研究人员利用氧化石墨烯和钢纤维的混合物将混凝土强度提高了近 60%。这可能是提高现代建筑耐久性的一种非破坏性方法。
最近发表在《Nano Express》上的一项研究调查了氧化石墨烯与微型钢纤维（SF）的结合对混凝土机械性能的影响。该研究还考察了非破坏性超声波脉速（UPV）测试如何可靠地预测混凝土的强度和内部质量。
这种方法不仅将氧化石墨烯视为一种被动填料，还将其视为一种主动添加剂，具有改善混凝土结构健康和长期耐久性的潜力。
氧化石墨烯和微细钢纤维
氧化石墨烯因其表面积大、化学反应活性强而在材料开发领域脱颖而出。这使其成为水泥凝固过程中水化产物的有用成核点，并有助于细化混凝土的微观结构、封闭孔隙和提高强度。
事实证明，氧化石墨烯即使用量很少，也能通过加速水化和减少孔隙率来提高混凝土的抗拉和抗压强度。与此同时，钢纤维已被广泛用于改善混凝土的抗断裂性、韧性和裂缝控制。
氧化石墨烯能改善水化和基质密度，而 SF 则能提供机械加固。本研究展示了它们的双重集成如何显著提高混凝土强度。
实验装置
为了测试其效果，研究小组制备了多种混凝土和砂浆混合物，并加入了不同比例的氧化石墨烯（0.02% 至 0.08%）和微钢纤维（0.3% 至 0.8%）。氧化石墨烯是采用改良 Hummers 法在内部合成的，它是一种高度氧化和水分散的石墨烯形式，非常适合用于水泥一体化。
氧化石墨烯分散体与水泥和超塑化剂混合，以确保均匀分布。标准化程序（IS 10262:2019）指导了混合设计和试样制备。混凝土样品包括 100 毫米的立方体和 100 × 200 毫米的圆柱体，均在受控条件下固化。
通过抗压和劈裂拉伸试验评估了最终的机械强度。为评估内部均匀性和质量，进行了非破坏性 UPV 测试，并使用场发射扫描电子显微镜 (FE-SEM) 和显微计算机断层扫描 (Micro-CT) 进行了微观结构分析。
结果显示
最突出的配方是 0.06 % 的氧化石墨烯 (GO) 与 0.5 % 的 SF 结合使用，与对照样品相比，抗压强度提高了近 60%。研究人员将这种改进归因于两个主要效应： GO 能够通过促进水化和封闭孔隙使水泥基体致密化，而 SF 则能够弥合裂缝并增强韧性。
氧化石墨烯似乎还能延缓裂纹的产生和增长，从而实现一种韧性更强、裂纹更细小、分布更均匀的失效模式，非常适合要求负载弹性的结构应用。
UPV 测试证实了机械研究结果。脉冲速度与抗压强度密切相关（R2 ≈ 0.97），尤其是在 GO-SF 混合材料中，这凸显了 UPV 作为非侵入式质量指标的可靠性。
微观结构近距离观察
FE-SEM 和 Micro-CT 成像证实，含有 GO 和 SF 的样品空隙更少，水化产物分布更密集。氧化石墨烯似乎是水化反应的催化剂，而钢纤维则有助于管理内部应力，限制裂纹生长。
结果是一种集成度很高的复合材料，具有更高的耐用性、强度和长期性能，是满足先进建筑需求的有力候选材料。
展望未来
这项研究说明了将纳米材料与传统加固策略相结合的价值，从而创造出不仅更坚固而且更智能的混凝土。通过增强微观结构和宏观行为，这种混合方法有助于满足对高性能、耐用基础设施日益增长的需求。
期刊参考
Samraj R., & Pannem, R. M. R. (2025).
Incorporation of 2D nanomaterial – Graphene Oxide (GO) in fibre reinforced cementitious composites: impact on hydration, mechanical and microstructure characteristics
Nano Express, 6, 035008.
DOI: 10.1088/2632-959X/adef1d
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/2632-959X/adef1d
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