氧化石墨烯改性水泥基复合材料的路用性能研究

杨延锋

（云南建投第二水利水电建设有限公司 云南昆明 650217）

0 引言

目前石墨烯在市场上的运用比较广泛，而石墨烯产品结构中的氧化石墨烯更是受到市场极大的青睐，因为氧化石墨烯具有成本低、刚性强的优点，在路用性能方面，当把氧化石墨烯与水泥基材料按照一定比例的配比后，能够较好的增强材料的抗拉力性、抗开裂性，这对于建筑工程、公路工程等来说具有很重要的意义，因为我们目前的建筑工程、公路工程等均具有易开裂的问题，经研究氧化石墨烯和水泥、混凝土、砂石等基础性材料混合使用后，可以较好的解决目前建筑工程、公路工程中存在的这些问题。

1 水泥基复合材料定义及目前存在问题

以硅酸盐水泥为集体，以耐碱玻璃纤维及通用合成纤维、各类陶瓷纤维、碳等高性能纤维以及金属丝等天然植物纤维为增强体，混合混凝土、填料、各类化学助剂、水组合而成的复合材料称为水泥基复合材料，在目前的建筑领域，尤以水泥混凝土为代表的建筑材料应用最为广泛，但是它具有抗拉力轻度低[1]、韧性差，在建筑中常常出现大量裂缝。目前针对这种问题，普遍通过添加增强材料如钢筋、增强纤维、填充材料等办法进行解决，但这种方法不能改变水泥化产物的结构和形状[2]，因此不能够根治问题。而随着技术的不断发展及新材料的出现，氧化石墨烯经过反复测试，运用到路面建设时，能够有效提升路面的强度和抗压力性。

2 氧化石墨烯改性材料的优点

近年来氧化石墨烯改性复合材料的发展十分迅速，因为其显示出较大的优越性，它是一种由石墨烯为原材料经过一定的化学手法转化而成的新型材料，故其力学作用和石墨烯并无本质差异，又因其含有多种溶水性官能基团，易于和某些同样具有溶水性材料等发生反应，经与某些材料混合使用后可有效增强材料的强度和韧性，这也使得氧化石墨烯的运用范围也较为广泛，如：医疗、建筑、航空航天、新能源电池等领域均有涉及。其在路用性能方面主要体现为，经和一定配比的水泥、砂石等材料混合后，可有效提高材料的强度与耐久性。

3 实验

3.1 氧化石墨烯的制备

将12g的浓磷酸和4g石墨烯混合搅拌，加入到5℃的120g浓硫酸中，然后分2次加入5g高锰酸钾，然后在当前温度下反应3h，在35℃情况下反应6h，后加入400g去离子水，温度调整到80℃反应1h，然后进行过滤，直到pH值为7.0，制出实验用的氧化石墨烯。

3.2 实验过程

水泥混凝土配比按照《普通混凝土配合比设计规程》（JGJ 5—2011）为：水泥：砂：石：掺合料=1：2.63：5.33：0.67，水胶比为 0.45，氧化石墨烯的掺量为胶凝材料的 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试验规程》（JTGE 30—2005）进行拌合，制备6组样品，空白组为1号样，其余5组掺量分别为2～6号样，拌合后经达到规定强度后，送进养护室养护28d。

3.3 力学性能分析

由图1可见，其中1号为空白组，2～6号为分别掺入氧化石墨烯为0.01%、0.02%、0.03%、0.04%、0.05%的配比对照图，分别比1号样本组提高了9.13%、13.25%、42.98%、36.32%、29.11%，而且实验发现当浓度为0.03%的掺量时，强力最佳，对水泥混凝土的强度提升最好，抗压强度较样本组提升了42.98%，这说明掺入适量的氧化石墨烯能够很好地提高水泥基材料的抗压强度。

