碳納米管混凝土的應(yīng)用研究綜述

袁文宇 （東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 概述

目前，我國對水泥基材料及混凝土的材料研究雖較廣泛，但是對于其相關(guān)性能的研究并沒有達(dá)到十分完善的地步，水泥混凝土仍然存在著脆性大、多孔隙且綜合壽命周期短的問題。

隨著科技的進(jìn)步，1991年日本學(xué)者Sumio Iijima最新發(fā)現(xiàn)了碳納米管（Carbon nanotubes,CNTs）這種納米材料。這一新發(fā)現(xiàn)引起了后續(xù)學(xué)者對碳納米管展開了不同方面的相關(guān)研究[1]。碳納米管根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同有單壁（SWCNTs）和多壁（MWCNTs）兩種形式。目前的科技水平對于SWCNTs的制作提取要求較高，因此其價(jià)格也高于MWCNTs。此外，CNTs是一種一維的納米材料，具有十分完美的力學(xué)結(jié)構(gòu)。其長徑比非常大，且具有極好的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到了50～200GPa，與鋼的基本材料性能相比較，其抗拉強(qiáng)度，密度和彈性模量分別是后者的100倍、1/6倍和5倍[2]。因此，目前有不少學(xué)者開展了將碳納米管作為增強(qiáng)材料摻入混凝土中，研究了碳納米管混凝土的多種性能。

2 碳納米管分散性研究

雖然CNTs具有極好的力學(xué)材料性能，但目前開展的研究發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在的范德華力有著較大的作用，使其在摻入水泥基中會比較容易產(chǎn)生團(tuán)聚的現(xiàn)象，且其與水和其他溶劑的相容性較差。因此不少學(xué)者對CNTs在分散性展開了十分重要的研究。目前對研究CNTs的分散方法主要有物理和化學(xué)的兩種分散方法。物理法有機(jī)械攪拌法、電場誘導(dǎo)法和超聲波處理等方法，化學(xué)法有強(qiáng)酸氧化、表面活性劑處理和原位生長合成法等。

李庚英[3]在制備碳納米管水泥砂漿時(shí)采用的是快速攪拌法，主要是先將主材料水泥和碳納米管放一起先進(jìn)行攪拌，大約持續(xù)拌勻5m in，然后再放入砂持續(xù)拌勻2m in，最后再結(jié)合消泡劑，大約拌勻3m in以消除在試驗(yàn)攪拌過程中所產(chǎn)生的泡沫。試驗(yàn)表明制備的碳納米管水泥砂漿較空白試件具有較好的力學(xué)性能和密實(shí)性。

羅健林[4]用多種方法對CNTs的分散性進(jìn)行了研究。主要是采用了普通的超塑化劑法、纖維分散劑攪拌法、利用四種SAA進(jìn)行CNTs修飾法、超聲波分散法、酸氧化共價(jià)修飾法和電場誘導(dǎo)法等制得了不同的分散液。結(jié)果表明，綜合考慮在分散處理時(shí)間的基礎(chǔ)上，相比其他方法，將碳納米管在水中分散采用個(gè)別SAA的表面修飾具有較好的分散效果，再同時(shí)結(jié)合高速均質(zhì)攪拌法制備水泥基材料將有更好的復(fù)合分散效果。

王寶民[5]采用了阿拉伯膠和超聲分散法制得了MWCNTs的水性分散液，利用紫外/可見光光度計(jì)和TEM分析了制得的懸浮液分散效果。結(jié)果表明，當(dāng)阿拉伯膠分散劑的質(zhì)量濃度適當(dāng)時(shí)，能夠有效的改善MWCNTs在水性體系中的團(tuán)聚現(xiàn)象。并且經(jīng)TEM觀察，在MWCNTs懸浮液中加入阿拉伯膠后，MWCNTs主要呈現(xiàn)出分布式散開，團(tuán)聚現(xiàn)象較少。

2017年牛曉偉[6]采用了膠體研磨和硅烷偶聯(lián)劑方法，制得了碳納米管分散液，并制備了多壁碳納米管/水性環(huán)氧樹脂復(fù)合改性多孔水泥混凝土，測試了復(fù)合改性混凝土的滲水性能和彎曲性能。結(jié)果表明，從TEM圖分析只采用研磨處理的碳納米管，在純水介質(zhì)中，分散效果仍較差。但在水性環(huán)氧固化劑乳液中分散時(shí)，同時(shí)結(jié)合硅烷偶聯(lián)劑，則分散效果較好，團(tuán)聚現(xiàn)象較少。此外，在適量摻量下對于復(fù)合改性的碳納米管混凝土的滲水性能和彎曲性能均高于單一改性的混凝土試件和空白試件。

