Cosa hanno scoperto gli ingegneri dell'esercito americano quando hanno aggiunto il grafene al cemento

Griglia molecolare di grafene (Immagine: koya979 tramite AdobeStock - stock.adobe.com)

L'esercito statunitense ha esplorato il potenziale del grafene, un materiale straordinario, per realizzare malte e calcestruzzi più resistenti, sia per applicazioni militari che civili.

Il grafene, scoperto nel 2004, è un singolo strato di atomi di carbonio, legati in un reticolo esagonale a nido d'ape. Estratto dalla grafite, è altamente conduttivo, pesa molto poco e ha una resistenza notevole.

Introdurlo al calcestruzzo potrebbe, in teoria, risolvere i problemi di bassa resistenza alla trazione e permeabilità. Il suo potenziale di aumentare la resistenza del calcestruzzo potrebbe anche ridurre la necessità di rinforzo in acciaio, aprendo la strada a una riduzione delle emissioni di CO2.

Nuovo studio sul grafene

Prima dell'applicazione del carico alla pasta di cemento al grafene (LGG) generata in laboratorio allo 0,02% (p/p) (immagine: Graphene in Cementitious Materials/ERDC)

Ma l'uso del grafene nel cemento e nel calcestruzzo è ancora agli inizi e ci sono ostacoli da superare, in particolare quando si tratta di trovare il dosaggio corretto di grafene, la dimensione delle particelle, la velocità di miscelazione e come disperdere questo materiale meraviglioso nel calcestruzzo per ottenere una resistenza ottimale.

Questo è l'obiettivo che si prefiggeva di raggiungere un rapporto dell'US Army Engineer Research and Development Centre (ERDC), pubblicato il mese scorso (dicembre 2023), intitolato Graphene in Cementitious Materials .

I ricercatori hanno testato sia il grafene di qualità commerciale (CGG) sia quello prodotto in laboratorio (LGG) per creare piccole quantità di miscele di grafene e cemento.

Dopo aver mescolato il grafene nel cemento Portland standard usando un disperdente, i ricercatori hanno fatto indurire la miscela in una camera a nebbia per sette, 14 e 28 giorni prima di eseguire test di resistenza alla compressione e analisi chimiche e microstrutturali. Le miscele di grafene-cemento sono state confrontate con una miscela di cemento di riferimento che non conteneva grafene.

Cemento più forte...se gli ingredienti sono giusti

Ciò che i ricercatori hanno scoperto è che è possibile ottenere paste di cemento al grafene con resistenze alla compressione più elevate rispetto al cemento standard.

Ma tutto ciò si basava sulla ricerca del dosaggio corretto di grafene e sul raggiungimento della dispersione ottimale del materiale nel cemento (lo studio ha scoperto che l'additivo per calcestruzzo MasterGlenium 7920 era il tensioattivo più efficace a questo scopo).

Ad esempio, un dosaggio dello 0,3% di grafene di qualità commerciale ha ottenuto i risultati migliori, mostrando un aumento costante della sua resistenza media alla compressione, da poco più del 100% del normale cemento Portland dopo 7 giorni di stagionatura, a poco meno del 110% dopo 14 giorni, prima di risalire a oltre il 120% dopo 28 giorni.

Anche una dose allo 0,6% di pasta cementizia di grafite a base di CGG ha mostrato un miglioramento marginale nel tempo, ma una dose allo 0,9% ha avuto prestazioni peggiori nei test di resistenza rispetto al cemento Portland standard sia dopo 7 che dopo 28 giorni.

Per quanto riguarda le miscele di cemento LGG, tutte le miscele di grafite e cemento hanno ottenuto risultati migliori nei test di resistenza dopo 14 giorni di stagionatura. Ma le loro prestazioni sono calate dopo 28 giorni di stagionatura.

Fonte: Grafene nei materiali cementizi/ERDC

I risultati hanno mostrato quanto sia importante una buona dispersione del grafene nel cemento, così come ottenere il corretto dosaggio di grafene. Sbagliando queste variabili si rischia che più strati di grafene si uniscano. E quando gli strati di grafene si agglomerano, le forze che li tengono in posizione sono deboli e possono finire per compromettere la resistenza delle miscele di cemento.

Il rapporto ha osservato: "Questi risultati sottolineano l'importanza di ottenere una dispersione ottimale del grafene nei supporti cementizi, che è determinata dal tipo di disperdente, dalla velocità di miscelazione ad alto tasso di taglio, insieme al tipo di grafene, alle dimensioni e al tasso di dosaggio".

Prossimi passi

Ciononostante, i ricercatori hanno dichiarato di intravedere un futuro luminoso per il calcestruzzo arricchito di grafene.

Nel rapporto si legge: "Ci si può aspettare di vedere miglioramenti significativi nel calcestruzzo al grafene rispetto al calcestruzzo convenzionale nelle applicazioni di trazione e flessione, dove la resistenza alla trazione e il modulo di Young del grafene saranno utilizzati meglio".

Fonte: Grafene nei materiali cementizi/ERDC

Ora gli ingegneri dell'esercito americano sperano di proseguire la loro ricerca, esaminando l'impatto degli aggregati fini e grossolani sul comportamento dei materiali in calcestruzzo di grafite.

"Esplorare le opportunità nell'uso del grafene consentirà strutture più performanti nell'ingegneria militare in situazioni di esplosione e penetrazione. Ulteriori indagini sul grafene in matrici cementizie faciliteranno l'adozione del GRM per la costruzione militare, il supporto ai combattenti, la lotta al cambiamento climatico e l'uso nella vasta infrastruttura di opere civili della nostra nazione", ha concluso il rapporto.

Leggi il rapporto completo dell'ERDC, Graphine in Cementitious Materials .