碳納米管水泥基復(fù)合材料的研究綜述

王兵 朱洲萍 閔金偉 林澤樺

摘 要：在廣大學(xué)者的共同努力下，關(guān)于碳納米管水泥基復(fù)合材料的性能研究越來越多，已取得了一些研究成果。基于此，本文對(duì)碳納米管在水泥基復(fù)合材料中的應(yīng)用研究進(jìn)行綜述，包括碳納米管在水泥凈漿中的應(yīng)用研究，碳納米管在混凝土中的應(yīng)用研究，碳納米管在砂漿中的應(yīng)用研究。

關(guān)鍵詞：碳納米管;水泥基;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TQ172.1;TB332 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）18-0092-03

Abstract： With the joint efforts of many scholars， there are more and more researches on the properties of carbon nanotube cement matrix composites， and some achievements have been made. Based on this， this paper summarizes the application research of carbon nanotubes in cement-based composites， including the application research of carbon nanotubes in cement paste， the application research of carbon nanotubes in concrete and the application research of carbon nanotubes in mortar.

Keywords： carbon nanotubes;cement-based;mechanical properties

由于混凝土的凝結(jié)硬化特性，其內(nèi)部往往存在大量的原生微裂縫、空隙與缺陷。在混凝土工作時(shí)，裂紋從內(nèi)部產(chǎn)生，并逐漸發(fā)展擴(kuò)張為宏觀裂縫。如何有效阻止混凝土中微裂縫的發(fā)展，成為眾多學(xué)者研究的方向。AL-RUB R[1]通過掃描式電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）觀察到碳納米管能有效約束混凝土內(nèi)部的微裂縫。碳納米管存在纖維橋聯(lián)現(xiàn)象和拔出斷裂現(xiàn)象，可限制微裂縫的發(fā)展，因此改善了其力學(xué)性能[2-4]。碳納米管纖維拔出斷裂如圖1所示，其中CNT為碳納米管，C-S-H為水化硅酸鈣。基于該研究，納米材料已經(jīng)引起了人們的關(guān)注，能夠加強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的性能。

碳納米管具有良好的物理性能，能夠較好地與水泥基復(fù)合材料結(jié)合，加強(qiáng)其力學(xué)性能。它的電鏡掃描圖，如圖2所示。目前，關(guān)于碳納米管水泥基復(fù)合材料在工程中的具體應(yīng)用較少。本文查閱論文綜述碳納米管在水泥基復(fù)合材料中的應(yīng)用和相關(guān)材料的力學(xué)性能研究，總結(jié)問題，以期為工程應(yīng)用和施工提供參考。

1 碳納米管在水泥基復(fù)合材料中的應(yīng)用研究

1.1 碳納米管在水泥凈漿中的應(yīng)用研究

碳納米管在水泥凈漿中應(yīng)用的相關(guān)研究較早，普遍認(rèn)為適量應(yīng)用碳納米管能大幅度提高水泥凈漿的力學(xué)性能。黎恒軒等人在水泥凈漿中摻入多壁碳納米管，從微觀結(jié)構(gòu)出發(fā)，研究其對(duì)水泥凈漿力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，多壁碳納米管能夠同時(shí)提高水泥凈漿的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。當(dāng)摻量為0.3%時(shí)，它的強(qiáng)度最高可提高31.6%[5]。楊志剛等人通過不同齡期和不同碳納米管摻量研究水泥凈漿抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度及韌性。結(jié)果表明，當(dāng)摻入0.10%碳納米管時(shí)，水泥凈漿試件的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均有較明顯的提高;當(dāng)摻入0.05%碳納米管時(shí)，水泥凈漿試件的韌性指數(shù)較大[6]。

NOCHAIYA T等人在水泥凈漿中摻入多壁碳納米管，研究水泥凈漿孔結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果表明，摻入0.5%和1.0%的多壁碳納米管，水泥凈漿的總孔隙率分別降低了25.5%和22.7%[7]。可見，多壁碳納米管的摻入能改善水泥凈漿總孔隙率，但不宜摻入過多。趙晉津等人使用Na2SO4溶液浸泡水泥凈漿7 d后發(fā)現(xiàn)，摻入少量碳納米管能使水泥凈漿斷面結(jié)構(gòu)更致密，增強(qiáng)了水泥基材料的抗離子侵蝕能力[8]。

1.2 碳納米管在混凝土中的應(yīng)用研究

混凝土也是一種常見的水泥基復(fù)合材料，本身存在大量缺陷。在混凝土中摻入碳納米管能改善其綜合性能，是一個(gè)重要的研究方向。汪洪菊通過正交試驗(yàn)確定最佳基準(zhǔn)配比后，在混凝土中摻入碳納米管[9]。研究表明，混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度提升效果顯著。王建雷等人將不同摻量的碳納米管摻入混凝土，研究其對(duì)混凝土性能的影響[10]。結(jié)果表明，混凝土的流動(dòng)性和凝結(jié)時(shí)間縮短。劉洋洋等人對(duì)普通混凝土、碳納米管混凝土和改性碳納米管混凝土進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)[11]。結(jié)果表明，改性碳納米管混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗裂強(qiáng)度均比普通混凝土大;未改性碳納米管也能增加混凝土的抗壓強(qiáng)度，但抗裂強(qiáng)度不同;對(duì)于碳納米管混凝土，碳納米管對(duì)混凝土的影響沒有明顯規(guī)律。

