Получение углеродных наполнителей для повышения прочности бетона

Снижение расхода цемента в производстве бетона (объемом свыше 20 млрд т в год) является актуальной экологической задачей в связи с вкладом цементной промышленности в глобальное потепление. Исследована возможность применения многослойного графена и графеноподобного продукта – древесной сажи, кавитационно активированной, в качестве наномодификаторов бетона для увеличения его прочности при возведении фундаментов, подземных сооружений и других объектов геотехнического строительства. В качестве сырья использованы графиты (ГК-1, ГАК-2), полученные из обогащенных руд и металлургических отходов («ГрафитСервис», Челябинск), и древесная сажа. Рассмотрены способы отслаивания графита методом гидродинамической технологии с эффектами кавитации – жидкофазной эксфолиации, с помощью высокоскоростного миксера до состояния графена и высокоэнергетической кавитационной технологии в суперкавитационном миксере. Методами электронной микроскопии, седиментационного и дисперсионного анализа, рентгенофазового анализа, электронопарамагнитного резонанса и Мессбауэра показано, что при диспергировании графитов образуются многослойные графены и графеновые квантовые точки (осколки графеновых частиц) размером от 10 до 100 нм, а сажа после кавитации содержит следовые количества фуллеренов. Получено, что добавление многослойного графена и сажи после кавитации в виде функциональных водных суспензий позволит достичь прочности бетона, сопоставимой с прочностью обычного бетона с более высоким содержанием цемента.

Стебелева О. П., Вшивкова О. А., Пьяных Т. А., Моисеенко Е. Т., Одинцов Р. В. Получение углеродных наполнителей для повышения прочности бетона // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2025. – № 10. – С. 61–82. DOI: 10.25018/0236_1493_2025_10_0_61.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-29-00593, https://rscf.ru/project/24-29-00593/.

Стебелева Олеся Павловна¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: opstebeleva@mail.ru, ORCID ID: 0000-0002-9559-1522,
Вшивкова Ольга Антоновна — канд. физ.-мат. наук, младший научный сотрудник, Красноярский научный центр Сибирского отделения РАН, e-mail: oavshivkova@mail.ru, ORCID ID: 0000-0002-0779-3547,
Пьяных Татьяна Анатольевна¹ — канд. техн. наук, доцент, e-mail: Ostanina.t@mail.ru, ORCID ID: 0009-0004-9914-7535,
Моисеенко Евгений Тимофеевич¹ — канд. физ.-мат. наук, инженер-исследователь, e-mail: e.t.moiseenko@ya.ru, ORCID ID: 0009-0006-4938-9987,
Одинцов Роман Валериевич¹ — инженер, e-mail: pomamow@gmail.com, ORCID ID: 0009-0002-5971-6647,
¹ Сибирский Федеральный университет.

Стебелева О.П., e-mail: opstebeleva@mail.ru.

1. Mohamad N., Muthusamy K., Embong R., Kusbiantoro A., Hashim M. H. Environmental impact of cement production and Solutions: A review // Materials Today: Proceedings. 2022, vol. 48, pp. 741— 746. DOI: 10.1016/j.matpr.2021.02.212.

2. Van R. E., Miller S. A., Davis S. J. Building materials could store more than 16 billion tonnes of CO2 annually // Science. 2025, vol. 387, article 6730, pp. 176—182. DOI: 10.1126/science.adq8594.

3. Monteiro N. B. R., Moita Neto J. M., Da Silva E. A. Environmental assessment in concrete industries // Journal of Cleaner Production. 2021, vol. 327, article 129516. DOI: 10.1016/j.jclepro.2021.129516.

4. Tahwia A. M., El-Far O., Amin M. Characteristics of sustainable high strength concrete incorporating eco-friendly materials // Innovative Infrastructure Solutions. 2022, vol. 7, no. 1, article 8. DOI: 10.1007/s41062-021-00609-7.

