Was Ingenieure der US-Armee entdeckten, als sie Zement Graphen beifügten

Graphen-Molekülgitter (Bild: koya979 via AdobeStock – stock.adobe.com)

Die US-Armee erkundet das Potenzial des Wundermaterials Graphen, um stärkeren Mörtel und Beton für militärische und zivile Anwendungen herzustellen.

Graphen wurde 2004 entdeckt und besteht aus einer einzelnen Schicht Kohlenstoffatome, die in einem hexagonalen Wabengitter gebunden sind. Das aus Graphit gewonnene Material ist hochleitfähig, wiegt sehr wenig und besitzt eine bemerkenswerte Festigkeit.

Theoretisch könnte die Verwendung von Magnesium in Beton Probleme mit geringer Zugfestigkeit und Durchlässigkeit lösen. Das Potenzial, die Festigkeit von Beton zu erhöhen, könnte zudem den Bedarf an Stahlbewehrung verringern und so den Weg für eine Reduzierung der CO2-Emissionen ebnen.

Neue Graphen-Studie

Vor der Belastung einer 0,02 % (w/w) im Labor erzeugten Graphen-Zementpaste (LGG) (Bild: Graphene in Cementitious Materials/ERDC)

Allerdings steckt die Verwendung von Graphen in Zement und Beton noch in den Kinderschuhen und es sind noch einige Hürden zu überwinden – insbesondere wenn es darum geht, die richtige Graphendosierung, Partikelgröße und Mischgeschwindigkeit zu finden sowie das Wundermaterial im Beton zu verteilen, um optimale Festigkeit zu erreichen.

Dies ist das Ziel eines im vergangenen Monat (Dezember 2023) veröffentlichten Berichts des US Army Engineer Research and Development Centre (ERDC) mit dem Titel „Graphene in Cementitious Materials“ .

Die Forscher testeten sowohl Graphen in Handelsqualität (CGG) als auch im Labor erzeugtes Graphen (LGG), um kleine Mengen von Graphen-Zement-Mischungen herzustellen.

Nachdem die Forscher das Graphen mithilfe eines Dispergiermittels in Standard-Portlandzement eingemischt hatten, ließen sie die Mischung sieben, 14 und 28 Tage lang in einem Nebelraum aushärten, bevor sie Druckfestigkeitstests sowie chemische und mikrostrukturelle Analysen durchführten. Die Graphen-Zement-Mischungen wurden mit einer Referenz-Zementmischung verglichen, die kein Graphen enthielt.

Stärkerer Zement … wenn die Zutaten stimmen

Die Forscher fanden heraus, dass es möglich ist, Graphen-Zement-Pasten mit höherer Druckfestigkeit als Standardzement herzustellen.

Dafür musste allerdings die richtige Graphen-Dosierung gefunden und eine optimale Verteilung des Materials im Zement erreicht werden (die Studie ergab, dass der Betonzusatzstoff MasterGlenium 7920 hierfür das wirksamste Tensid war).

So schnitt beispielsweise eine 0,3-prozentige Dosierung handelsüblichen Graphens am besten ab. Die durchschnittliche Druckfestigkeit nahm dabei stetig zu, von knapp über 100 Prozent des Werts bei normalem Portlandzement nach 7 Tagen Aushärtung auf knapp 110 Prozent nach 14 Tagen, bevor sie nach 28 Tagen wieder auf über 120 Prozent anstieg.

Eine 0,6-prozentige Dosis CGG-basierter Graphit-Zementpaste zeigte im Laufe der Zeit ebenfalls eine geringfügige Verbesserung, eine 0,9-prozentige Dosis schnitt jedoch in Festigkeitstests sowohl nach 7 als auch nach 28 Tagen schlechter ab als herkömmlicher Portlandzement.

Bei LGG-Zementmischungen schnitten alle Graphit-Zement-Mischungen nach 14 Tagen Aushärtung in Festigkeitstests besser ab. Nach 28 Tagen Aushärtung ließ ihre Leistung jedoch nach.

Quelle: Graphen in zementartigen Materialien/ERDC

Die Ergebnisse zeigten, wie wichtig eine gute Dispersion des Graphens im Zement sowie die richtige Dosierung des Graphens sind. Werden diese Variablen falsch gewählt, besteht die Gefahr, dass mehrere Graphenschichten zusammenklumpen. Und wenn Graphenschichten agglomerieren, sind die Kräfte, die sie an ihrem Platz halten, schwach und können letztendlich die Festigkeit der Zementmischung beeinträchtigen.

In dem Bericht heißt es: „Diese Erkenntnisse unterstreichen die Bedeutung einer optimalen Graphendispersion in zementartigen Medien, die durch die Art des Dispersionsmittels, die Geschwindigkeit der Hochschergeschwindigkeitsmischung sowie Graphenart, -größe und -dosierung bestimmt wird.“

Nächste Schritte

Dennoch gaben die Forscher an, dass sie für Graphenbeton eine rosige Zukunft voraussehen.

In dem Bericht heißt es: „Bei Zug- und Biegebeanspruchung kann man bei Graphenbeton im Vergleich zu herkömmlichem Beton mit deutlichen Verbesserungen rechnen, da die Zugfestigkeit und der Elastizitätsmodul von Graphen besser ausgenutzt werden.“

Quelle: Graphen in zementartigen Materialien/ERDC

Die Ingenieure der US-Armee möchten ihre Forschungen nun fortsetzen und die Auswirkungen feiner und grober Zuschlagstoffe auf das Verhalten von Graphitbetonmaterialien untersuchen.

„Die Erforschung der Einsatzmöglichkeiten von Graphen wird es ermöglichen, Strukturen im Militärbau zu entwickeln, die Explosionen und Durchdringungen besser standhalten. Weitere Untersuchungen von Graphen in zementartigen Matrizen werden die Einführung von GRM für militärische Bauten, die Unterstützung von Soldaten, den Kampf gegen den Klimawandel und die Verwendung in der riesigen zivilen Infrastruktur unseres Landes erleichtern“, so der Bericht abschließend.

Lesen Sie den vollständigen Bericht des ERDC „Graphit in zementartigen Materialien“ .