จะเป็นอย่างไร? ถ้า Graphene ถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมก่อสร้าง

เขียนบทความโดย RISC | 2 ปีที่แล้ว

แก้ไขล่าสุด : 2 ปีที่แล้ว

จากบทความก่อนหน้านี้ เราคงได้เห็นคุณสมบัติอันสุดแสนพิเศษของกราฟีน (Graphene) กันไปแล้ว ทั้งในเรื่องของความแข็งแรง ขนาดที่บางใส แถมยังสามารถนำความร้อนและไฟฟ้าได้

แต่ทุกคนรู้หรือไม่ ว่ากราฟีนยังสามารถนำมาใช้งานได้มากกว่านั้น โดยเฉพาะด้านวัสดุก่อสร้าง

ในอุตสาหกรรมก่อสร้าง คอนกรีตถือเป็นวัสดุหลักที่ใช้ในทุกสิ่งปลูกสร้าง ไม่ว่าจะเป็นอาคารบ้านเรือน สะพาน อุโมงค์ หรือถนนหนทางต่างๆ และยังเป็นทรัพยากรที่มนุษย์ผลิตขึ้นมาใช้มากที่สุดในโลกอีกด้วย โดยในตัวคอนกรีตนั้นจะประกอบไปด้วยปูนซีเมนต์ มวลหยาบมวลละเอียด และน้ำ ซึ่งซีเมนต์นี่เองที่เป็นหนึ่งในตัวการที่ทำให้เกิดมลภาวะต่อโลก เนื่องจากการผลิตซีเมนต์มีการปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์ถึง 8% ของปริมาณคาร์บอนไดออกไซด์ที่ปล่อยออกมาทั่วโลก หากเปรียบอุตสาหกรรมการผลิตซีเมนต์เป็นประเทศ จะกลายเป็นประเทศที่ปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์มากเป็นอันดับ 3 ของโลก เป็นรองเพียงประเทศจีนและสหรัฐอเมริกา

นอกจากนี้คุณสมบัติของคอนกรีต มักขึ้นอยู่กับชนิดและปริมาณของซีเมนต์ รวมทั้งมวลหยาบมวลละเอียดของทรายและหินกรวด ซึ่งมีจุดด้อยเรื่องความเปราะ (Brittleness) และการรับแรงดึงยืด (Tensile Strength) ต่ำ และด้วยเหตุผลนี้ จึงทำให้กราฟีนถูกจับตามอง ที่จะนำมาเป็นส่วนผสมในการปรับปรุงและเพิ่มประสิทธิภาพของคอนกรีตให้ดีขึ้น แถมยังช่วยลดการใช้ซีเมนต์ให้น้อยลง

แล้วกราฟีนช่วยปรับปรุงคุณสมบัติของคอนกรีตคอมโพสิตให้ดีขึ้นได้อย่างไร?

อย่างแรกคือ เร่งการเกิดปฏิกิริยาไฮเดรชัน (Nucleation Effect) ซึ่งเป็นปฏิกิริยาระหว่างปูนซีเมนต์กับน้ำ ได้เป็นสารประกอบใหม่ คือ แคลเซียมซิลิเกตไฮเดรต (Ca-S-H) เป็นสารที่ทำให้คอนกรีตรับกำลังอัดได้ดีขึ้น เพราะกราฟีนมีขนาดเล็กมากๆ และมีพื้นที่จำเพาะสูง เมื่อกระจายตัวในซีเมนต์เพสต์ สามารถช่วยกระตุ้นให้เกิดปฏิกิริยาไฮเดรชันได้ดี ส่งผลให้มีปริมาณ Ca-S-H เพิ่มมากขึ้น

