石墨烯水泥基复合材料的研究进展

近些年，在石墨烯的制备、功能化以及应用上都取得了较大的成果。迄今为止，石墨烯已经广泛应用于超级电容器、生物传感器、燃料电池、薄膜材料、液晶材料等方面，而对其在水泥基材料中的应用报道较少。

目前，水泥混凝土仍然是建筑施工中最为廉价、应用最为广泛的建筑材料。然而，随着我国不断兴建高层、超高层建筑，修建跨海、跨河大桥以及海底隧道等工程，传统的混凝土材料暴露出越来越多的问题。如果混凝土自身缺陷得不到全面认识和妥善解决，将会制约其在各个领域的应用。在推进混凝土向高强高性能化、绿色环保化、高耐久和智能化方面发展过程中，首要解决的问题就是改善混凝土的抗拉强度低、韧性差、渗透性差等缺陷。石墨烯优异的力学、电学、热学性能，使其成为增强水泥基材料抗拉强度、韧性和电学性能的重要材料。凭借其在基体中的体积效应、表面效应、填充效应，石墨烯在改善水泥基材料的抗拉强度、韧性、渗透性以及耐久性等方面展现出良好的应用前景。

1、石墨烯水泥基复合材料研究进展

目前，国内外对石墨烯的研究主要集中在石墨烯聚合物复合材料，对石墨烯水泥基复合材料研究较少，近几年，国内外研究人员陆续开展了石墨烯水泥基复合材料的物理力学性能和导电性能的研究，但是并没有形成系统的研究理论，相关试验支撑尚不全面。

2、石墨烯水泥基复合材料力学性能研究

分子动力学表明，功能化石墨烯的加入提高了界面强度和水泥基复合材料的整体性。此外，相分析表明，石墨烯和功能化石墨烯的掺入，能够影响生成物的相组成以及表面韧性，这是石墨烯水泥基复合材料整体韧性和塑性得以提高的原因。NavidRanjbar等利用石墨烯（GNPs）作为填充材料，增强地聚物复合材料的力学性能。结果表明，当掺加1%（质量分数）的石墨烯时，地聚物复合材料的抗压，抗折强度分别提高了1.44、2.16倍。结果显示，纳米氧化石墨烯的掺加降低了水泥净浆流动度，提高了浆体黏度；当纳米氧化石墨烯掺量为0.05%（质量分数）时，水泥石抗折强度提高了102.4%；利用扫描电镜（SEM）观察其微细观形貌，发现纳米氧化石墨烯对水泥石中晶体的微观结构产生了影响。石墨烯对水泥水化晶体产物的形成有促进和模板效应，能促进水泥水化产物形成整齐规整的花朵状纳米级微晶体，从而达到了增强增韧的效果。

3、石墨烯水泥基复合材料电学性能研究

电导率试验表明，石墨烯的存在，增加了水泥石的电导率，并随着掺量增大，电导率增大，当石墨烯掺量为10%（质量分数）时，电导率增大为10-2S/m；热扩散系数试验显示，1%的石墨烯对水泥石的热扩散并没有任何影响，当掺量为5%时，热扩散系数增大，并随着石墨烯的掺量增加而增大；SEM显示，石墨烯能够附着到水化硅酸钙和氢氧化钙表面，填充到水化产物之间的微米级毛细孔中，提高基体密实度，同时，石墨烯改变了钙矾石的形貌，减小了针棒状钙矾石的产生，当石墨烯掺量为10%时，几乎没有针棒状的钙矾石生成。石墨烯的掺入，减少了水泥基材料的温度裂缝，提高了基体的温度完整性和结构耐久性。

4、研究趋势

目前，一些研究人员已经初步探究了石墨烯对水泥基材料的宏观性能影响，石墨烯的掺加能够显著提高水泥基材料的力学性能，提高其电导率，以及提高抗渗性、抗腐蚀性等耐久性能。笔者认为还应从4个方面研究：

（1）对于石墨烯在基体中的稳定分散，需要重点考虑表面活性剂的选择，需要进行大量的试验研究，在保证石墨烯分散低成本和表面活性剂与基体的良好相容性的前提下，实现石墨烯在基体中最大程度的分散。

（2）利用石墨烯水泥基复合材料的优良的导电、导热性能，发展智能水泥混凝土材料，实现混凝土结构的实时健康监控，同时利用其良好的导热性能，改善大体积混凝土的温度裂缝。

（3）丰富对石墨烯水泥基复合材料的耐久性能研究，在试验室条件允许的前提下，尽可能全面地将引起耐久性问题的各个因素结合考虑。

（4）石墨烯在水泥中的作用机理并不明确，石墨烯的掺加对水泥的水化产物和微观结构的影响也没有系统的研究。为了明确石墨烯在水泥基材料中的作用机理，可以分子动力学理论、有限元分析等多种手段进行研究。

5、结语

石墨烯的出现，不仅充实了碳材料家族，更拓宽了传统水泥混凝土材料的应用领域。随着我国各类高强、高性能混凝土的不断发展，急需各类高新材料改善水泥混凝土的低抗折强度、低韧性、易开裂等一系列自身缺陷，石墨烯高强度、高柔韧性、高比表面积以及高电导率等优异性能，都为高性能、智能化水泥基材料的发展带来了广阔前景。目前，对于石墨烯的大规模生产仍然是个棘手的问题，需要相关研究学者的通力合作，寻求最简单、最有效的石墨烯制备方法。一旦实现石墨烯的产业化制备，不仅能带动一系列相关高科技领域的发展，也能实现石墨烯在水泥混凝土行业的广泛应用。