5. Chindasiriphan P., Meenyut B., Orasutthikul S., Jongvivatsakul P., Tangchirapat W. Influences of high-volume coal bottom ash as cement and fine aggregate replacements on strength and heat evolution of eco-friendly high-strength concrete // Journal of Building Engineering. 2023, vol. 65, article 105791. DOI: 10.1016/j.jobe.2022.105791.

6. Du M., Jing H., Gao Y., Su H., Fang H. Carbon nanomaterials enhanced cement-based composites: advances and challenges // Nanotechnology Reviews. 2020, vol. 9, no. 1, pp. 115—135. DOI: 10.1515/ntrev-2020-0011.

7. Ho T. M., Abik F., Mikkonen K. S. An overview of nanoemulsion characterization via atomic force microscopy // Critical Reviews in Food Science and Nutrition. 2022, vol. 62, no. 18, pp. 4908— 4928. DOI: 10.1080/10408398.2021.1879727.

8. Du Y., Yang J., Thomas B. S., Li L., Li H., Shaban W. M., Chong W. T. Influence of hybrid graphene oxide/carbon nanotubes on the mechanical properties and microstructure of magnesium potassium phosphate cement paste // Construction and Building Materials. 2020, vol. 260, article 120449. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.120449.

9. Li X., Wei W., Qin H., Hang Hu Y. Co-effects of graphene oxide sheets and single wall carbon nanotubes on mechanical properties of cement // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 2015, vol. 85, pp. 39—43. DOI: 10.1016/j.jpcs.2015.04.018.

10. Singh N., Sharma V., Kapoor K. Graphene in construction: enhancing concrete and mortar properties for a sustainable future // Innovative Infrastructure Solutions. 2024, vol. 9, no. 11, article 428. DOI: 10.1007/s41062-024-01719-8.

11. Jiang Z., Sevim O., Ozbulut O. E. Mechanical properties of graphene nanoplatelets-reinforced concrete prepared with different dispersion techniques // Construction and Building Materials. 2021, vol. 303, article 124472. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.124472.

12. Devi S. C., Khan R. A. Effect of graphene oxide on mechanical and durability performance of concrete // Journal of Building Engineering. 2020, vol. 27, article 101007. DOI: 10.1016/j.jobe.2019. 101007.

13. Sedaghat A., Ram M. K., Zayed A., Kamal R., Shanahan N. Investigation of physical properties of graphene-cement composite for structural applications // OJCM. 2014, vol. 4, no. 1, pp. 12—21. DOI: 10.4236/ojcm.2014.41002.

14. Qu H., Qian S., Liu X., Gao R., Wang Z., Zheng C., Zhang Z. Carbon dots as a superior building nanomaterial for enhancing the mechanical properties of cement-based composites // Journal of Building Engineering. 2022, vol. 52, article 104523. DOI: 10.1016/j.jobe.2022.104523.

15. Raj A., Yamkasikorn P., Wangtawesap R., Win T. T., Ngamkhanong C., Jongvivatsakul P., Prasittisopin L., Panpranot J., Kaewunruen S. Effect of Graphene Quantum Dots (GQDs) on the mechanical, dynamic, and durability properties of concrete // Construction and Building Materials. 2024, vol. 441, article 137597. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2024.137597.

16. Bulgakov B., Tang V., Aleksandrova O. Effect of nano-sized carbon-black praticles on the strenght of cement paste at early age // Bulletin of Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov. 2016, vol. 1, no. 11, pp. 18—22. DOI: 10.12737/22441.

17. Wang L., Li G., He C., Tang Y., Yi B. Preparation and properties of nano-carbon black modified ultra-high-performance concrete // Case Studies in Construction Materials. 2022, vol. 17, article 01378. DOI: 10.1016/j.cscm.2022.e01378.

18. Yakovlev G. I., Grakhov V. P., Gordina A. F., Shaibadullina A. V., Saidova Z. S., Nikitina S. V., Begunova E. V., Elrefai A. E. M. M. Effect of dispersions of technical carbon on properties of fine concrete // Stroitel’nye Materialy. 2018, vol. 762, no. 8, pp. 89—92. DOI: 10.31659/0585-430X-2018-762-8-89-92.

