未来建筑材料：石墨烯如何重塑水泥行业的明天？

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闭幕主题演讲将由石墨烯理事会的执行主任特伦斯·巴尔坎发表，我想向大家介绍一下他。他在2013年创立了石墨烯理事会，这是一个全球性的贸易和专业社区，连接科学家、学者、生产者、终端用户和商业专业人士，他们都对石墨烯的研究、开发和应用感兴趣。石墨烯理事会是曼彻斯特大学石墨烯工程与创新中心的二级成员，该中心被誉为石墨烯的发源地。

特伦斯，你能听到我们吗？我能听到，罗布，你好吗？我很好，非常感谢，我们也能听到你。很高兴见到你，真的很开心。我知道你一直非常忙，希望你今天早些时候的会议进行得很顺利。我们可以看到你，也能听到你，你的PPT格式也正确，现在是你进行我们最后一场演讲的时候了，我们的闭幕主题演讲。谢谢你，特伦斯，请开始吧。

谢谢你，罗布。我非常感激这次机会，向大家介绍水泥和二氧化碳减排，以及如何通过一种叫做石墨烯的先进材料实现这一目标。我将讨论石墨烯是如何实现二氧化碳减排的，然后为那些可能没听说过石墨烯材料的人解释一下它是什么。除了二氧化碳减排之外，还有很多理由让人对石墨烯在水泥和混凝土应用中的前景感到兴奋。

为了提供背景，石墨烯理事会是一个代表这一行业的贸易协会，我们拥有一个非常庞大的全球社区。我个人在美国，但我们的成员来自世界各地，他们都从事与这种材料相关的工作。这页幻灯片展示了参与我们组织的各类公司的范围。作为一种纳米材料，石墨烯非常适用于水泥和混凝土应用，但它也适用于许多其他领域。这页幻灯片列举了一些与我们组织合作的公司的例子，我们已经发现了超过45种不同的应用，水泥和混凝土中的石墨烯应用是其中之一，而且确实引起了相当多的关注，包括我们与美国混凝土学会（ACI）和田纳西混凝土协会的讨论，以及一些交通部门和美国基础设施领域感兴趣的人士。我们已经有石墨烯在混凝土和水泥领域实际应用的案例。

众所周知，水泥基混凝土被广泛使用，而且根据你参考的数据，它大约占全球二氧化碳排放量的8%。我们依赖这种材料有很多很好的理由，我们将继续使用它。问题在于，我们如何在继续使用这种材料的同时减少二氧化碳足迹。根据波特兰水泥协会的数据，生产一吨水泥会产生大约900公斤的二氧化碳，几乎是一比一的比例。

我想分享一些关于一家在这个领域获得很多关注的公司——CarbonCure的信息。这是一家加拿大公司，他们的模式是通过其他碳捕集方式获取二氧化碳，例如从发电厂捕获二氧化碳，然后将其运输到水泥或混凝土生产设施，在那里将其注入混凝土中进行封存。根据他们公布的数据，自2011年以来，他们已经以这种方式封存了大约11万吨二氧化碳。如果按比例计算，每吨混凝土封存了大约4公斤二氧化碳，相当于减少了水泥生产中4.3%的二氧化碳排放，折算下来占全球排放量的0.3%。虽然这是值得称赞的，我们也支持这种方法，但它仍然不是一个显著的二氧化碳减排方式。

那么，如果我们从石墨烯和混凝土的角度来看二氧化碳减排，我们会从这个角度考虑：使用极少量的石墨烯——一种碳纳米材料，我们已经看到混凝土的抗压强度提高了35%，抗折强度提高了25%。重要的是，除了二氧化碳减排之外还有其他好处，通过添加这种材料，固化时间可以减少一半甚至更多。我们认为这是因为它作为成核剂加速了结晶过程。这是一个重要的经济和工程因素。只需在每吨混凝土中添加30克石墨烯，虽然会增加一点成本，但如果考虑到更快的固化速度和减少水泥用量的潜力，例如减少10%的水泥用量，这相当于每吨混凝土减少大约9到10公斤的二氧化碳排放，相比之下，CarbonCure方法只能减少4公斤。当然，这两个过程并不互斥，你可以同时采用这两种方法。

对于那些不知道石墨烯是什么的人来说，它是一种二维材料，即单原子层的碳原子，于2004年被发现或分离出来，2010年因此发现获得了诺贝尔物理学奖。在原子层面，这种材料表现出不同的行为，产生量子效应，因此它的行为与宏观形式的材料完全不同。它极其薄、极其坚固、具有电导性，晶体的柔性模量为20，非常高，热传导性能也非常好。当它被用作宿主材料时，可以将许多这些特性传递给宿主材料。

