Microstructural Analysis and Performance Evaluation of Graphene Oxide-Enhanced Cement Mortar and Concrete: Implications for Mechanical Strength and Durability
Authors:   , Djenaoucine Lounis 
Published: December 2024

The incorporation of graphene oxide into cementitious materials offers a promising avenue to enhance their performance. This study focuses on the microstructural effects of graphene oxide on cement paste, as well as its impact on the mechanical properties and durability of mortar and concrete. Doses of graphene oxide at 0.0005%, 0.005%, and 0.05% were used in cement paste and mortar, while doses of 0.0005% and 0.005% were employed in concrete. The objective of this research is to understand how graphene oxide influences hydration processes, the formation of hydration products, and the long-term performance of these materials.

For the cement paste, a detailed microstructural analysis was conducted using techniques such as thermogravimetric analysis (TGA), nuclear magnetic resonance (NMR), X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface analysis, and Raman spectroscopy. The results show that graphene oxide significantly improves the degree of hydration, the main chain length, promotes the formation of additional hydration products, and densifies the microstructure. These microstructural improvements contribute to enhanced mechanical performance, although the impact of graphene oxide on mechanical properties is more evident at advanced ages.

Regarding mortar, two series were evaluated: one without superplasticizer (water/cement ratio of 0.5) and another with superplasticizer (water/cement ratio of 0.35). While graphene oxide demonstrated improvements in mechanical properties, especially at advanced ages, these improvements were relatively moderate compared to its effect on durability tests. Graphene oxide significantly improved the material's resistance to water absorption, chloride penetration, and carbonation, resulting in greater resistance to environmental degradation.

In concrete, doses of graphene oxide at 0.0005% and 0.005% were evaluated to assess their effect on mechanical properties and durability, including accelerated corrosion tests. Similar to mortar, graphene oxide showed moderate improvement in compressive strength but had a much clearer impact on durability, enhancing concrete's resistance to corrosion, which is crucial for its longevity in aggressive environments.

In summary, this research demonstrates that graphene oxide is an effective additive for improving the durability properties of cementitious materials, with a more pronounced impact on corrosion resistance and environmental degradation. While its effects on mechanical properties are moderate, especially at advanced ages, graphene oxide offers great potential for developing more sustainable and durable construction materials. This study opens up new opportunities to optimize graphene oxide doses and explore combinations with other additives to maximize the performance of these materials.

RESUMEN

La incorporación de óxido de grafeno en materiales cementicios ofrece una vía prometedora para mejorar su rendimiento. Este estudio se centra en los efectos microestructurales del óxido de grafeno en la pasta de cemento, así como en su impacto en las propiedades mecánicas y la durabilidad del mortero y el hormigón. Se utilizaron dosis de óxido de grafeno de 0.0005%, 0.005% y 0.05% en la pasta de cemento y el mortero, mientras que en el hormigón se emplearon dosis de 0.0005% y 0.005%. El objetivo de esta investigación es comprender cómo influye el óxido de grafeno en los procesos de hidratación, la formación de productos de hidratación y el rendimiento a largo plazo de estos materiales.

Para la pasta de cemento, se realizó un análisis microestructural exhaustivo utilizando técnicas como el análisis termogravimétrico (TGA), la resonancia magnética nuclear (RMN), la difracción de rayos X (DRX), la microscopía electrónica de barrido (SEM), el análisis de superficie Brunauer-Emmett-Teller (BET) y la espectroscopía Raman. Los resultados muestran que el óxido de grafeno mejora el grado de hidratación, la longitud de las cadinas y promueve la formación de productos de hidratación adicionales, densificando la microestructura. Estas mejoras microestructurales contribuyen a un rendimiento mecánico mejorado, aunque el impacto del óxido de grafeno en las propiedades mecánicas es más evidente a edades avanzadas.

En cuanto al mortero, se evaluaron dos series: una sin superplastificante (relación agua/cemento de 0.5) y otra con superplastificante (relación agua/cemento de 0.35). Si bien el óxido de grafeno mostró mejoras en las propiedades mecánicas, especialmente a edades avanzadas, estas mejoras fueron relativamente moderadas en comparación con su efecto en los ensayos de durabilidad. El óxido de grafeno mejoró significativamente la resistencia del material a la absorción de agua, la penetración de cloruros y la carbonatación, resultando en una mayor resistencia a la degradación ambiental.

En hormigón, las dosis de óxido de grafeno de 0.0005% y 0.005% fueron evaluadas para determinar su efecto en las propiedades mecánicas y de durabilidad, incluidas pruebas aceleradas de corrosión. Al igual que en el mortero, el óxido de grafeno mostró una mejora moderada en la resistencia a compresión, pero un impacto mucho más claro en la durabilidad, mejorando la resistencia del hormigón a la corrosión, lo que es crucial para su longevidad en ambientes agresivos.

En resumen, esta investigación demuestra que el óxido de grafeno es un aditivo eficaz para mejorar las propiedades de durabilidad de los materiales cementicios, con un impacto más claro en la resistencia a la corrosión y la degradación ambiental. Aunque sus efectos en las propiedades mecánicas son moderados, especialmente a edades avanzadas, el óxido de grafeno ofrece un gran potencial para desarrollar materiales de construcción más sostenibles y resistentes. Este estudio abre nuevas oportunidades para optimizar las dosis de óxido de grafeno y explorar combinaciones con otros aditivos para maximizar el rendimiento de estos materiales.