LTDF 石墨烯薄片可以显着改善世界上最受欢迎的建筑材料混凝土

混凝土是世界第一的建筑材料。虽然它非常有用，但它也有众所周知的局限性。本文将简要回顾混凝土的背景，以及它的缺点。然后，本文将简要讨论石墨烯以及大而薄且几乎无缺陷的石墨烯薄片与作为石墨烯销售的其他材料的区别。然后将讨论使用次优质量石墨烯作为添加剂来改善混凝土时遇到的问题。本文的结论是，大（>30 µm 直径）、薄（1-5 个原子层）和几乎无缺陷 (LTDF) 的石墨烯薄片可以为高性能应用创造更坚固的混凝土。

混凝土背景

发现的最古老的混凝土是公元前 7000 年位于当今以色列的一间小屋的板。第一个混凝土结构是由 Nabataea 商人于公元前 6500 年在今天的叙利亚和约旦建造的。纳巴塔人使用混凝土建造地板、住房结构和地下蓄水池。罗马人是第一个广泛使用混凝土的人，他们使用火山灰、石灰和海水的混合物来形成混合物。到公元前 200 年，罗马人的大部分建筑都使用了混凝土。其混凝土质量极高，以至于 2000 多年后，一些罗马建筑仍然屹立不倒。

现代混凝土是通过将沙子、砾石和水泥与水混合并在凝固前将混合物倒入模具中来制造的。水泥是通过焙烧石灰石（一种由碳酸钙组成的岩石）制成的，以去除二氧化碳并留下氧化钙。水泥在窑中加热至 1400°C，形成“熟料”。熟料是水泥中的关键粘合剂，可提供混凝土的结构完整性。

混凝土的局限性和引起关注的原因

虽然我们都知道混凝土的许多贡献，但混凝土也存在重要的物理缺陷。混凝土具有较高的抗压强度，但由于抗拉和抗弯强度较差，因此相对较弱。这意味着混凝土很容易碎裂和开裂，随着时间的推移，这种损坏很容易扩大和蔓延，正如我们每天在我们国家的基础设施中看到的那样。混凝土也会出现结垢/剥落、屈曲和剥落的情况。此外，混凝土的制造越来越引起环境问题。熟料形成过程中发生的化学反应——石灰石（或碳酸钙，CaCO3）转化为硅酸钙（Ca2SiO4）——每生产一吨（1000 千克）水泥就会释放约 600 千克二氧化碳。《卫报》写道：“如果水泥行业是一个国家，它将成为世界第三大二氧化碳排放国，排放量高达 28 亿吨，仅次于中国和美国。”

石墨烯薄片：一种卓越的添加剂材料

我们大多数人都听说过石墨烯及其卓越的特性。

• 拉伸强度 (150,000,000 psi) – 比钢强 200 倍
• 灵活性——可弯曲
• 薄——比一张纸薄一百万倍
• 轻——1克的片材可以覆盖一个足球场
• 电子特性——电子以接近光速的速度穿过石墨烯
• 导热性——最佳导热​​材料
• 导电性——近乎完美的导体
• 隐形 – 透射 97% 的光（玻璃窗透射 80%-90%）
• 不渗透性——石墨烯具有疏水性，可实现水过滤和净化

石墨烯技术公司Avadain首席商务官 Phil Van Wormer 表示：“混凝土行业的大多数人不知道的是，只有 LTDF 石墨烯薄片才具备所有这些特性。”。“研究表明，石墨烯出色的拉伸强度始于横向薄片尺寸 >30 µm。虽然石墨烯被定义为 10 个或更少的原子层，但研究还发现，为了拥有石墨烯的最佳导电性和导热性，石墨烯薄片需要有 1-5 个原子层，并且几乎没有（或没有）缺陷。” 在本文中，我们将 LTDF 石墨烯薄片称为“高质量”，因为只有这种材料才具有石墨烯最高性能的完整组合和范围。我们将所有其他属于石墨烯但缺乏其中一项或多项基本品质的材料称为“次优”石墨烯。次优石墨烯材料包括：

• 纳米片（有时作为石墨烯纳米片销售）
• 石墨烯纳米粒子
• 氧化石墨烯
• 还原氧化石墨烯

可悲的是，许多公司将石墨材料甚至石墨粉冒充石墨烯进行营销，导致石墨烯委员会警告“假石墨烯”。

石墨烯如何增强混凝土

“通过将石墨烯集成到混凝土中，工程师和建筑师可以创建需要更少材料的结构，同时仍然实现与传统混凝土相同的结构性能，”石墨烯旗舰报告说。“石墨烯增强混凝土的强度是标准混凝土的 2.5 倍，透水率是标准混凝土的 4 倍。它使用更少的水泥来提供所需的强度。因此，预计二氧化碳排放量将减少 30%。” 二氧化碳排放量的大幅减少对于建筑师和其他致力于减少二氧化碳排放但在兑现这些承诺方面遇到困难的人来说尤其重要。