图1 氧化石墨烯在水泥混凝土中的配比量及抗压强度变化

4 氧化石墨烯改性水泥基复合材料的路用价值

在我们目前的桥梁、道路建设中，使用的大量材料主要为水泥、混凝土、砂石等材料，这些材料建成的建筑常具有易开裂、低强度等缺点。而通过我们以上的实验分析结果可见，在挑选适当配比的氧化石墨烯加入水泥、砂石、掺合料等材料中，材料的强度显著提升，若将此种配比材料运用到桥梁、道路等工程投入使用，也定能较为有效的改善目前桥梁、路面出现的易断裂、易塌陷等问题。

5 石墨烯运用现状概述及未来趋势解析

当下，石墨烯产业在全世界范围内尚处在起步时期，占据重要地位的还是氧化石墨烯，虽然当下石墨烯市场只是初具规模，但对于其发展前景则不可小觑。具权威资料显示，我国石墨烯产业规模已高达70亿元，由于石墨烯具有多种优异的性能，相信我国的石墨烯行业将会得到飞速的发展。

纵观全球，石墨烯目前正处在蓬勃发展的前期阶段，但是预测在将来的10年中，全球范围内的石墨烯发展将进入大规模的发展阶段，目前已知很多欧美以及东亚发达国家正在制定和颁布相关政策性文件，致力于加大石墨烯功能性构件的研究及规模化运用，欧美等老牌发达企业一直处于石墨烯产业化运用的前端位置，尤其在石墨烯研制方法、高分子材料、主导型电子配件等产成品领域也是一直遥遥领先，这在石墨烯的运用上给予了亚洲国家一定的借鉴作用。

由相关资料显示来看，从2014年开始，全世界的石墨烯应用范围呈现较好势头，一直处于飞速增长的模式，直到2018年，石墨烯的规模达到了0.34亿美元的突破性发展。根据已知的石墨烯具有的良好性能，伴随着经济发展和市场需求，未来石墨烯将在高性能计算系统、医疗行业、航空航天、建筑行业等均将有新的突破发展和更广阔的应用。根据2019的数据显示，石墨烯应用已超过1亿美元，据此趋势推测，至2025年，石墨烯的经济贡献将会突破20亿美元，如图2所示。

图2 2014-2015全球石墨烯行业市场规模及预测（单位：百万美元）

若从石墨烯本身的产品构造分析，其包括具有多种性能和用途的产品，如：石墨烯氧化物、石墨烷、石墨烯纳米片、氮掺杂石墨烯、碳化硅石墨烯、还原氧化石墨烯等。目前运用较为广泛的石墨烯产品主要是氧化石墨烯，从氧化石墨烯具有的导电性分析，它可以用于导电膜、新能源电池及一些高性能导电设备的制作；根据氧化石墨烯具有良好的抗拉伸性能及高韧性能方面分析，它可以应用于建筑、道路、桥梁的建设；根据其具有的高弹性能分析，它适用于高分子材料、医药等领域；除此之外，氧化石墨烯还具有低成本、易运用等优势。所以氧化石墨烯在是石墨烯产品中运用最具广泛的材料，根据资料显示，其在石墨烯运用中占据着高达60%的比例，如图3所示。

图3 2015及2020年全球石墨烯产品结构占比对比

6 结语

目前由于水泥基复合材料存在一定的局限性，在桥梁、道路等的运用上，常常因为材料具有抗拉力轻度低、韧性差的缺点，致使路面质量不佳、使用时间不长，出现易开裂、塌陷、形成缝隙等问题，经一定的试验研究和资料显示，若将一定配比的氧化石墨烯加入原水泥基复合材料中，能够有效提升路面出现的开裂、塌陷等问题从而增强路面的使用年限和使用价值，目前氧化石墨烯的优点日益凸显，在国内及国际市场越来越受欢迎，其应用的领域涉及较为广泛，如：建筑市场、生物医疗、纳米技术领域等等，后期相信经过我们的不断开发和探索，氧化石墨烯能够给我们的生活带来越来越多的好处。