石墨烯在水泥基复合材料中的研究现状

肖桂兰

（重庆交通大学， 重庆 400074）

0 前言

石墨烯是碳的同素异形体，由碳原子单层排列而成，呈蜂窝状晶格结构，只有一个碳原子厚，是目前世界上最薄二维纳米晶体材料。石墨烯一直以来都被认为是一种不能稳定存在的理论材料，直到2004年，英国曼彻斯特大学的Geim教授和 Novoselov博士第一次成功地用胶带反复剥离得到了能稳定存在的石墨烯晶体，使理论变为了现实。石墨烯具有优异的光、电、热、力学性能并且对纳米材料的研究是当今材料科学研究的新领域，由于纳米材料独特的性能，可以应用到许多领域（如物理、化学、冶金、国防、材料等），近年来国内外许多专家学者也将纳米材料应用到混凝土中，探索对混凝土的强度、微观形貌、水泥水化过程的影响以及是否有利于提高混凝土的耐久性等。将纳米材料加入到混凝土中通常用的有纳米二氧化硅、碳纳米管，纳米二氧化钛等。石墨烯作为当今研究领域的热门材料，引起了研究者对石墨烯水泥基复合材料的研究兴趣。

1 石墨烯的结构与分散

石墨烯具有大的比表面积，能够应用到各种复合材料的制备、电子器械、储能设备等许多方面，自问世以来就吸引了国内外大批研究者的广泛关注。近年来石墨烯及基于石墨烯基的纳米复合材料的研究进展迅速，如石墨烯在水泥基复合材料中的应用。

石墨烯是目前世界上强度最高、硬度最强的材料，化学稳定性较高，其结构决定了石墨烯本身很难被改性，反应活性较低，难溶于水和其他溶剂，在应用时很容易出现团聚现象，常因石墨烯在基体中的分散性能差而达不到预期的效果，要想让石墨烯在基体中发挥其自身的优势，有必要采取一定的方法和措施将其能更好的分散在基体中。目前将石墨烯加入到水泥基复合材料中的方法大多采用先将石墨烯均匀分散在水中得到悬浊液，再将其加入到水泥基体中。石墨烯的分散方法主要包括机械搅拌法、超声波处理法、电场诱导法[2]等，为了分散的更加均匀减少团聚，采用超声波处理时会加入一些表面活性剂。

2 氧化石墨烯的结构与制备

氧化石墨烯（GO）是石墨烯的重要衍生物，结构呈蜂窝状片层结构，相较于石墨烯，氧化石墨烯的表面有大量的含氧官能团（如烃基、羧基、环氧基等），这些官能团的存在增大了其层间的距离使得 GO具有良好的亲水性能通过超声波处理均匀的分散在水和其他溶剂中。

目前制备氧化石墨烯常用 Standenmaier法、Brodie 法和 Hummers 法，Stamdenmaier需要经过多次氧化，耗时且会产生有毒气体（如 Cl2、Cl2O）容易发生爆炸，不安全；Brodie法虽然能得到结构良好的氧化石墨但同样也有有毒气体产生，浓度高时也会有爆炸的危险。Stamdenmaier法与 Brodie法都是用的 KClO3为氧化剂，固有爆炸风险，相较而言，Hummers法利用KMnO4代替 KClO3，减少了有毒气体的产生同时提高了实验的安全性，被广泛的应用在实际中，而且Hummers法经过了不断的改进，目前工艺已经非常成熟。该方法是以浓硫酸、硝酸钠、高锰酸钾为氧化剂，分别在低、中、高三种温度下进行反应，洗涤烘干得到GO。