英国国家工程院（NE）与曼彻斯特大学合作开发了一种将氧化石墨烯混合到水泥中的方法，以实现机械支撑和水泥水化和硬化过程中发生的化学反应的活性表面。据NE称，这种混合物“在实际建筑项目中使用，强度比标准混凝土高出 30-50%”。随后的实验室测试显示力量增益超过 100%。” 因此，所需的水泥量可以显着减少，而不会影响性能。值得注意的是，混凝土的价格在上涨，而供应却在减少。添加少量石墨烯不仅可以改善混凝土的性能，还可以扩展现有的混凝土供应。

一系列次优石墨烯（主要是氧化石墨烯）已被用来改善混凝土，但效果各异。

抗拉强度

最近的一项调查许多科学文献报道了使用次优石墨烯增强混凝土的令人惊讶的混合结果。例如，一项研究报告称，混凝土的抗压强度提高了 146%，抗弯强度提高了 79.5%，压缩载荷导致的最大位移减少了 78%。另一项研究报告称，纳米石墨片 (GNP) 可使超高性能混凝土 (UHPC) 的拉伸强度和弯曲强度提高 40%-45% 和 39-59%，具体取决于 GNP 的类型和质量。其他研究报告了较少但问题较多的结果。一项发现是，较高剂量的石墨烯材料会导致抗压强度下降，很可能是因为范德华力引起的石墨烯材料团聚在混凝土中产生了薄弱区域。

相比之下，LTDF石墨烯的性能应该优于次优石墨烯材料，因为大的薄片尺寸减少了所需的石墨烯数量以及团聚风险，同时赋予了出色的拉伸和弯曲强度。

加工性

尽快将新拌混凝土浇筑到模板中非常重要。因此，“可操作性”是一个重要的考虑因素。研究报告称，次优的石墨烯材料（尤其是氧化石墨烯）会降低混凝土的和易性。原因之一是所使用的石墨烯是亲水性的并且易于聚集。这种结块不仅影响和易性，而且还会在混凝土中产生薄弱区。

由于 Avadain 的 LTDF 石墨烯具有疏水性，因此我们预计可加工性将保持相似或有所改善。

耐用性

石墨烯应该能够提高混凝土结构的耐久性。例如，据报道，含有次优石墨烯的混凝土在 200 次冷冻和解冻循环后具有更好的性能，这可以通过较低的质量/抗压强度损失以及较低的表面损坏来证明。通过使用 1.5% 剂量的次优石墨烯，混凝土的抗氯离子侵入能力得到了提高，据报道，这使得透水性、氯离子扩散系数和氯离子迁移系数分别降低了 80%、80% 和 40%。另一项研究报告称，添加石墨烯后，混凝土在暴露于 800 °C 后的机械强度损失可以从 70% 减少到 35%。由于 Avadain 的 LTDF 石墨烯薄片具有较大的表面积和疏水性，

结论

石墨烯被广泛认为是建筑行业的游戏规则改变者。石墨烯增强混凝土可以通过增加拉伸和弯曲强度、耐久性以及抗结垢/剥落、屈曲和剥落的能力，显着改善这种非常有用的材料。与此同时，石墨烯增强混凝土可将所需混凝土用量减少约 25%-35%，这在减少二氧化碳排放和在不牺牲性能的情况下扩大混凝土供应方面迈出了一大步。然而，只有 LTDF 石墨烯薄片才能提供最佳性能。

有许多报道称，使用名为“石墨烯”的材料来增强混凝土的结果令人失望。这主要是由于使用了次优的石墨烯或石墨粉。此类材料缺乏 LTDF 石墨烯薄片令人难以置信的拉伸强度和疏水性。次优石墨烯材料（例如氧化石墨烯）是亲水性的，会产生团聚，对可加工性造成重大障碍，并可能产生危险的薄弱区域。

LTDF 石墨烯薄片可以彻底改变建筑行业，使新结构使用更少的混凝土、性能更好、使用寿命更长并且更加环保成为可能。e 位于氧化钙后面。水泥在窑中加热至 1400°C，形成“熟料”。熟料是水泥中的关键粘合剂，可提供混凝土的结构完整性。