近日部位于澳大利亚的石墨烯材料制造商First Graphene（FGR）发出消息，他们将启动世界上最大的石墨烯增强绿色水泥试验之一，目的是找到一种简单、低成本的方法来将石墨烯引入工业规模的水泥生产过程。这也证明了从超级电池到绿色水泥，石墨烯为我们带来了一场材料革命。

什么是石墨烯？

石墨烯最简单地定义为以六边形片状结构键合在一起的单层碳原子。你可以把纯石墨烯想象成一张一层厚的碳薄纸，恰好是地球上最坚固的材料。

石墨烯通常以粉末的形式出现，由小的，单独的片材制成，这些片材的直径大约是一粒沙子。一块单独的石墨烯比一块同样薄的钢强200倍。石墨烯还具有极强的导电性，在高达1，300华氏度（700摄氏度）的温度下保持在一起，可以承受酸，并且具有柔韧性且非常轻便。

由于这些特性，石墨烯可能非常有用。该材料可用于制造柔性电子产品以及净化或淡化水。在 11.5 磅（5 公斤）水泥中加入 0.03 盎司（1 克）石墨烯可使水泥强度提高 35%.

截至 2022 年底，我作为博士研究的一部分与之合作的福特汽车公司是为数不多的在工业规模上使用石墨烯的公司之一。从2018年开始，福特开始为其汽车生产石墨烯含量为0.5%的塑料，将塑料的强度提高了20%。

从超级电池到绿色水泥，石墨烯带来的材料革命

大家可能会在新闻中看到，“石墨烯电池”这个词。传说可以15秒充满手机，几分钟充满电动车，可以循环使用几万甚至10几万次。

但现实是，这种电池现在也是在研究阶段，要实现商业化，大家拿到手中，起码还要三五年的时间。

但是你们知道吗石墨烯还有另一个用途，或许更接近我们的生活，那就是石墨烯混凝土。

是的，石墨烯可以用来制造绿色混凝土，来代替传统的混凝土。传统的混凝土一般是用水泥、沙子和砂石，按照一定比例，用水混合在一起。

水泥一般是用石灰石烧成的，石灰石的主要成分是碳酸钙，遇水之后，碳酸钙会变成氧化钙，并产生大量的二氧化碳。数据显示，每年全球生产的 50 亿吨水泥，贡献了全球8%的二氧化碳。所以水泥厂的碳排放量特别高。

但这个跟石墨烯有什么关系呢？关系就是通过技术，把不少于0.1%石墨烯添加到混凝土里面，混凝土的强度可以提升30%，这样就会减少混凝土的使用，从而最后减少二氧化碳的排放。

大家可能不知道，每年全球浇注的混凝土约300 亿吨。加入石墨烯之后，不仅可以提高混凝土的强度，而且还能保护钢筋不受潮。因为如果水一旦渗入混凝土的细微裂缝中，会导致钢筋生锈和膨胀，混凝土破裂，从而导致建筑物倒塌。

还有就是，实际上混凝土中添加石墨烯，还可以减少钢筋的使用，从而节省成本和生产钢筋所涉及的排放。

2021年，英国曼彻斯特大学的一个团队与英国建筑公司 Nationwide Engineering 合作，就利用石墨烯，来加强新体育馆的混凝土地板，从而减少了1/3钢筋的使用，间接地减少了 CO2的排放。

对混凝土的另一个威胁是氯，氯一般存在于海水中，有很强的腐蚀性。国内常州的第六元素材料科技公司，通过研究发现，在海洋水泥里添加 0.005% 的石墨烯，将水泥对氯的抵抗力提高了40%。

世界上最大的石墨烯增强绿色水泥试验将启动

总部位于澳大利亚的石墨烯材料制造商First Graphene（FGR）将启动世界上最大的石墨烯增强绿色水泥试验之一，该试验得到了英国政府6600万英镑的转型基础产业（TFI）计划的支持。FGR正在领导进行试验的财团，该试验还涉及Breedon Cement、Morgan Sindall和曼彻斯特大学。

通过190,034英镑的赠款获得Innovate UK的大量资金，石墨烯将使用一系列添加方法添加到水泥生产线中，对现有工厂的变化最小。试验的一个关键目的是找到一种简单、低成本的方法来将石墨烯引入工业规模的水泥生产过程。

2023年6月，Breedon将生产约2000吨石墨烯增强水泥，这些水泥将被标记为用于现实世界的演示。在英国领先的建筑和再生集团Morgan Sindall Construction用于现实世界演示之前，将分析水泥作为砂浆和混凝土系统中粘合剂的性能，以评估性能改进。

