石墨烯是绿色水泥和混凝土竞赛的关键驱动力

与世界上大多数行业一样，减少碳排放是水泥和混凝土行业的重点。为了追求到2030年混凝土减少25%和水泥减少20%的目标，对解决方案的追求正在积聚大量动力 – 石墨烯正在整个供应链的多个阶段证明其价值。

对更环保的水泥和混凝土解决方案的竞赛正在全速进行。

工业界正在寻找的不仅仅是实验室研究，并且迫切需要商业上可行的选择，以帮助减少水泥和混凝土制造和使用中的碳足迹。

在过去的30年里，混凝土的使用量呈指数级增长，这在很大程度上是由中国经济繁荣推动的。根据全球水泥和混凝土协会的数据，2020 年，全球消耗了 140 亿立方米（即 42 亿吨）混凝土。

正是这个协会承诺到2030年将混凝土的碳排放量减少25%，水泥排放量减少20%，到2050年实现净零排放。为此，需要在水泥和混凝土供应链的每个阶段解决排放问题，从原材料的开采和采石到生产过程，再到结构的设计和建造方式。

混凝土是世界上仅次于水的第二大商品。它是建筑环境的基本产品，随着人口的不断增加，使用的混凝土量以及制造混凝土所需的水泥量也在增加。

这就是挑战所在，因为每生产一吨水泥，就会产生 650 公斤到 900 公斤的二氧化碳 （CO₂）。这就是水泥和混凝土行业占全球二氧化碳排放总量约8%的关键原因。

混凝土行业实现25%目标的战略部分依赖于水泥制造商提供更环保的产品。

煅烧和排放

排放的主要来源之一是碳酸钙（主要来自石灰石）的加热。

加热过程将碳酸钙融合成硅酸钙或熟料和二氧化碳。熟料是水泥中的关键粘结剂，非常擅长提供使混凝土结构健全所必需的粘合性能。

然而，该过程还需要高达1，450C的极高温度，达到这样的温度需要大量的能量输入，在目前的制造工艺下，这通常意味着化石燃料产生的能量。

这种加热和融合过程中产生的所有二氧化碳都是不需要的副产品，大部分被释放到大气中。

减排的一个关键重点是减少所需的熟料量，以支持替代产品，称为补充水泥基材料或SCM。但一个长期存在的问题是，大多数单片机不能提供与熟料相同的粘合特性，这意味着由熟料系数较低的水泥制成的混凝土在许多应用中会降低性能。

石墨烯的作用

一段时间以来，人们已经相对很好地理解了原始石墨烯的少量添加可以提高低熟料因子水泥的性能。从本质上讲，石墨烯可作为替代粘合剂，从而允许使用更多的SCM和更少的熟料来提供等效或改进的性能结果。

First Graphene及其行业和研究合作伙伴最初专注于通过外加剂将PureGRAPH®掺入混凝土产品中的选择，开发了一系列配方以促进一致地掺入混凝土混合物中。

最初，挑战在于找到一种方法将石墨烯均匀分布在混凝土混合物中。除了修改机械工艺外，还发现较大的纳米片尺寸比较小的纳米片更容易合并。出于这个原因，First Graphene开发了其独特的PureGRAPH® 50产品，该产品由50微米石墨烯片制成，是用于水泥和混凝土应用的优化解决方案。

然而，加入外加剂确实需要在混凝土生产过程中采取额外的步骤，并改变当前的“配方”。

然而，最近，重点已进一步向上游移动，以使PureGRAPH® 50能够添加到普通波特兰水泥中。这有许多关键目的。

它使水泥制造商能够追求GCCA的2030年目标，即水泥行业排放量减少20%，同时为混凝土公司提供更环保的产品，这些混凝土公司提供与其现有的更高熟料系数产品相同或改进的性能特征。这反过来又为这些混凝土公司提供了实现该部门25%减排目标的途径。

石墨烯增强水泥还使混凝土供应商能够创建具有正确结构完整性的混合物，而无需改变现有的生产方法，而使用外加剂时可能需要这样做。

将 PureGRAPH® 50 加入水泥的最有效方法是通过助磨剂，用于水泥制造的最后铣刨阶段，以减小颗粒尺寸。石墨烯增强助磨剂在随着时间的推移减少水泥结块方面也显示出初步的希望。

水泥和混凝土的其他进展

随着该行业寻求快速实现减排，有多个领域正在同时进行研究、试验和商业化。

卧龙岗大学和澳大利亚生活用水、排污和排水法定机构最近发表的一项研究证实了使用 PureGRAPH® 50 提高暴露于腐蚀性水环境中的混凝土和砂浆耐久性的好处。

在同行评审的论文中，结果表明，基于废水基础设施的混合配方，石墨烯增强混凝土和修复砂浆使28天的抗压强度提高了10%至20%。

最佳添加率为0.02 – 0.1%的PureGRAPH® 50。

重要的是，在如此恶劣的条件下使用，除了石墨烯增强混凝土和砂浆降低透水性外，硫酸盐和氯化物的耐受性也得到了显着改善。

总部位于新西兰的GtM Action宣布发布其HexMortarTM产品，这是一种用于喷射混凝土和泵送应用的PureGRAPH®增强型干粉砂浆。

HexMortarTM的抗弯强度和抗压强度分别提高了20%和27%，减少了回弹，因此减少了浪费，并且在相同应用中与其他产品一样可行。减少二氧化碳排放的机会来自这些因素的组合。

一项试验也在进行中，以研究PureGRAPH®如何改善再生混凝土产品的性能特征。传统上，旧混凝土已被粉碎并用于道路基础等应用，但供应远远多于需求。如果石墨烯可以改善性能特征，那么回收产品有可能被重新配制，用于更广泛的混凝土应用。

与此同时，First Graphene的商业合作伙伴继续研究，开发并向市场发布一系列研磨助剂和外加剂解决方案，所有这些都专注于减排和性能增强。

供应链减排

到目前为止，最直接和显著的二氧化碳排放量可以通过减少所需的熟料量来实现，从而减少熟料的产量和生产熟料所需的能源。

商业规模试验正在继续确认可以实现的熟料减少量，这反过来将提供减少碳排放的具体指标。

然而，鉴于石墨烯为混凝土的整体性能提供了一系列好处，包括提高抗弯强度和抗压强度，改善热性能以减少开裂，以及提高对化学和环境降解的抵抗力，混凝土产品的功能寿命也可以得到改善。这意味着全球每年生产的混凝土数量总体减少。

此外，强度的提高可以减少混凝土板和板的厚度要求，进一步减少整体体积。

如果能够提高再生混凝土的性能，那么新混凝土的数量就会进一步减少，从而减少新水泥的数量。

换句话说，从供应链的开始到最后，都有机会实现减排。

击中目标

虽然在未来八年内将混凝土二氧化碳排放量减少 25% 似乎是一个崇高的目标，但 First Graphene 的 PureGRAPH® 增强型助磨剂为减少 CO₂ 水泥提供了更有效的熟料使用。

更持久、更耐用的混凝土的结果不太明显，可能只会随着时间的推移而变得特别明显。

然而，随着进一步关注减少能源消耗并在水泥和混凝土的生产和使用中转换为可再生能源，完全有机会实现（如果不是超过）25%，并帮助该行业实现最终的净零目标。