3 碳納米管混凝土復(fù)合材料性能研究

目前，許多學(xué)者對碳納米管水泥基材料的性能研究較多，而有關(guān)碳納米管混凝土的性能研究還相對較少。主要有研究了碳納米管混凝土抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗裂性能、收縮性能和導(dǎo)電性能等。

2015年汪洪菊[7]進(jìn)行了將碳納米管單摻入混凝土中，制備了碳納米管混凝土，測試了試件的立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。結(jié)果表明，碳納米管的摻入對混凝土的抗壓強(qiáng)度提升幅度并不明顯，而對劈裂抗拉強(qiáng)度提升的效果顯著。當(dāng)摻量為0.3%時(shí)，抗壓強(qiáng)度只提升了 2.1%，但劈裂抗拉強(qiáng)度顯著提升了17.6%。

2016年王建雷[8]將四種不同摻量的碳納米管摻入混凝土中，研究了其和易性、凝結(jié)時(shí)間和導(dǎo)電性能。結(jié)果表明，碳納米管的摻入，混凝土的坍落度和凝結(jié)時(shí)間減??；當(dāng)摻量大于0.5%時(shí)，混凝土的粘聚性和保水性變差。此外，不同摻量下碳納米管混凝土導(dǎo)電性能均比空白試件好，但對于早期影響并不顯著，并且當(dāng)摻量大于0.3%后，導(dǎo)電性能改善效果不明顯。

2018年劉洋洋[9]進(jìn)行了采用等離子體技術(shù)預(yù)先處理碳納米管，制備了改性和未改性的碳納米管混凝土，并與空白混凝土試件進(jìn)行了抗壓試驗(yàn)和抗裂試驗(yàn)對比。結(jié)果表明，摻有不同摻量改性碳納米管的混凝土試件其抗壓強(qiáng)度和抗裂強(qiáng)度均比空白試驗(yàn)組要高，在摻量為0.3%時(shí)，抗壓強(qiáng)度和抗裂強(qiáng)度分別最大提高了 5.8%和13.5%，而摻有0.05% 和0.1%未改性的碳納米管混凝土試件抗壓強(qiáng)度低于空白試件。對于抗裂強(qiáng)度則不同，當(dāng)摻量為0.05%和 0.1%時(shí)，未改性碳納米管混凝土試件抗裂強(qiáng)度比空白試件分別提高和降低。分析原因，改性處理的碳納米管有較好的分散性。當(dāng)水灰比一定時(shí)，水的質(zhì)量也是固定的，因此用來分散碳納米管的空間也是有限的，過多的碳納米管則存在團(tuán)聚現(xiàn)象，分散較差導(dǎo)致混凝土試件出現(xiàn)窩峰、微孔洞現(xiàn)象，從而力學(xué)性能反而會下降。

2018年宋曉濱[10]制備了摻有五種不同摻量的工業(yè)級碳納米管混凝土，進(jìn)行了立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和棱柱體柱反復(fù)加載試驗(yàn)。結(jié)果表明，在摻量為0.15%時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大提升了30.5%；并通過柱的反復(fù)加載試驗(yàn)得出結(jié)論，碳納米管的摻入能夠有效減少柱破壞時(shí)的裂縫，提升了延性。

2019年翁梅[11]利用超聲波分散法制備了在同一水灰比下?lián)接袃煞N不同摻量的碳納米管混凝土。測試了其抗折強(qiáng)度、收縮性能和環(huán)形約束等試驗(yàn)并進(jìn)行了相關(guān)分析。結(jié)果表明，摻有碳納米管的混凝土其抗折強(qiáng)度和收縮應(yīng)變分別隨著碳納米管的摻量增加的規(guī)律是增大和減小。當(dāng)最大摻量為0.4%時(shí)，抗折強(qiáng)度提高了21.3%，收縮應(yīng)變減小了18.4%。由環(huán)形開裂約束試驗(yàn)得出結(jié)論，碳納米管有著較好的橋聯(lián)作用，提高了混凝土的抗開裂性能。

4 結(jié)論與展望

綜上所述，將分散性良好且適量的碳納米管摻入水泥基中提升了水泥基復(fù)合材料的密實(shí)性，增強(qiáng)了其力學(xué)性能。但是，目前對于碳納米管混凝土的研究相對較少，作用機(jī)理缺乏更進(jìn)一步的深入研究。

目前，將碳納米管大規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用仍存在一定的技術(shù)困難。未來通過科技技術(shù)制備出更加低價(jià)、強(qiáng)度高和穩(wěn)定性好的碳納米管具有重大意義。另外，對于碳納米管混凝土的作用機(jī)理，從碳納米管的微觀結(jié)構(gòu)角度以及與外加劑的相容性進(jìn)行分析得出更加完善的結(jié)論。