19. Zolotarev A. A., Lushin A. I., Charykov N. A., Semenov K. N., Namazbaev V. I., Keskinov V. A., Kritchenkov A. S. Impact resistance of cement and gypsum plaster nanomodified by water-soluble fullerenols // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2013, vol. 52, no. 41, pp. 14583—14591. DOI: 10.1021/ie400245c.

20. Пухаренко Ю. В., Рыжов Д. И., Староверов В. Д. Особенности структурообразования цеметных композитов в присутствии углеродных наночастиц фуллероидного типа // Вестник МГСУ. — 2017. — № 7. —С. 718—723. DOI: 10.22227/1997-0935.2017.7.718-723.

21. Fang D., Li Y., Hu Y., Zhang J., Qi X., Chen Y., Jin T., Wang J. Green preparation of GQDs with small particle size, low defects, and high quantum yield by using hydrodynamic cavitation technology // Diamond and Related Materials. 2024, vol. 150, article 111700. DOI: 10.1016/j.diamond.2024.111700.

22. Paton K. R., Varrla E., Backes C., Smith R. J., Khan U., O'Neill A., Boland C., Lotya M., Istrate O. M., King P., Higgins T., Barwich S., May P., Puczkarski P., Ahmed I., Moebius M., Pettersson H., Long E., Coelho J., O'Brien S. E., McGuire E. K., Sanchez B. M., Duesberg G. S., McEvoy N., Pennycook T. J., Downing C., Crossley A., Nicolosi V., Coleman J. N. Scalable production of large quantities of defect-free few-layer graphene by shear exfoliation in liquids // Nature Materials. 2014, vol. 13, no. 6, pp. 624—630. DOI: 10.1038/nmat3944.

23. Varrla E., Paton K. R., Backes C., Harvey A., Smith R. J., McCauleyac J., Coleman J. N. Turbulence-assisted shear exfoliation of graphene using household detergent and a kitchen blender // Nanoscale. 2014, vol. 6, no. 20, pp. 11810—11819. DOI: 10.1039/C4NR03560G.

24. Стебелева О. П., Кашкина Л. В., Вшивкова О. А. Структура и морфология сажевых частиц, образующихся при испарении водных суспензий // Российские нанотехнологии. — 2022. — Т. 17. — № 4. — С. 465—471. DOI: 10.56304/S1992722322040252.

25. Стебелева О. П. Кавитационный синтез наноструктурированного углеродного материала: Автореф. дис. канд. техн. наук. — Красноярск: СФУ, 2011. — 20 с.

26. Siburian R., Sihotang H., Lumban Raja S., Supeno M., Simanjuntak C. New route to synthesize of graphene nano sheets // Oriental Journal of Chemistry. 2018, vol. 34, no. 1, pp. 182—187. DOI: 10.13005/ojc/340120.

27. Ćirić L., Sienkiewicz A., Náfrádi B., Mionić M., Magrez A., Forró L. Towards electron spin resonance of mechanically exfoliated graphene // Physica Status Solidi (b). 2009, vol. 246, no. 11—12, pp. 2558—2561. DOI: 10.1002/pssb.200982325.

28. Байтимбетова Б. А., Рябикин Ю. А., Мукашев Б. Н. Изучение парамагнитных свойств графеновых структур, полученных при воздействии ультразвука на чистый графит в органических реагентах // Известия высших учебных заведений. Физика. — 2021. — Т 64. — № 2. — С. 21—26. DOI: 10.17223/00213411/64/2/21.

29. Tragazikis I. K., Dassios K. G., Dalla P. T., Exarchos D. A., Matikas T. E. Acoustic emission investigation of the effect of graphene on the fracture behavior of cement mortars // Engineering Fracture Mechanics. 2019, vol. 210, pp. 444—451. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2018.01.004.