科学家开发耐用的新型混凝土 使用石墨烯来提高防水性和抗裂性

据外媒New Atlas报道，随着科学家们努力提高混凝土的强度和耐久性，“神奇材料”石墨烯被证明是一种有前景的添加剂，这也许并不令人惊讶。作为世界上最强的人造材料，它可能有很多东西可以提供给建筑界，而这一最新的例子来自美国西北大学的研究人员，他们已经开发出一种新型的石墨烯填充水泥，具有很强的防水性和抗裂性。

作为世界上使用最广泛的材料——混凝土生产的关键成分，水泥具有巨大的环境足迹，占全球温室气体排放量的8%左右。研究人员希望通过开发持续时间更长的混凝土形式来减少这一负担，从而减少对进一步的混凝土的需求，以取代受损的结构。

混凝土结构失败的原因之一是裂缝的形成，开始时是微小的破裂。一旦水渗入这些破裂处，就会导致它们的规模不断扩大，直到整个东西需要修复或更换。我们已经看到了一些有趣的方法，科学家可能能够干预这一过程，例如通过“自我修复”混凝土，在血液酶、真菌和特殊胶水的帮助下修复裂缝。

石墨烯也可能在这方面发挥一定作用。我们已经看到了有希望的混凝土原型，它使用片状石墨烯来降低水的渗透性，甚至看到了旧轮胎如何被转化为石墨烯来生产更坚固的混凝土。而这项技术正开始进入现实世界，工程师们最近在英国浇筑了世界上第一块石墨烯增强的混凝土板。

西北大学的研究人员一直在研究另一种增压水泥配方，其中加入了这种神奇材料的微小颗粒，使混凝土更耐水。该团队试验了一系列的颗粒类型，包括碳纳米管、碳纳米纤维和石墨烯纳米片，然后通过一种被称为划痕测试的先进技术测试它们的性能。这使材料的微观位点受制于锥形探针，以测试其断裂反应。

“我能够同时观察许多不同的材料，”该研究的主要作者Ange-Therese Akono说。“我的方法直接在微米和纳米尺度上应用，这节省了大量的时间。然后在此基础上，我们可以了解材料的行为方式，它们是如何裂开的，并最终预测它们对断裂的抵抗力。”

这些实验还使科学家们能够调整水泥的构成以提高其性能。通过这个过程，研究小组找到了石墨烯纳米片作为获胜成分，他们发现可以少量加入石墨烯以提高成品的抗断裂性。这是通过降低材料的孔隙率来实现的，因此水的渗透性降低了78%。

Akono说：“纳米颗粒在这种应用中的作用在此之前还没有被理解，所以这是一个重大的突破。作为一个受过培训的断裂力学专家，我想了解如何改变水泥生产以增强断裂反应。”

这项研究发表在《英国皇家学会哲学会刊A》杂志上。

https://royalsocietypublishing.org/doi/10.1098/rsta.2020.0288