابيب.

• بناء مطابخ خارجية وسلالم حدائق.

أسئلة وأجوبة حول خرسانة الجرافين:

1. ما هي الخرسانة الجرافين؟

تم دمج الجرافين مع إنتاج الخرسانة التقليدي في دراسة بحثية أجريت في جامعة اكستر لتطوير مادة مركّبة جديدة، تسمّى خرسانة الجرافين.

2. ما هي مميزات خرسانة الجرافين؟

تم اختبار الخرسانة المعززة بالجرافين ووجد أنها تلبي المعايير البريطانية والأوروبية للبناء. ويوفر زيادة بنسبة 146% في مقاومة الانضغاط وزيادة بنسبة 70% في مقاومة الانحناء وانخفاض بنسبة 400% في النفاذية.

3. ما هي تطبيقات خرسانة الجرافين؟

يتمثل التطبيق المهم لخرسانة الجرافين في بناء وحدات السلالم الجاهزة والجدران الأمامية للأنابيب والصرف الصحيوخزانات المياه.