ACS Applied Materials & Interfaces:Replacement of Concrete Aggregates with Coal-Derived Flash Graphene.pdf

一、亮点/创新点

本篇文献的亮点和创新之处在于利用快速焦耳加热技术（FJH）将煤基冶金焦（MC）转化为闪蒸石墨烯骨料（FGA），并将其作为天然骨料（NA）的完全替代品用于混凝土中。这种方法不仅实现了混凝土重量的25%减轻，还提高了混凝土的韧性、峰值应变和比压缩强度分别增加了32%、33%和21%，同时仅使比杨氏模量略有下降11%。这一技术为减轻混凝土重量、提高其力学性能提供了一种新途径，同时也为煤基材料的高值化利用和全球混凝土适用砂的短缺问题提供了解决方案。

二、研究背景

本篇文献的研究背景主要包括以下几点：

（1）全球混凝土使用量巨大，导致适用砂短缺问题日益严重，迫切需要寻找天然骨料的替代材料。

（2）煤炭作为一种重要的能源和化工原料，在焦化过程中产生的煤基冶金焦（MC）资源丰富但利用效率不高，需要寻求高值化利用路径。

（3）传统混凝土骨料的替代材料多数存在成本高、资源有限或性能不足等问题，亟需开发新型高性能、低成本、资源丰富的混凝土骨料。

（4）闪蒸石墨烯（Flash Graphene）作为一种新兴材料，具有轻质、高强度等特性，但其在建筑材料中的应用尚处于探索阶段。

三、研究方法

本篇文献的研究方法主要包括以下几个步骤：

（1）使用快速焦耳加热技术（FJH）将煤基冶金焦（MC）转化为闪蒸石墨烯骨料（FGA）。

（2）对所得FGA进行物理和化学性质的详细表征。

（3）将FGA作为混凝土的完全替代骨料，制备不同比例（包括100%替代）的混凝土试件。

（4）通过一系列的力学测试（如压缩强度、弯曲强度等）和微观结构分析（如扫描电子显微镜SEM），评估FGA混凝土的性能。

（5）与传统天然骨料混凝土的性能进行对比，以验证FGA的效果和优势。

四、研究结果和主要结论

1.本篇文献的研究方法包括以下几个关键步骤：

（1）原料选择与准备：选择煤基冶金焦（MC）作为原材料，考虑到其高碳含量及高导电性，是转化为闪蒸石墨烯的理想原料。

（2）闪蒸石墨烯的制备：利用快速焦耳加热技术（FJH）将煤基冶金焦转化为闪蒸石墨烯（FGA）。这一步骤是实验的核心，通过控制加热速率和时间，优化石墨烯的产率和质量。

（3）混凝土骨料的替代：将制备的闪蒸石墨烯骨料（FGA）用作天然骨料（NA）的完全替代品，按比例加入混凝土中进行混合和固化。

（4）性能测试：对比测试替代后的混凝土与传统混凝土在重量、韧性、峰值应变、比压缩强度和比杨氏模量等方面的性能差异。

（5）分析与评估：基于实验结果，分析闪蒸石墨烯骨料替代对混凝土性能的影响，评估其在实际应用中的潜力和可行性。

通过这些研究方法，文章旨在探索一种新型混凝土骨料的制备途径，以及评估其在提高混凝土性能和解决资源短缺问题上的效果。

2.本篇文献的研究结果和主要结论包括：

（1）闪蒸石墨烯骨料的成功制备：通过快速焦耳加热技术将煤基冶金焦转化为闪蒸石墨烯骨料，为混凝土提供了一种新型的轻质骨料。

（2）混凝土性能的显著提升：使用闪蒸石墨烯骨料替代天然骨料后，混凝土的重量减轻了25%，韧性、峰值应变和比压缩强度分别提高了32%、33%和21%，而比杨氏模量仅略有下降（11%）。

（3）环境和资源利用的双重优势：该研究不仅提出了一种减轻混凝土重量、提高其力学性能的新方法，而且为煤基材料的高值化利用和缓解全球混凝土适用砂短缺问题提供了有效解决方案。

（4）未来应用潜力：闪蒸石墨烯骨料的应用展现了在建筑材料领域内实现资源高效利用和环境可持续发展的潜力，为混凝土行业提供了新的材料选择和技术路径。

这些结论表明，通过将煤基冶金焦转化为闪蒸石墨烯骨料并应用于混凝土中，可以有效提升混凝土的性能，同时解决资源利用和环境保护的问题。

五、后续研究改进

根据文献内容和研究成果，未来的后续研究和改进方向可以包括：

（1）优化闪蒸石墨烯的制备工艺：进一步研究和优化快速焦耳加热技术，以提高闪蒸石墨烯的产率和质量，降低生产成本。

（2）深入探索闪蒸石墨烯骨料的比例调整：研究不同比例的闪蒸石墨烯骨料对混凝土性能的具体影响，找到最优的替代比例以实现更好的力学性能和经济效益。

（3）扩展到其他类型的混凝土：将闪蒸石墨烯骨料应用于高性能混凝土、轻质混凝土等其他特种混凝土中，探索其在不同混凝土体系中的应用潜力。

（4）环境影响评估：进行更全面的环境影响评估，包括生命周期分析（LCA）等，以确保新型混凝土骨料的生产和使用过程对环境友好。

（5）耐久性研究：对闪蒸石墨烯增强混凝土的长期性能和耐久性进行深入研究，包括其在不同环境条件下的性能表现。

（6）实际工程应用测试：在实际工程项目中应用闪蒸石墨烯增强混凝土，评估其在实际应用中的性能和经济效益，为其商业化应用提供依据。

（7）探索闪蒸石墨烯在其他材料中的应用：除了混凝土，还可以探索闪蒸石墨烯在塑料、金属、陶瓷等其他材料中的应用潜力，以实现更广泛的高值化利用。

通过这些后续研究和改进，可以进一步提升闪蒸石墨烯增强混凝土的性能，扩大其应用范围，同时更好地解决资源利用和环境保护的挑战。