氧化石墨烯改性水泥基復合材料的路用性能研究

楊延鋒

（云南建投第二水利水電建設有限公司 云南昆明 650217）

0 引言

目前石墨烯在市場上的運用比較廣泛，而石墨烯產(chǎn)品結構中的氧化石墨烯更是受到市場極大的青睞，因為氧化石墨烯具有成本低、剛性強的優(yōu)點，在路用性能方面，當把氧化石墨烯與水泥基材料按照一定比例的配比后，能夠較好的增強材料的抗拉力性、抗開裂性，這對于建筑工程、公路工程等來說具有很重要的意義，因為我們目前的建筑工程、公路工程等均具有易開裂的問題，經(jīng)研究氧化石墨烯和水泥、混凝土、砂石等基礎性材料混合使用后，可以較好的解決目前建筑工程、公路工程中存在的這些問題。

1 水泥基復合材料定義及目前存在問題

以硅酸鹽水泥為集體，以耐堿玻璃纖維及通用合成纖維、各類陶瓷纖維、碳等高性能纖維以及金屬絲等天然植物纖維為增強體，混合混凝土、填料、各類化學助劑、水組合而成的復合材料稱為水泥基復合材料，在目前的建筑領域，尤以水泥混凝土為代表的建筑材料應用最為廣泛，但是它具有抗拉力輕度低[1]、韌性差，在建筑中常常出現(xiàn)大量裂縫。目前針對這種問題，普遍通過添加增強材料如鋼筋、增強纖維、填充材料等辦法進行解決，但這種方法不能改變水泥化產(chǎn)物的結構和形狀[2]，因此不能夠根治問題。而隨著技術的不斷發(fā)展及新材料的出現(xiàn)，氧化石墨烯經(jīng)過反復測試，運用到路面建設時，能夠有效提升路面的強度和抗壓力性。

2 氧化石墨烯改性材料的優(yōu)點

近年來氧化石墨烯改性復合材料的發(fā)展十分迅速，因為其顯示出較大的優(yōu)越性，它是一種由石墨烯為原材料經(jīng)過一定的化學手法轉(zhuǎn)化而成的新型材料，故其力學作用和石墨烯并無本質(zhì)差異，又因其含有多種溶水性官能基團，易于和某些同樣具有溶水性材料等發(fā)生反應，經(jīng)與某些材料混合使用后可有效增強材料的強度和韌性，這也使得氧化石墨烯的運用范圍也較為廣泛，如：醫(yī)療、建筑、航空航天、新能源電池等領域均有涉及。其在路用性能方面主要體現(xiàn)為，經(jīng)和一定配比的水泥、砂石等材料混合后，可有效提高材料的強度與耐久性。

3 實驗

3.1 氧化石墨烯的制備

將12g的濃磷酸和4g石墨烯混合攪拌，加入到5℃的120g濃硫酸中，然后分2次加入5g高錳酸鉀，然后在當前溫度下反應3h，在35℃情況下反應6h，后加入400g去離子水，溫度調(diào)整到80℃反應1h，然后進行過濾，直到pH值為7.0，制出實驗用的氧化石墨烯。

3.2 實驗過程

水泥混凝土配比按照《普通混凝土配合比設計規(guī)程》（JGJ 5—2011）為：水泥：砂：石：摻合料=1：2.63：5.33：0.67，水膠比為 0.45，氧化石墨烯的摻量為膠凝材料的 0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%[2]，按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》（JTGE 30—2005）進行拌合，制備6組樣品，空白組為1號樣，其余5組摻量分別為2～6號樣，拌合后經(jīng)達到規(guī)定強度后，送進養(yǎng)護室養(yǎng)護28d。

3.3 力學性能分析

由圖1可見，其中1號為空白組，2～6號為分別摻入氧化石墨烯為0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%的配比對照圖，分別比1號樣本組提高了9.13%、13.25%、42.98%、36.32%、29.11%，而且實驗發(fā)現(xiàn)當濃度為0.03%的摻量時，強力最佳，對水泥混凝土的強度提升最好，抗壓強度較樣本組提升了42.98%，這說明摻入適量的氧化石墨烯能夠很好地提高水泥基材料的抗壓強度。

圖1 氧化石墨烯在水泥混凝土中的配比量及抗壓強度變化

4 氧化石墨烯改性水泥基復合材料的路用價值

在我們目前的橋梁、道路建設中，使用的大量材料主要為水泥、混凝土、砂石等材料，這些材料建成的建筑常具有易開裂、低強度等缺點。而通過我們以上的實驗分析結果可見，在挑選適當配比的氧化石墨烯加入水泥、砂石、摻合料等材料中，材料的強度顯著提升，若將此種配比材料運用到橋梁、道路等工程投入使用，也定能較為有效的改善目前橋梁、路面出現(xiàn)的易斷裂、易塌陷等問題。