石墨烯有多种形式，我提到它是一个单原子层的碳，但根据ISO定义，最高10层的碳都可以称为石墨烯。它可以以石墨烯纳米片的形式存在，可以是粉末、糊状物或固体可溶溶液。石墨烯氧化物是亲水性的，可以放入水中，因此你有含氧量较多的石墨烯氧化物和含氧量较少的还原石墨烯氧化物，可以是粉末、糊状物或溶剂。此外，你还可以进行功能化，我们的许多公司都在这样做，他们可以专门为水泥和混凝土应用调整这种材料，使其以预期的方式发挥作用。因此，这种材料有很多使用方式，我们建议与知识渊博的石墨烯生产合作伙伴合作。

使用石墨烯能获得什么好处呢？正如我提到的，它具有电导性和热导性，可以防止紫外线降解，具有极好的阻隔性能，能提升机械性能，甚至是一种阻燃剂。特别在水泥和混凝土中使用时，我提到过更快的固化速度，你可以获得更高的载荷强度，这为你提供了更多的灵活性，减少了水的渗透。增加强度的一个重要方面是它能减少微裂纹，从而防止进一步的断裂。它不仅可以用于原始材料，还可以用于修复化合物中。通过使用更少的水泥来获得相同的性能，你可以减少与水泥相关的二氧化碳排放，这是一个有趣的方法。而且它不需要专用设备，就像你已经使用的任何其他外加剂一样，你可以直接将其加入你的混合物中。

现在有哪些公司在做这个呢？有几家公司正在生产专门用于混凝土和水泥应用的石墨烯，包括BioGraphene Concrete、Garmor、First Graphene、Talga以及其他与石墨烯理事会相关的公司。如果你们对这个领域有任何兴趣，请联系我们，我们可以帮你联系有经验的人。

为了提供一些具体数据，佛罗里达州的Garmor公司有一种功能化的石墨烯氧化物材料，他们实现了高达45%的抗压强度提升，25%的抗折强度提升，并减少了断裂或开裂。他们能够在7天固化时间内获得与28天固化时间相同或更高的抗压和抗折强度，这是一个重要的考虑因素。我提到过减少水的渗透性，在这种情况下，他们为每吨干水泥添加了200克石墨烯氧化物材料。

在石墨烯外加剂方面，Talga公司也使用这种材料，他们也获得了显著改善的固化时间和抗折强度。这里你可以看到抗折强度提高了20%，而抗压强度仅提高了14%。我想通过这些数据说明，根据材料类型、混合物和负载因素的不同，可以调整材料以获得最重要的性能。例如，如果你的抗压强度已经足够，但需要更多的抗折强度，你可以调整这种材料以适应特定应用。

在另一个应用案例中，这种混凝土混合物因其热性能被使用，用于隔离海上发电电缆，这些电缆会产生大量热量，需要将热量导出。石墨烯增强材料的热传导性能比市场上领先的材料高出30%，这是另一种看待它的方式，具体取决于你的应用领域。

埃克塞特大学在英国取得了惊人的146%的抗压强度提升和近80%的抗折强度提升，只需在最终混凝土成分中添加0.03%重量的石墨烯。所以我们有多个数据点、多个研究和应用在使用这种材料，取得了令人瞩目的结果。

迪米塔尔·迪莫夫博士专门研究石墨烯在水泥和混凝土应用中的使用，他也是一位专家，展示了34%的抗压强度提升和近27%的抗折强度提升。在这个案例中，他们测试了使用石墨烯与回收水泥和混凝土产品，这对行业来说是一个重要的方面，即增加回收材料的使用，并试图将其性能提升到原生材料的标准。对于那些希望使用更多回收材料但担心性能指标的人来说，石墨烯可能是外加剂的正确解决方案。

现在来看看经济性，美国干水泥的平均价格每吨在95到125美元之间，每吨水泥使用200克石墨烯——这显然少于最终混凝土混合物中的用量。假设为了一个高性能的特殊产品，你可以获得30%的价格溢价，这使得石墨烯在每公斤143到188美元的价格下具有竞争力。而实际上，用于这种应用的石墨烯市场价格更像是每公斤50美元，甚至低至20美元。以如此小的用量使用使它在这些应用中非常有竞争力。

从另一个角度看，右下角的数据显示，最终混凝土混合物中的实际价格增幅取决于增加的成本、投入的石墨烯量以及石墨烯的价格，你会看到最终混凝土产品的成本增幅在4%到6%之间。我知道在水泥和混凝土这样对价格敏感的行业中，这是一个重要的增幅，但你必须考虑整体因素：减少碳排放本身有价值，加快固化速度在工地上也有经济效益。因此，当你计算经济性时，有办法回收这些我认为相当温和的价格增幅，以获得一个独特性能的产品。

我就讲到这里，罗布，如果有人有任何问题，我很乐意回答。这只是一个非常简短的概述，但主要信息是石墨烯在这些应用中是有效的，今天就有人在使用它，有些公司正在基于这些性能优越的水泥和混凝土混合物建立他们的商业模式。如果有人想了解更多或联系可以帮助他们开发这些应用的石墨烯供应商，只需联系我们，我们很乐意为你牵线搭桥。我们是一个中立的贸易协会，对我们推荐的任何公司都没有经济利益，这完全是独立的。