3 在水泥基复合材料中的应用

3.1 增强增韧作用

石墨烯强度高，力学性能优异，近年来许多专家学者试着将石墨烯加入到水泥基复合材料中，以提高其强度，延长混凝土的使用年限。吕生华等[1，2]将NGO加入到水泥浆体中，发现，NGO 片层对水泥石中水泥水化产物晶体的形成有模板效应和调控作用，能够促进水泥水化产物形成整齐、规整的花形晶体，从而对水泥石有显著的增强增韧作用。王琴等[6]人将GO 加入到水泥浆中，结果表明对水泥浆有显著增稠和促凝作用，能有效降低水泥的水化放热量，降低水泥石中微孔的体积，增加水泥石的密实度。曹明莉等[7]证明当水泥基复合材料中石墨烯纳米片层质量适当（0.02%）时，石墨烯能够均匀分散在水泥石中，并能有效提高其力学性能，改善其韧性。

3.2 导电性

智能混凝土的研究早在上世纪60年代就开始了，为了使混凝土具有自动感知的能力，通常会在混凝土里加入一些具有导电性质的材料（如石墨，炭黑，碳纤维，钢渣等）。石墨烯具有优异的电学性能，其电阻率只有约1. 0×10－6Ω·cm，比银更低，为目前电阻率最小的材料[8]吸引了国内外学者对石墨烯水泥基复合材料电学性能的研究。刘衡等[9]在水泥基复合材料中掺入了少量的纳米石墨烯片（GnPs），结果表明掺入GnPs显著提高了水泥砂浆的早期抗压强度，但对后期抗压强度的影响并不大，少量GnPs（体积掺量低于0.15%）对改善水泥砂浆导电性的作用效果不明显。

4 存在的问题

石墨烯性能优异，将其加入到水泥其复合材料中能改善水泥基复合材料的性能，但石墨烯具有不亲水不亲油性，很难溶解在其他溶剂中形成均匀分散的石墨烯溶液。石墨烯层间的范德华力使石墨烯极易发生团聚现象，要想让石墨烯在混凝土领域发挥其独特的优势，必须首先解决石墨烯的分散性问题。

理性对待石墨烯，目前石墨烯产品主要集中在锂电池、电发热类产品，防腐涂料等领域，有些石墨烯产品（如薄膜）出现了产能过剩的情况，市场的利用率低，而石墨烯在水泥基复合材料中的应用研究还不透彻有待进一步的研究。石墨烯还没有进入真正意义上的大规模生产阶段，石墨烯的价格还很昂贵，在混凝土中的应用基本还处在理论研究阶段。

5 结语

近年来，石墨烯作为一种新型的碳纳米材料，受到了来自世界各地30多个国家和地区的广泛关注，对石墨烯的研究热度在持续上升，我国已然是石墨烯研究最活跃的国家。石墨烯优异的力学性能、大比表面积使得石墨烯在复合材料领域具有很大的应用前景，将石墨烯加入到水泥基复合材料中具有重要的研究价值。

[1]吕生华，孙婷，等.纳米氧化石墨烯对水泥复合材料中水化晶体结构的控制及增韧作用[J].混凝土,2013,11:1-6.

[2]LV Shenghua, MA Yujuan, QIU Chaochao, et al. Effect ofgraphene oxide nanosheets of microstructure and mechanicalproperties of cement composites [J].Construction and buildingmaterials, 2013,49: 121-127.

[3]王琴1，王健1，吕春祥2，等.氧化石墨烯对水泥基复合材料微观结构和力学性能的影响[J].新型炭材料，2015，30（4）：349-356.

[4]曹明莉，张会霞，张聪.石墨烯对水泥净浆力学性能及微观结构的影响[J].哈尔滨工业大学学报，2015，47（12）：26-30.

[5]BERNARDO M，MARCOS G，EVGENIY T，et al. Electricalconductivity of compacts of graphene，multi － wall carbon nanotubes，carbon black，and graphite powder[J].Powder Technology，2012，221( 5) : 351 － 358.

[6]刘衡，孙明清，李 俊，等.掺纳米石墨烯片的水泥基复合材料的压敏性[J].功能材料，2015，16（46）:16064-16068.