5 石墨烯運用現(xiàn)狀概述及未來趨勢解析

當下，石墨烯產(chǎn)業(yè)在全世界范圍內(nèi)尚處在起步時期，占據(jù)重要地位的還是氧化石墨烯，雖然當下石墨烯市場只是初具規(guī)模，但對于其發(fā)展前景則不可小覷。具權威資料顯示，我國石墨烯產(chǎn)業(yè)規(guī)模已高達70億元，由于石墨烯具有多種優(yōu)異的性能，相信我國的石墨烯行業(yè)將會得到飛速的發(fā)展。

縱觀全球，石墨烯目前正處在蓬勃發(fā)展的前期階段，但是預測在將來的10年中，全球范圍內(nèi)的石墨烯發(fā)展將進入大規(guī)模的發(fā)展階段，目前已知很多歐美以及東亞發(fā)達國家正在制定和頒布相關政策性文件，致力于加大石墨烯功能性構件的研究及規(guī)模化運用，歐美等老牌發(fā)達企業(yè)一直處于石墨烯產(chǎn)業(yè)化運用的前端位置，尤其在石墨烯研制方法、高分子材料、主導型電子配件等產(chǎn)成品領域也是一直遙遙領先，這在石墨烯的運用上給予了亞洲國家一定的借鑒作用。

由相關資料顯示來看，從2014年開始，全世界的石墨烯應用范圍呈現(xiàn)較好勢頭，一直處于飛速增長的模式，直到2018年，石墨烯的規(guī)模達到了0.34億美元的突破性發(fā)展。根據(jù)已知的石墨烯具有的良好性能，伴隨著經(jīng)濟發(fā)展和市場需求，未來石墨烯將在高性能計算系統(tǒng)、醫(yī)療行業(yè)、航空航天、建筑行業(yè)等均將有新的突破發(fā)展和更廣闊的應用。根據(jù)2019的數(shù)據(jù)顯示，石墨烯應用已超過1億美元，據(jù)此趨勢推測，至2025年，石墨烯的經(jīng)濟貢獻將會突破20億美元，如圖2所示。

圖2 2014-2015全球石墨烯行業(yè)市場規(guī)模及預測（單位：百萬美元）

若從石墨烯本身的產(chǎn)品構造分析，其包括具有多種性能和用途的產(chǎn)品，如：石墨烯氧化物、石墨烷、石墨烯納米片、氮摻雜石墨烯、碳化硅石墨烯、還原氧化石墨烯等。目前運用較為廣泛的石墨烯產(chǎn)品主要是氧化石墨烯，從氧化石墨烯具有的導電性分析，它可以用于導電膜、新能源電池及一些高性能導電設備的制作；根據(jù)氧化石墨烯具有良好的抗拉伸性能及高韌性能方面分析，它可以應用于建筑、道路、橋梁的建設；根據(jù)其具有的高彈性能分析，它適用于高分子材料、醫(yī)藥等領域；除此之外，氧化石墨烯還具有低成本、易運用等優(yōu)勢。所以氧化石墨烯在是石墨烯產(chǎn)品中運用最具廣泛的材料，根據(jù)資料顯示，其在石墨烯運用中占據(jù)著高達60%的比例，如圖3所示。

圖3 2015及2020年全球石墨烯產(chǎn)品結構占比對比

6 結語

目前由于水泥基復合材料存在一定的局限性，在橋梁、道路等的運用上，常常因為材料具有抗拉力輕度低、韌性差的缺點，致使路面質(zhì)量不佳、使用時間不長，出現(xiàn)易開裂、塌陷、形成縫隙等問題，經(jīng)一定的試驗研究和資料顯示，若將一定配比的氧化石墨烯加入原水泥基復合材料中，能夠有效提升路面出現(xiàn)的開裂、塌陷等問題從而增強路面的使用年限和使用價值，目前氧化石墨烯的優(yōu)點日益凸顯，在國內(nèi)及國際市場越來越受歡迎，其應用的領域涉及較為廣泛，如：建筑市場、生物醫(yī)療、納米技術領域等等，后期相信經(jīng)過我們的不斷開發(fā)和探索，氧化石墨烯能夠給我們的生活帶來越來越多的好處。