文献速读
Constr. Build. Mater.：实现高性能石墨烯基水泥材料的原位生长新策略
题目
题目：A new in-situ growth strategy to achieve high performance graphene-based cement material
实现高性能石墨烯基水泥材料的原位生长新策略
关键词
关键词：水泥基材料、石墨烯、原位生长、力学性能、微观结构
来源
出版年份：2022
来源：Construction and Building Materials
课题组：西安建筑科技大学土木工程学院姚尧课题组
研究背景
在过去的十年中，研究人员添加多种纳米材料（纳米级SiO2，碳纳米管，纳米级TiO2，和基于石墨烯的材料）到水泥基材料中。作为一种二维材料，石墨烯基材料具有优异的物理和化学性能，成为下一代先进水泥基材料中的关键性材料。已有研究表明，石墨烯和氧化石墨烯（GO）可以通过加速水泥水化和改变基体中的孔隙分布来改善水泥基材料的力学性能。加入少量的GO，可以提高GO改性砂浆的耐久性和抗渗性。然而，高成本和低分散性限制了石墨烯基材料的进一步工业应用。石墨烯基材料对水泥基材料的增强效率主要取决于其在水泥基体中的分散稳定性。
纳米材料之间强大的范德华力以及在碱性环境中Ca2+和Mg2+对GO的交联作用使得石墨烯和GO容易团聚。为解决石墨烯或GO分散性差的问题，研究人员采用不同的化学和物理方法（强酸功能化、表面活性剂以及长时间超声处理）对水溶液中的石墨烯或GO进行预处理。然而，长时间的超声处理和强酸功能化对石墨烯基材料有不利影响，可能导致结构缺陷。特别是在碱性环境下，Ca2+会导致GO团聚，而直接向水泥基体中添加GO溶液，很难实现GO片在基体中均匀分散。基于已有研究，通过原位生长制备的材料可呈现出更好的分散效果、更高的增强效率和更低的成本。
研究出发点
已有研究提出在水泥颗粒上原位生长制备碳纳米管和聚合物的方法，但缺乏在水泥颗粒上原位制备石墨烯的探索。此外，用化学气相沉积法（CVD）进行大规模制造是基于时间的假设，其效率低和较长超声时间使其在土木工程上的应用受到限制。
研究内容
本文通过碳化和煅烧将石墨烯原位生长到水泥基体中，提出了一种新的直接合成石墨烯水泥（GC）复合材料的策略。在合成过程中，作为碳源的葡萄糖与水泥均匀混合。将混合物在800℃下加热2h以获得先进的GC材料。在反应过程中，葡萄糖在水泥材料上转化为石墨烯，抑制了团聚并保证了石墨烯在水泥基体中的良好分散。
图1. GC材料和浆体的制备过程示意图
表1 浆体的混合比例
图2. 石墨烯、水泥和气相色谱材料的微观形态和结构（a）SEM图像（b）石墨烯的厚度表征（c）未经处理的水泥颗粒的SEM图像（d）GC材料的SEM图像（e）GC材料的放大扫描电镜图像（f）GC材料的EDS图（g）XRD图谱（h）拉曼光谱（i）石墨烯、水泥和GCP-3材料的XPS光谱
图3. 28 d时各试样的TGA曲线图
图4. 纯CP、GOCP和GCP-3在28 d时的孔径分布和孔隙率
图5. 原位生长石墨烯和GO片对水泥浆体微观形貌的影响：（a）GO薄片的聚集（b）均匀分散的原位生长石墨烯（c）GCP-3的EDS光谱
图6. 原位生长石墨烯和GO片对水泥浆微观形貌的影响：（a）CP、（b）GCP-1浆体、（c）GCP-3浆体的SEM图；（d）在（c）图中红色虚线框内的局部放大图；（e）GCP-3样品水化硅酸钙(C-S-H)高密度区局部放大；（f）GCP-6浆体和（g）GOCP；（h）点1和（j）点2的EDS光谱
图7. GC和GOCP样品的增强机理示意图
主要结论
本研究开发了一种原位生长新策略，通过热处理葡萄糖和水泥的混合物使石墨烯均匀分散到水泥基体中。葡萄糖被用作一种低成本的碳源来合成高质量原位生长的石墨烯。这种新开发的合成策略可以扩展到其他水泥基材料的合理设计。与传统方法相比，本文提出的原位生长法可以实现石墨烯低成本制备并均匀分散到水泥基体中，增强了水泥的力学性能，有利于石墨烯基水泥材料在土木工程中的应用。
葡萄糖的石墨化反应有利于石墨烯在水泥中均匀分散。与CP和GOCP相比，GC浆体微观结构中观察到的微孔和裂纹较少，有利于形成更致密的水化产物，并且可以进一步增强水泥基体的力学性能。石墨烯的广泛分布增强网络不仅促进了水化过程，而且以不同的方式调节了水泥浆体的结构:（a）填充效应；（b）广泛分布的增强网络；（c）减少主要裂缝；（d）抗断裂行为。未来石墨烯原位生长的探索可以从以下几个方面进行：（a）石墨烯原位生长对水泥早期水化的影响；（b）在增韧地质聚合物混凝土和碳化混凝土中的应用；（c）可控生长模式的探索。
本期编者简介
翻译：
刘建伟 硕士生 深圳大学
审核：
余 阳 硕士生 深圳大学
排版：
颜文韬 硕士生 深圳大学
本期学术指导
何 闯 博士后 深圳大学
龙武剑 教 授 深圳大学
文献链接：
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.127451
联系客服