曼彻斯特大学已经分析了来自Breedon和FGR生产基地的数据，发现石墨烯增强的水泥既能抵消二氧化碳，又能显示出潜在的机械效益，即使在石墨烯负载水平低于0.06%的情况下也是如此。

FGR已获得一吨订单，用于石墨烯增强混凝土的进一步试验，预计将在2023年第四季度内执行。这项一次性订单，尽管从盈利能力的角度来看不是重要的，但这是扩大规模以满足水泥和混凝土部门日益增长的需求的重要一步，并继续帮助建立公司的收入机会管道。

在2022年第四季度，First Graphene从Innovate UK的创新者分析（A4i）竞赛中获得约13,000美元的赠款，以开发一种在混凝土浆样品中快速识别石墨烯的技术。这项工作是与英国国家物理实验室一起进行的，该实验室是世界领先的卓越中心，提供尖端的测量技术。

试验了石墨烯在低负载水平（0.01%-0.1%）时的电磁检测和测量技术，以测试其速度和对石墨烯电导率的灵敏度。使用的技术包括：时域太赫兹光谱、微波波导、微波盒谐振器和微波电介质谐振器。

该项目揭示了使用每种技术可以在混凝土样品中检测到石墨烯的不同特性，从而可以汇编一系列数据，这些数据将用于即将进行的试验，以检测生产现场混凝土中的石墨烯。这些经过验证的识别技术为识别石墨烯在水泥系统中的分散提供了一种更简化的方法，以及传统棱镜测试的替代方案，该测试需要与固化过程相关的较长等待时间。

目前正在与领先的行业专家、来自WHD Microanalysis Consultants Ltd的Nick Winter合作，以更好地了解石墨烯在水泥系统中的增强机制。扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线分析（EDX）的先进技术正用于研究石墨烯增强水泥的微观结构。迄今为止，已经使用不同的分散方法生产了各种含有不同等级和数量石墨烯的样品。成像和分析正在进行中。这项工作的目的是提供对石墨烯在强化水泥系统中的作用的基本了解。

微观结构分析将用于6月份在Breedon试验中生产的石墨烯增强水泥。它将使First Graphene处于科学理解的前沿，了解石墨烯如何改善水泥系统，使其研发团队具有明显的竞争优势。

FGR还一直在制造技术中心（MTC）与墨西哥跨国建材公司CEMEX的子公司合作，试验使用回收骨料铸造的铁路枕木中的石墨烯。添加石墨烯以提高抗压强度并降低回收骨料的孔隙度。实验计划包含16个混合，并正在生成可以证明性能增强的数据。该项目的实验部分已经完成，结果将于4月下旬与项目合作伙伴在内部共享，同时与项目合作者会议同时进行包括FGR。

2022月10月，First Graphene宣布与Breedon Group、Morgan Sindall Construction & Infrastructure和曼彻斯特大学合作，开发一种新的还原CO2石墨烯增强水泥。

我国对石墨烯增强水泥的实验研究

2022年，金隅冀东水泥大同公司与大同大学签署了技术开发委托协议，就石墨烯在水泥基复合材料中的应用开展深度合作。

石墨烯水泥产品开发项目的落地实施，有助于该公司借力大同大学丰富的科研资源和优秀的人才资源促进企业转型升级、增加产品附加值、提升企业竞争力。

随着合作协议签订，双方还将建立密切联系机制，不断推进石墨烯水泥产品研发应用。通过充分发挥高校的技术资源和企业的市场资源，推动科技成果转化、提升企业效益，助力双方在新形势下实现双赢战略目标。

2023年1月，郑州科技学院土木建筑工程学院，为了提高水泥基材料性能，分别采用球磨石墨粉和酸处理碳纳米管制备了氧化石墨烯(GO)和功能化碳纳米管(FCNT),并使用扫描电子显微镜(SEM)对其进行检测表征。研究不同GO和FCNT掺量的水泥基纳米复合材料的抗压强度、抗拉强度、微观结构和晶相组成。研究结果表明：与普通水泥砂浆相比，1.00%GO掺量对水泥砂浆抗压强度的贡献最大，抗压强度提高77.3%;0.25%GO掺量对水泥抗拉强度的贡献最大，其抗拉强度提高37.5%;相比之下，0.50%FCNT掺量使水泥砂浆抗压强度提高了58.2%,0.25%FCNT掺量使水泥砂浆抗拉强度提高了40%;通过GO-CNC和FCNT-CNC的微观结构和晶相组成研究验证了水泥砂浆的力学行为趋势。GO掺量对水泥基纳米复合材料的力学性能提升效用大于FCNT,GO可作为一种潜在经济高效的水泥基纳米增强材料。

文章来源： 中国复合材料学会，芯机叔Talk，山西新闻网，cnrank，公路工程技术