《Creating Smart Cement with Graphene-Coated Sand》

近日，来自中国、美国和英国的科学家团队在《建筑与建筑材料》杂志上撰文，提出了一种制造智能水泥的新方法。

什么是智能水泥复合材料？

水泥复合材料已在土木工程行业中使用了几个世纪。虽然足够的机械和物理性能（如耐用性）是这些材料的核心要求，但近年来，人们越来越关注赋予它们功能特性的研究兴趣。

(资料图片仅供参考)

这导致了智能水泥复合材料领域在加快发展。在土木工程师所需的各种功能中，导电特性有几个好处，例如建筑健康监测、电磁屏蔽和除冰能力。智能水泥复合材料可以提高结构的弹性、安全性和寿命性能。这降低了维护成本并改善新结构的碳足迹。

已经研究了几种材料用作智能水泥复合材料的导电添加剂。这些包括炭黑、碳纳米管、碳纤维和石墨烯。在这些研究中，直接掺入水泥基体中一直是常用的方法。

将这些材料直接结合到水泥基体中具有降低电阻率的效果。研究报告了几个数量级的改进，但这种方法存在一个关键问题。这些改进是以复合材料的机械强度为代价的。此外，工艺成本高、能源密集且耗时。

实现令人满意的导电性也需要大量的这些材料。以这些浓度直接混合会导致最终混合物的粘度增加和可加工性降低。这会影响最终硬化复合材料的耐久性和强度等性能。因此，需要一种新的策略来实现智能水泥复合材料的潜力。

研究

这项研究提出了一种新的策略，可以潜在地克服传统混合过程的问题。实现一种低成本的方法来保持水泥材料的机械和物理性能并提高其导电性是该材料科学领域的一个关键问题。

该论文中开发的新方法涉及使用涂有导电石墨烯基材料的精细聚集体。首先，将均匀的氧化石墨烯涂层涂在沙子上，然后在 300oC 下退火。退火过程将氧化石墨烯还原为还原氧化石墨烯。然后采用微波处理来进一步减少涂层为石墨烯。

研究人员评估了石墨烯、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯的润湿性和导电性。该分析的结果为工艺的优化提供了依据。此外，还评估了涂层效率和纳米材料对聚集体颗粒物理性质的影响。

研究报告对制备的水泥砂浆的机械强度、流动性、微观结构和吸水性进行了分析和评估。最后对制备的复合砂浆的压阻率和电阻率进行了评价。

研究结果

研究结果表明，新方法可以生产具有足够电气性能的水泥复合砂浆，而不会对最终产品的机械和物理性能产生负面影响。涂覆砂粒而不是直接将纳米材料掺入砂浆中为生产智能水泥复合材料提供了显着的好处。

该研究中提出的新方法使水泥砂浆具有增强的自感应能力以及降低的电阻率。此外，观察到流动性略有改善，这解决了传统制备工艺面临的砂浆粘度问题。此外，吸水率或机械强度没有显着降低。

SEM 分析显示，石墨烯对沙粒表面的覆盖率约为 62%。涂层的平均厚度约为8.8%。压缩测试还证实，研究中开发的涂层为砂浆提供了对压缩载荷的可靠压电响应。

纳米涂层方法不依赖于粘合剂化学。这意味着它可以在具有常规或非常规粘合剂材料的不同水泥复合材料中普遍实施。

小结

总之，该研究证明了一种改进了制备智能水泥复合材料的传统方法的方法。一个简单而高效的过程，作者的方法可以很容易地应用于工业规模的操作，这对于建筑和土木工程行业可能具有益处。

作者提出了一种很有前景的策略，可以改善水泥砂浆并赋予其先进的功能，例如导电性和自感应能力。然而，在考虑将该过程用于商业应用之前，仍需要克服一些挑战。在未来的研究中需要进一步研究优化涂层效率和质量。

延伸阅读

Lu, D et al. (2022) Graphene coated sand for smart cement compositesConstruction and Building Materials346(5) 128313 [online] sciencedirect.com. Available at可在：https ://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.128313