掺入后抗压强度显著提升 专家称石墨烯将助力水泥行业降碳减排

今年3月，工业和信息化部组织召开国家新材料重点平台工作会，研讨更高质量做好新材料重点平台工作，推动新材料产业加快创新发展。会议指出，新材料产业是战略性、基础性产业，加快发展新材料产业对于保障产业链供应链安全具有重要意义。

新材料培育新业态，新技术塑造新优势。近年来，在顶层设计、市场需求、经营主体加大创新投入等多重因素驱动下，我国新材料产业加力补短板、强弱项，实现创新驱动发展，行业喜讯不断。近日，国家建筑材料工业技术监督研究中心（原国家建材局标准化研究所）出具的一份检验报告显示，由石墨烯增强后的轻质混凝土抗压强度比普通轻质混凝土高出一倍多。即，添加使用石墨烯后，混凝土机械性能得到大幅提高。这意味着，随着未来石墨烯在水泥行业规模化应用，建筑所消耗的混凝土将大幅减少，相应地，水泥生产环节产生的碳排放也随之大幅降低。

水泥是混凝土的原材料之一，也是全球二氧化碳主要排放者之一，约占全球总排放量的8%。考虑到混凝土是地球上使用率第二高的材料，人们一直在研究如何有效减少混凝土的碳排。为更好应对全球气候变化、减少温室气体排放，国内外都在加紧这方面研究。比如，曼彻斯特大学石墨烯工程创新中心（GEIC）和（NERD）共同研究发现，在混凝土中添加少量石墨烯可显著提高其强度。随着国家建筑材料工业技术监督研究中心的相关实证研究的出炉，“混凝土+石墨烯”组合产生的正外部性再次得到验证，这对中国实现“碳达峰碳中和”的环保目标无疑是个利好。

据国家建筑材料工业技术情报研究所首席专家、中国散装水泥推广发展协会理事长、国家二级教授崔源声介绍，通过使用混有石墨烯的混凝土，可以显著降低氧化碳排放量。其中的作用原理就在于，一来，混凝土中添加少量石墨烯可显著提高其强度，同一建筑的水泥使用量会大幅下降；二来，石墨烯可大幅提升水泥的寿命，进而减少同一生命周期内水泥的使用量，推动整个行业绿色降碳。

作为新材料的代表，石墨烯是目前业界发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，在能源、生物技术、建筑、高端制造等方面，未来前景是一片蓝海。

多年来，围绕提升混凝土强度、打造轻质保温材料，该中心化学建材研究部主任扈士凯带领团队开展了大量研究，这次石墨烯的掺入有望催生一种革命性材料。“当前主流的建筑保温材料都是有机泡沫塑料，具有易燃性，容易引发火灾。泡沫混凝土更为安全，也是重点推广的保温材料，但由于普通泡沫混凝土强度不足，限制了替代进度和空间。”扈士凯说，研究表明，添加石墨烯后，泡沫混凝土的强度和保温效果大幅提升，而且泡沫混凝土的寿命可以跟建筑保持一致，不像泡沫塑料25年就需要更换。这对于防火防灾与节能降耗都有很好的助力作用。

在催生更好的保温效果外，石墨烯的加入使得结构自防水材料的研发成为可能。中国被动式集成建筑材料产业联盟副主席乔君慧说，由于普通水泥不防水，房子盖好后都要做专门的防水处理，覆盖各类卷材，不仅增加了成本，效果也不是最理想。“利用石墨烯将水泥自身的结构孔隙堵住后，混凝土自身就可以达到防水效果，可节省大量成本，防水效果也更好。随着产业的进一步成熟，未来许多老房子漏水问题有望得到治理。”

虽然石墨烯的前景有目共睹，但是制备出高品质的石墨烯并不容易。自2004年英国曼彻斯特大学的两位科学家发现以来，尽管各国和相关机构投入大量的资金和人力，但石墨烯这种材料仍未进入大规模量产当中，主要因为石墨烯非常难剥离，通过机械剥离和化学气相沉积等方法出产的石墨烯无法量产，而且制备成本高昂。

令行业欣喜的是，随着制备工艺不断突破，石墨烯成本正快速下行。去年8月，北京旭华时代科技有限公司在业界首次实现曲面石墨烯量产下线。据旭华科技相关负责人介绍，曲面石墨烯的制备是公司利用高科技手段，研制出的一种可在碳分子层面上进行操纵，合成不同形态结构体的拥有自主知识产权的新型工艺方法。该工艺制备的石墨烯液体具有产量高、成本低、纯度高等特点，尤其是解决了石墨烯不添加任何外来表活剂，微观粒子受范德华力的作用粒子相互团聚这一世界难题。目前，曲面石墨烯在电池储能、水泥降碳、污水处理、沙漠化治理、盐碱地改良、植物光合作用增长及生命科学等方面都有良好的性能表现。

专家表示，目前石墨烯量产后的价格，已经具备在高档水泥产品中应用的条件。在科技解决方案更加成熟、批量化产能进一步提升、应用场景与市场需求继续提速扩面增容的情况下，石墨烯价格有望下探至每吨万元以内，届时建材领域对石墨烯的使用率与推广度将大幅提升，有利于相关行业的加速发展与“双碳”目标的加快实现。

（子鸣）