Graphene-based additive in earthen plasters: performance and interaction

Raw earth materials are widely studied as a viable option to replace, at least in part, concrete based constructions, which are responsible for a large portion of CO2 emissions globally. This work aims to investigate the effects of a graphene-based additive, optimized for the improvement of concrete properties, on raw earth plasters in improving their strength and water resistance without the need of mineral stabilization through cement or lime. Three different soils, with different composition and provenance, have been studied with three increasing graphene contents (0.01, 0.05, 0.1wt% on the earth and sand content) to investigate their different performances and interaction with the graphene additive. The link between intrinsic properties, geotechnical and mineralogical, and their performance and interaction with graphene is investigated through geotechnical characterization as well as XRD and ATR-FTIR analysis. The experimental tests carried out focus on the adhesion properties of the twelve different plasters on three surfaces (standard hollow bricks, hempcrete blocks and mineralized wood wool panels) and on their interaction with water through capillary rise tests and rainfall resistance tests. Evidence from XRD analysis shows a microscopic interaction between graphene and the crystallographic planes of illite. Thanks to the experimental tests, then, it is hypothesized that graphene enhances the swelling of smectite clays promoting their water absorption, therefore reducing their water resistance. In raw earths with less illite content, where graphene remains available in the pores between earth and sand particles, it seems to act as a lubricant, increasing the cohesion of the mixture and therefore improving its adhesion performance. Further research will deepen the knowledge on the interaction between clays and graphene.

Le terre crude presentano una promettente alternativa per sostituire, almeno in parte, l’ingente quantità di calcestruzzo nel settore delle costruzioni, responsabile per una gran parte delle emissioni globali di CO2. Per questa ragione, diversi additivi vengono studiati per migliorare le prestazioni e la durabilità delle costruzioni in terra cruda, inclusi additivi minerali come cemento e calce. Per diminuire ulteriormente gli impatti ambientali ed eliminare la presenza di questi additivi, i nanomateriali rappresentano un’interessante prospettiva. In questo lavoro, tre intonaci in terra cruda costituiti da tre terre con diversa provenienza e composizione, additivati con tre percentuali crescenti di grafene (0.01, 0.05, 0.1% in peso rispetto alla porzione solida di terra e sabbia) sono stati studiati per indagare quali proprietà possano essere migliorate tramite questo innovativo additivo studiato per il miglioramento delle proprietà dei calcestruzzi. Inoltre, la caratterizzazione geotecnica e le analisi XRD e FTIR sui diversi intonaci sono stati utilizzate per cercare un collegamento tra le proprietà intrinseche, geotecniche e di composizione mineralogica, e l’interazione con l’additivo a base grafene utilizzato. I test effettuati si sono focalizzati sulle proprietà di aggrappo di questi intonaci in terra cruda su tre diverse superfici (tavelle cave standard, blocchi in calcecanapulo, e pannelli in lana di legno mineralizzata), ma anche sulle proprietà di resistenza all’acqua, attraverso test di risalita capillare e resistenza alla pioggia. Le analisi XRD già mostrano come il grafene interagisca a livello microscopico con le argille illitiche, intercalando tra i piani cristallini, migliorandone la resistenza. Grazie ai risultati delle prove sperimentali, invece, è stato ipotizzato che il grafene aumenti l’espansione di minerali argillosi espandibili peggiorandone la resistenza all’acqua. Negli intonaci con meno minerali illitici, dove il grafene rimane disponibile nei pori tra granelli di sabbia e argilla, invece sembra aumentare la coesione della miscela e di conseguenza l’aggrappo.