“新材料之王”遇上水泥混凝土堆后有什么神奇的反映？！石墨烯小小的身躯在大大的混凝土里，会擦出怎样的火花？

石墨烯与混凝土结合,会擦出怎样的火花？

混凝土是当今全球用量最大的建筑材料，具有高强度、来源广泛、可加工性能优异和经济实惠等优点，在建筑工程、公路交通、桥梁、隧道工程和水利等方面占据着不可替代的位置。混凝土是碱性复合材料，由于其服役环境和材料自身特性的复杂性，混凝土结构容易发生冻融、腐蚀、风化等问题，导致混凝土的力学性能与耐久性能降低，从而大大降低其使用寿命。

石墨烯具有高导电性、高导热性、高机械强度、高比表面积等特性，一定掺量的石墨烯能够提高混凝土的强度、抗氯离子渗透，改善混凝土的孔径分布，提高混凝土的耐久性和高温力学稳定性。

1、混凝土添加氧化石墨烯 (GO)

在一项研究中，科研人员发现在混凝土添加氧化石墨烯 (GO) 后，混凝土性能可明显改善。

近年来，纳米材料的进步为改善混凝土性能提供了宝贵的机会。多项研究表明，纳米二氧化硅、碳纳米管和 GO 等纳米材料可提高水泥复合材料的强度、韧性和耐久性。

研究人员使用的材料是普通波特兰水泥 (OPC) 级、标准沙子和石墨烯。水泥和沙子用于制备混凝土，石墨烯用于制备 GO 悬浮液。使用的方法是湿对湿分层制造，在此期间，将含有 GO 的新鲜水泥砂浆层浇注在先前浇注的水泥砂浆层的顶部。

研究人员准备了两种水泥砂浆样品：第一种是不含 GO 溶液的普通水泥砂浆，第二种是掺有 GO 的水泥砂浆。两个样品的水与水泥和砂与水泥的质量比分别为 2.0 和 0.4。此外，为确保样品具有相当的可加工性，调整了减水剂的量，并使用小型坍落度测试来确定可加工性。

将砂浆混合物浇注到模具中并在振动台上混合，以确保样品开发过程中的高度压实。模具用聚乙烯板封闭，此外，在测试前将样品模塑并在饱和石灰水浴中处理以防止水分蒸发。连续浇注新鲜水泥砂浆和含GO水泥砂浆，制备出GO梯度分布的层状水泥砂浆梁。

普通水泥砂浆样品的扫描电子显微镜 (SEM) 图像显示出疏松多孔的微观结构。添加 GO 的水泥砂浆样品的 SEM 图像显示出更致密的结构。加入 GO 的砂浆水泥力学性能的改善是由于水泥微观结构的变化。

抗弯强度结果表明，随着延迟时间的增加，强度达到最大值，然后下降。此外，强度不依赖于水泥层的厚度。发现 GO 层厚度为 12 mm 且延迟时间为 50 分钟时抗弯强度最高。最大弯曲强度取决于具有不同 GO 层厚度的样品的延迟时间。

研究人员使用连续层的砂浆水泥和掺入 GO 的砂浆水泥开发了功能分级的水泥砂浆梁。研究了每个掺有 GO 的水泥砂浆层的厚度和延迟时间对力学和耐久性性能的影响。

研究结果表明，纳米材料 GO 可用于部分胶凝复合材料，以改善机械性能。该方法提供了一种在水泥基材料中有效使用纳米材料的新方法。未来的研究应该研究提高掺有 GO 的水泥砂浆层和不含 GO 的水泥砂浆层之间界面粘合力的方法。

2、石墨烯提高新型混凝土防水性和抗裂性

据外媒New Atlas报道，随着科学家们努力提高混凝土的强度和耐久性，“神奇材料”石墨烯被证明是一种有前景的添加剂，这也许并不令人惊讶。作为世界上最强的人造材料，它可能有很多东西可以提供给建筑界，来自美国西北大学的研究人员，他们已经开发出一种新型的石墨烯填充水泥，具有很强的防水性和抗裂性。