非常感谢你，特伦斯，感谢你精彩的演讲，带我们快速了解了石墨烯的世界，真的非常有趣。不出所料，我们已经收到了一些问题。里卡多·里奥斯问：石墨烯必须在混凝土配料时使用吗？比如，它可以混在混凝土粉末中吗，还是必须在混凝土配料过程中添加？

这是一个好问题。它可以加入到水泥中，主要问题是在分散之前，我们要确保它能很好地分散。所以更有效的方法可能是将其加入到混凝土配料中，但我们确实有公司在研究将石墨烯直接加入到干水泥混合物中，还有一家公司甚至在研究将石墨烯加入到骨料中作为插入点。但一般来说，为了方便使用，你可以使用干粉形式的石墨烯，但根据石墨烯的类型，也可以将其加入液体溶液中。如果你习惯以这种方式使用外加剂，那也是一种可用的形式。简短的回答是，可以，但需要注意分散问题，如果它沉淀出来，只要在最终混合物中均匀分散，就能达到预期的效果。

好的，阿德里安·坦普尔-布朗有一个问题：制造石墨烯有多难？

这是一个好问题。一方面，它并不特别难，但你制造的是一种纳米级材料，厚度只有几个原子，可能从亚微米到几微米的片状尺寸，所以确实需要专业知识。很多石墨烯是从石墨剥离到几个原子层碳的水平制成的，还有其他制造石墨烯的方法，几乎任何碳源都可以转化为石墨烯，所以问题在于你想要得到哪种石墨烯材料。一方面它并不特别难，但需要专业知识来确保你有一批一致的材料，达到原子级别，这更需要专业性。我听说你可以通过拿一块透明胶带，缠绕在铅笔芯上，然后取下来，在那块胶带上就会有一些石墨烯。

那实际上是诺贝尔奖获得者首次分离石墨烯的方法，他们拿了一块石墨，用透明胶带不断剥离，直到达到一个原子层，但没人会用这种方法生产商业量。

好的，我想指出，他们在2004年发现了这一点，并在2010年获得了诺贝尔奖，从发现到获奖只有六年，这快得难以置信。

是的，对于一种新材料来说，石墨烯的发展很快。我们刚刚为我们的成员更新了商业化的信息，我们估计在水泥和混凝土领域，每年需要11万吨甚至更多的石墨烯来满足这个市场。目前的生产量是1万吨，但这个数字会大幅增加。这个行业的规模化不是问题，石墨供应充足，生产方法已知，扩大石墨烯生产设施所需的资本设备并不像生产半导体工厂那样需要数亿美元，只需要50万到几百万美元。所以，更多是关于采用的问题，我们石墨烯理事会正在与ASTM合作制定石墨烯的材料规格，以便有一个ASTM编号，让你们更容易指定这种材料。

绝对是的，关键在于将这种材料纳入标准，我认为这将是你的限制因素。阿德里安还问：制造一公斤石墨烯需要多少能量？

这是一个非常好的问题，我没有直接的答案，因为这是一个我们正在研究的问题。例如，我们在加拿大有一家大规模生产商，他们使用机械剥离方法，他们有可再生能源供电，这是主要的能源输入。我们还有来自德克萨斯州莱斯大学的另一种方法，叫做闪蒸石墨烯，使用电荷，基于重量计算，能量输入并不多，可以将任何含碳材料转化为石墨烯。所以这真的取决于，有电化学过程、物理剥离、高压水、液相剥离，不同的方法有不同的能量需求。所以很抱歉我不能给你一个简洁或具体的数字答案，但这取决于生产的材料类型和使用的原材料。

我理解这个问题，很抱歉我无法准确回答。没关系，另一个问题是关于分散的，埃马德·阿维问：你如何将200克纳米级材料混入一吨混凝土中，并获得这些非常少量的均匀分布，以获得你提到的高性能？这可能是水泥和混凝土行业需要克服的一个普遍障碍，如何实现这种几乎完美的无限分散？

这是一个很好的问题。这就是材料功能化的作用，你可以处理石墨烯，使其在宿主基质中更均匀地分散。我会将其与这个行业已经使用的加速剂、缓凝剂或其他纳米材料外加剂进行比较，从这个角度来看，它与你已经在使用的没有什么不同，依赖于在宿主基质中的良好分散。石墨烯的关键在于有一个懂得如何分散的合作伙伴，我们有公司在水泥和混凝土应用中添加石墨烯的经验，使用亲水性的石墨烯氧化物也有助于分散，因为它可以加入到水的相中，添加到你的混合物中。

好的，特伦斯，我们的时间到了，非常感谢你今天能和我们在一起，回答我们众多的问题。再次见到你真好，希望很快能再次见到你。

我的荣幸，祝贺你在美国的活动成功，任何人如果有兴趣，请联系我们，我们很乐意以任何方式帮助你。非常感谢，特伦斯，很快再见。谢谢，罗布，再见。

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