Cement Concrete Res. ：水基石墨烯纳米流体添加剂：可持续、低碳和高性能碳纳米材料改性水泥基材料进展

题目

Water-based graphene nanofluid additives: Advancements in sustainable, low-carbon, and high-performance nanocarbon-modified cementitious materials

水基石墨烯纳米流体添加剂：可持续、低碳和高性能碳纳米材料改性水泥基材料进展

关键词

石墨烯纳米流体水泥添加剂；正交实验；微观结构分析；改性机理

来源

文献链接：https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2024.107505

出版年份：2024年

来源：Cement and Concrete Research

第一作者：深圳大学土木与交通工程学院裴纯助理教授

通讯作者：深圳大学土木与交通工程学院朱继华教授

研究背景

在建筑材料领域，水泥行业是仅次于钢铁行业的第二大碳排放行业。为实现碳中和，水泥行业必须优先考虑节能减排。鉴于水泥的碳足迹巨大，开发高性能、低碳的新型水泥基材料势在必行。近年来，碳纳米材料因其增强水泥基复合材料的潜力而受到广泛关注，这些材料能够改善力学性能、抗渗性和抗冻性，并提升导电性、压阻性和导热性，为智能基础设施如加热道路等的应用提供了可能。然而，碳纳米材料实际应用中面临诸多挑战，包括复杂且昂贵的大规模生产，以及在混凝土中难以实现均匀分散。因此，需为水泥基复合材料定制适用的碳纳米材料。

自石墨烯被发现以来，出现了各种大规模生产的方法，包括化学气相沉积法、化学剥离法和液相剥离法。采用高速剪切和超声波剥离工艺制备的一种浓缩水基石墨烯纳米流体添加剂（GNA）因其长期稳定性、高产量、成本效益和适合大规模土木工程应用而脱颖而出。与传统材料相比，纳米流体改性水泥基复合材料具有优异的力学性能和多功能特性。研究表明，GNA的掺入使水泥基复合材料对胶凝材料的需求减少了20.6%，满足了结构荷载规范要求，并使每吨水泥的碳排放量大幅减少了184 kg。

研究出发点

水泥基复合材料（主要是混凝土）因其需求量大、材料供应充足和生产简单而具有独特优势。若在开发高性能碳纳米材料时不考虑这些因素，可能会导致土木工程成本过高。因此，研究制备适用于水泥基复合材料的高性能碳纳米材料的方法至关重要。

研究内容

本文证明了在水介质中进行液相石墨烯剥离以获得纳米碳增强混凝土的有效性。该方法利用了现成的工业级石墨烯纳米片与聚乙烯醇（PVA）——一种土木工程中常见的聚合物——结合来替代混凝土中的水。通过采用高速剪切和超声波剥离工艺，生产出了一种浓缩水基石墨烯纳米流体添加剂（GNA）。通过扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和热重分析（TGA）等显微技术揭示该添加剂的协同改性机理。使用分光光度计测定石墨烯分散浓度，通过透射电子显微镜（TEM）观察石墨烯纳米片的微观结构和形态，并通过原子力显微镜（AFM）测量厚度来确定其纳米片的层数。

主要结论

本文利用工业上可获得的石墨片和聚乙烯醇（PVA），通过高速剪切和超声波剥离工艺，开发出一种浓缩的水基石墨烯纳米流体添加剂（GNA），其中含有浓度为13 g/L的高质量少层石墨烯。GNA作为一种潜在的掺合料，具有长期稳定性、高产量、成本效益高以及适合大规模土木工程应用的特点。这一创新可在混凝土浇注中直接取代水，并确保工业应用的可扩展性。通过石墨烯和PVA的协同作用，不仅提高了水泥浆的力学性能，还为先进建筑材料的开发提供了新的范例。

通过正交实验设计，确定了最佳比例：水灰比（W/C）为0.45，PVA掺量（P/C）为0.5wt%，石墨烯掺量（G/C）为0.1wt%。与未改性的水泥浆相比，这些比例显著提高了抗压强度（7 d和28 d时分别提高了20.26%和25.92%）和抗弯强度（7 d和28 d时分别提高了24.30%和55.01%）。GNA改性水泥浆显示出更高的水化率、更高的氢氧化钙含量和更强的界面特性。这些因素共同促成了其卓越的力学性能。

通过与现有文献的对比分析，本文证明了利用工业级原材料，通过简单的一步法合成石墨烯基添加剂的可行性，其效果可与商业产品媲美。这项研究采用了一种考虑到环境因素的方法，即用聚合物对石墨烯分散体进行非共价官能化，从而为将纳米功能材料融入土木工程应用提供了一条可行的途径。这项研究成果极大地拓宽了土木工程领域的应用前景，为未来的研究探索指明了道路。