作为世界上使用最广泛的材料--混凝土生产的关键成分，水泥具有巨大的环境足迹，占全球温室气体排放量的8%左右。研究人员希望通过开发持续时间更长的混凝土形式来减少这一负担，从而减少对进一步的混凝土的需求，以取代受损的结构。

混凝土结构失败的原因之一是裂缝的形成，开始时是微小的破裂。一旦水渗入这些破裂处，就会导致它们的规模不断扩大，直到整个东西需要修复或更换。我们已经看到了一些有趣的方法，科学家可能能够干预这一过程，例如通过“自我修复”混凝土，在血液酶、真菌和特殊胶水的帮助下修复裂缝。

作为世界上使用最广泛的材料--混凝土生产的关键成分，水泥具有巨大的环境足迹，占全球温室气体排放量的8%左右。研究人员希望通过开发持续时间更长的混凝土形式来减少这一负担，从而减少对进一步的混凝土的需求，以取代受损的结构。

混凝土结构失败的原因之一是裂缝的形成，开始时是微小的破裂。一旦水渗入这些破裂处，就会导致它们的规模不断扩大，直到整个东西需要修复或更换。我们已经看到了一些有趣的方法，科学家可能能够干预这一过程，例如通过“自我修复”混凝土，在血液酶、真菌和特殊胶水的帮助下修复裂缝。

“我能够同时观察许多不同的材料，”该研究的主要作者Ange-Therese Akono说。“我的方法直接在微米和纳米尺度上应用，这节省了大量的时间。然后在此基础上，我们可以了解材料的行为方式，它们是如何裂开的，并最终预测它们对断裂的抵抗力。”

这些实验还使科学家们能够调整水泥的构成以提高其性能。通过这个过程，研究小组找到了石墨烯纳米片作为获胜成分，他们发现可以少量加入石墨烯以提高成品的抗断裂性。这是通过降低材料的孔隙率来实现的，因此水的渗透性降低了78%。

3、为什么石墨烯在混凝土中有这么大的功效？

①石墨烯在基质中，当存在外部载荷时，界面摩擦可以消耗外界负载的能量，石墨烯纳米片的桥联效应会阻碍裂纹产生及扩大，有效提高水泥基复合材料的强度和韧性。

②石墨烯能够促进水泥复合材料的水化反应更加充分和完全，细化孔结构，提高密实度，使得掺加石墨烯的水泥水化产物的综合性能高于普通水泥水化产物。

③石墨烯的大尺寸表面可以充当致密的“阻隔墙”，形成坚硬的保护层，阻止水分在混凝土内部进入或迁移，可以同时提高混凝土的耐腐蚀性和抗冻融能力。

④石墨烯具有优异的导电性和导热性，在混凝土中加入石墨烯，有利于形成三维导电网络结构，构建良好的热传输通道，从而提高混凝土的导电性能和导热性能。

⑤石墨烯是一种纳米材料，具有小尺寸效应，利用其体积小的优势，增加混凝土与附着材料间的黏结度，进而提高和改善再生混凝土的宏观力学性能。

4、这么厉害，价格是不是会很贵？我们可以买到吗？

别急别急！石墨烯应用于水泥混凝土，是典型的采用高新材料助力传统建筑材料升级发展的创新模式。其中，石墨烯粉末的选择、石墨烯含量的控制、石墨烯与混凝土的复配比例、石墨烯的分散工艺、混凝土pH值的调控以及混凝土水胶比的优化等，是确保混凝土性能整体提升的保障。目前石墨烯在混凝土中的开发应用已经部分实现，如工程建筑、路面铺设、地铁轨道、多层地板等，随着石墨烯在混凝土中的应用研究进一步深入，其应用领域也将会不断拓展。

文章来源： cnBeta，煜和科技，广州市特种设备安全