อย่างที่สอง ก็คือ ลดรูพรุนในโครงสร้างของคอนกรีตคอมโพสิต (Nano-Filling Effect) อย่างที่เรารู้กันว่ากราฟีนมีขนาดเล็กมากๆ จึงสามารถช่วยอุดช่องว่างภายในซีเมนต์เพสต์ได้ดี ทำให้ลดปริมาณและขนาดรูพรุนในโครงสร้างได้ โดยซีเมนต์เพสต์ทั่วไปจะมีรูพรุนมากมายในโครงสร้างและเกิดการแตกเมื่อบ่มผ่านไป 28 วัน ในขณะที่ซีเมนต์เพสต์ที่เพิ่มกราฟีน 0.05 % โดยน้ำหนักลงไป จะมีรูพรุนลดน้อยลงและไม่เกิดการแตก การอัดตัวแน่นและสม่ำเสมอของซีเมนต์เพสต์จะทำให้ได้คอนกรีตและรับกำลังอัดได้ดี

ต่อมาคือ ช่วยเพิ่มความแข็งแรงและการยึดเกาะที่ดี (Bonding Effect) จากการเกิดพันธะทางเคมีเชื่อมต่อกันระหว่างกราฟีน อนุภาคซีเมนต์ และสารประกอบที่เกิดจากปฏิกิริยาไฮเดรชัน ที่แบ่งออกเป็น 2 พันธะ คือ พันธะไอออนิก (Ionic Bond) ระหว่างสารประกอบที่เกิดจากปฏิกิริยาไฮเดรชัน (Ca-S-H) และหมู่ฟังก์ชันที่มีออกซิเจนบนกราฟีนออกไซด์ และพันธะไฮโดรเจน (Hydrogen Bond) ระหว่างโมเลกุลของน้ำในซีเมนต์, Ca-S-H และหมู่ไฮดรอกซิลบนกราฟีนออกไซด์ การยึดกันด้วยพันธะทางเคมีเหล่านี้ จะทำให้คอนกรีตมีความแข็งแรงเพิ่มมากขึ้น

และสุดท้ายคือ ช่วยป้องกันการเกิดและการขยายตัวของรอยแตกขนาดเล็ก (Toughening Effect) เมื่อคอนกรีตได้รับแรงกดอัด จะเกิดการส่งแรงมายังกราฟีน เนื่องจากกราฟีนเป็นวัสดุที่มีความแข็งแรงเป็นอย่างมาก จึงสามารถดูดซับแรงและกระจายแรงไปยังส่วนต่างๆ ของคอนกรีตได้ ทำให้ช่วยป้องกันการแตกและขัดขวางการขยายของรอยแตก ซึ่งเราพบว่า การใช้กราฟีน 0.02 – 1 % โดยน้ำหนัก สามารถช่วยเพิ่มสมบัติเชิงกลของคอนกรีตได้ดีเยี่ยม ไม่ว่าจะเป็นการรับแรงโค้งงอ แรงกดอัด หรือแรงดึงยืด นอกจากนี้กราฟีนยังช่วยลดการดูดน้ำของคอนกรีตได้สูงถึง 80% ทำให้ช่วยเพิ่มความคงทนให้กับคอนกรีตและสามารถใช้งานได้ยาวนานขึ้น

เราคงเห็นจากคุณสมบัติที่ผ่านมา กราฟีนนั้นสามารถช่วยยกระดับคุณภาพวัสดุในงานก่อสร้างได้ แต่อย่างไรก็ตาม กราฟีนก็ยังคงมีราคาแพงมาก เมื่อเปรียบเทียบกับสารเคมีชนิดอื่น ปัจจุบันจึงมีการนำกราฟีนมาใช้ในคอนกรีตคอมโพสิตน้อยอยู่ แต่เชื่อว่าในอนาคตเราจะได้เห็นกันมากขึ้นอย่างแน่นอน

เนื้อหาโดย คุณ สุพรรณภางค์ รักษาวงค์ นักวิจัยวัสดุ RISC

อ้างอิงข้อมูลจาก ​
https://www.bbc.com/news/science-environment-46455844 ​
Youli Lin and Hongjian Du. Graphene reinforced cement composites: A review, Construction and Building Materials. 265 (2020) 120312.