梁雲(yún)憑等人對(duì)不同摻量的工業(yè)級(jí)碳納米管混凝土進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和棱柱體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。結(jié)果表明，在混凝土中摻入0.15%碳納米管時(shí)，可以最大幅度提升混凝土的抗壓強(qiáng)度和延性[12]。翁梅等人使用超聲波分散法制備兩種不同摻量的碳納米管混凝土，并進(jìn)行了混凝土的相關(guān)力學(xué)性能試驗(yàn)。結(jié)果表明，摻有碳納米管的混凝土抗折強(qiáng)度和收縮應(yīng)變分別隨著碳納米管摻量的增加先增大后減小[13]。阮燕鋒對(duì)加入不同摻量的多壁碳納米管在低應(yīng)變下進(jìn)行抗沖擊試驗(yàn)。結(jié)果表明，在低應(yīng)變下，素混凝土試件破壞成數(shù)十個(gè)小塊體，而摻加碳納米管的混凝土試件的塊體尺寸明顯大于素混凝土試件[14]。碳納米管混凝土作為新型材料不僅具有強(qiáng)度高和耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，而且能促進(jìn)混凝土的水化作用，優(yōu)化混凝土材料的微觀結(jié)構(gòu)，提高水泥石與骨料間的黏結(jié)性能，減少混凝土材料的內(nèi)部缺陷[15-17]。將碳納米管與其他種類纖維混摻入混凝土，是當(dāng)下碳納米管研究的熱點(diǎn)。尹鵬等人將碳納米管和鋼纖維分別單獨(dú)摻入混凝土，以及將兩者混合摻入混凝土，通過相關(guān)力學(xué)試驗(yàn)對(duì)比不同纖維材料對(duì)混凝土抗壓和抗沖擊性能的改善。試驗(yàn)結(jié)果表明，碳納米管和鋼纖維均能提高混凝土的抗壓性能和抗沖擊性能，且當(dāng)鋼纖維摻量為1%、碳納米管的摻量為0.3%時(shí)，它對(duì)混凝土的加強(qiáng)效果最明顯[18]。

1.3 碳納米管在砂漿中的應(yīng)用研究

碳納米管在砂漿中的應(yīng)用相對(duì)較少，因?yàn)閷?shí)際工程中碳納米管難以與砂漿均勻融合，易留在泥漿中流失而無法發(fā)揮其真正的作用。WANG B等人在水泥砂漿中摻入碳納米管，隨著碳納米管摻量的不斷增大，水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在摻量為0.9%時(shí)，碳納米管水泥砂漿的力學(xué)強(qiáng)度甚至要小于普通水泥砂漿[19]。劉愛紅等人通過試驗(yàn)研究了不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下不同摻量的碳納米管對(duì)水泥砂漿強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明，隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間的增加，碳納米管水泥砂漿抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度不斷增加[20]。郭培培測試多壁碳納米管砂漿在不同應(yīng)力水平下的疲勞試驗(yàn)，結(jié)果與素砂漿相比，加入碳納米管的砂漿疲勞性能改善明顯，普遍可以提高幾十萬次[21]。但是，當(dāng)摻量過多時(shí)，加入碳納米管的砂漿的疲勞性能不增反降?？梢?，在水泥砂漿中加入少量碳納米管能大幅提高其力學(xué)性能。李相國等人使用電鏡掃描技術(shù)觀察碳納米管在砂漿孔隙中的填充情況，其電鏡掃描圖如圖3所示，發(fā)現(xiàn)碳納米管在空隙中形成了局部網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有很好的橋聯(lián)作用，不僅提高了砂漿的韌性，也減小了砂漿內(nèi)部微裂縫的長度和寬度[22]。

2 結(jié)語

根據(jù)已有的研究成果可知，碳納米管的摻入有助于提高碳納米管水泥基復(fù)合材料的強(qiáng)度。低摻量的碳納米管能使水泥基體結(jié)構(gòu)更密實(shí)，減小基體內(nèi)微細(xì)孔洞，起到抑制其裂縫發(fā)展、增強(qiáng)其韌性、增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的各項(xiàng)力學(xué)性能等作用。但是，當(dāng)碳納米管摻量過多時(shí)，水泥基復(fù)合材料的強(qiáng)度會(huì)有所下降。此外，碳納米管的增強(qiáng)效果與養(yǎng)護(hù)時(shí)間有關(guān)。養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長，增強(qiáng)效果越明顯。如何定量確定碳納米管在水泥管基復(fù)合材料中的摻量，使其最大程度發(fā)揮作用，將是下一步的研究重點(diǎn)。

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