碳納米管在水泥基復合材料中的研究綜述

黃有棟

（廣西大學 土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004）

混凝土是一種自重大、抗拉強度低、變性能力較差與韌性較低的材料，為了改善混凝土的某些性能，使其能更好地滿足人們的要求，人們常將某些改性纖維加入混凝土的制備中?；炷晾镉捎谟行阅茌^強的纖維，且這種纖維不僅能在混凝土材料里起到骨架作用，還能分散地與水泥基復合材料混雜在一起以此來抑制尺寸較大的裂縫的擴展，從而達到提升混凝土變形能力的目的。增強纖維雖然能夠有效抑制大尺度裂縫的擴展，但對材料中的微裂縫往往不能達到很好的抑制效果。為了解決這一問題，學者們開始嘗試生產出尺寸更小的纖維，也使人們對納米材料有了新的認識。納米材料增強水泥基復合材料的基本原理是，當納米材料存在于水泥基中時，這些納米材料不僅能使水泥基內部裂縫開展的速度大大降低，還能填充水泥基內部的孔隙使水泥基變得更加致密，由此納米材料便可顯著提高水泥漿體的某些性能。并且納米材料還能使水泥基復合材料實現(xiàn)一系列的功能，如聲、光、電、電磁熱等，使水泥基材料能夠自我診斷和自我調節(jié)，使混凝土向智能化、高性能方向發(fā)展。

1.碳納米管的出現(xiàn)

碳納米管是在1991年發(fā)現(xiàn)的，當時高分辨率的電子顯微鏡顯示了石墨的直流放電產物是電極組件的一維納米材料，碳納米管具有完美的六邊形結構。每個納米管是一個圓柱形的表面，由一個六角形的平面和完全連接的碳原子和SP2雜化的碳原子組成。SWCNTs和MWCNTs是無縫空心管形成空管，多層碳原子纏繞形成多壁管，層間容易形成陷阱。SWCNTs由石墨組成，誤差小，對稱性和均勻性高。碳納米管的典型管徑為2 nm～100nm，長度為0.1 um～50 um。多壁碳納米管（MWCNTs）價格低廉，常用作復合材料的增強體和功能體。目前，使用的基體材料有聚合物、金屬、陶瓷和水泥基。

性能優(yōu)異的碳納米管拉伸強度為50%～200%GPa，楊氏模量為1000Gpa，彎曲后可重新恢復，軸向伸長率為20%，彈性應變?yōu)?%，碳納米管直徑為納米，長度為微米，其長徑比可達100%～1000。

隨著納米材料技術得到快速的發(fā)展，碳納米管不斷被學者們運用到了建筑領域，擴大了水泥材料的運用廣度。一方面，由于碳納米管的尺寸和優(yōu)異的力學性能，可以在水泥基材料中，起到納米填充、橋接和拉伸的作用，加入小碳納米管可以降低水泥基材料的孔隙率，提高力學性能，另一方面促進了水泥基材料的發(fā)展，碳納米管具有良好的導電性和導熱性導電性，水泥材料可以實現(xiàn)自我感知和自我控制，使水泥基復合材料向多功能方向發(fā)展。

碳納米管從發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在，已經被許多的學者應用于金屬和陶瓷領域，而在水泥基復合材料中的應用還比較少，而且重點主要集中在機電領域，碳納米管水泥基復合材料相關耐久性的研究仍然處于初級階段段，并且當前我國正大力發(fā)展基建，建筑物也都往高層與超高層方向發(fā)展，所以耐久性對于建筑物來說非常重要，因為它對建筑物的使用安全性及服役年限有著顯著的影響，而高層和超高層建筑對耐久性又有著更高的要求，為此對碳納米管在水泥基復合材料耐久性的影響規(guī)律的探究很重要。

2.碳納米管的制備

目前人們嘗試了多種方法對碳納米管進行了制備，如激光蒸發(fā)、石墨電弧、高溫分解等，其中最主要的方法要是電弧放電、激光蒸發(fā)、催化熱解。然而，使用這些方法制備出的碳納米管，往往含有催化劑顆粒物和非晶態(tài)雜質，因此還需對碳納米管進行提純[1,2]。目前，學者們亦提出了一些方法來提純碳納米管，如離心分離法、氣相沉積法、如氧化法與過濾法等，但單憑一種方法對碳納米管的處理往往不能達到預期的效果，為了能使碳納米管凈化更徹底，需要多種方法一起使用來提純碳納米管。

3.碳納米管水泥基復合材料研究進展

3.1 國外研究現(xiàn)狀

最早研究的是Campillo等人[3]，他們發(fā)現(xiàn)水泥基復合材料被摻入兩種類型的碳納米管，且養(yǎng)護14d以后，水泥基的抗壓強度都得到了明顯的提高，且還發(fā)現(xiàn)復合材料強度受多壁碳納米管分散程度的影響較顯著。

2007年，Chan Laiyin和Andrawes[4,5]使用有限元模擬研究了碳納米管對水泥抗拉強度和延展性的提高作用。數(shù)值模擬結果表明界面剪切強度、楊氏模量、長徑比、殘余粘結應力等參數(shù)間的相互影響較大。

2019年，Rocha等[6]研究了分散于異丙醇中的CNTs覆蓋在水泥顆粒表面后凈漿的力學行為。結果表明，雖然會減小稠度，延長終凝，但如果分散效果良好，并與水泥水化產物適當結合，當CNTs摻量為0.10%時，試件的斷裂能增加90%，抗彎強度增加46%，抗拉強度增加47%。最終還通過SEM證實分散過程的有效性，因此CNTs能為水化產物提供成核位點，可以作為增強材料使用。

3.2 國內研究現(xiàn)狀

國內對碳納米管水泥的性能進行了一些研究。21世紀初，李庚英、王培銘[7]發(fā)現(xiàn)低碳納米管含量對水泥的抗壓強度和抗折強度有較好的影響。對水泥基體材料的微觀研究還發(fā)現(xiàn)，碳納米管改善了水泥砂漿的孔隙度，降低了孔隙率，使材料更加致密。

2010年，韓寶國、歐進萍[8]對MWCNTs水泥基復合材料的壓阻特性進行了探究。他們發(fā)現(xiàn)復合材料中的含水率顯著影響著材料的壓縮電阻敏感性，但含水率與壓電電阻率之間并非線性關系，MWCNTs針對水泥基復合材料的作用機理是它的存在對接觸電阻進行了改變。

2015年，李偉文等[9,10]探究了在凍融環(huán)境下，碳納米管對水泥基復合材料力學與阻尼性能作用規(guī)律。通過對水泥基復合材料內部孔隙的觀察發(fā)現(xiàn)，在凍融作用下，碳納米管在一定程度上提高了試件的收縮強度、失水率和軸向抗壓強度。

4.結論與展望

碳納米管從被人們發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在，已經被人們運用到多個領域，且都取得了矚目的成果。但我們可以注意到，針對碳納米管與水泥基材料復合的研究還比較少，與電氣等領域的研究成果相比，碳納米管水泥復合材料的研究還處于初級階段，相關成熟的理論還很少。并且針對當前以及未來幾年國家大力發(fā)展基建的背景下，耐久性能對材料使用安全性及服役年限的重要性會日漸凸顯，高層和超高層建筑對材料的耐久性能也會因此要求更高。為此，研究碳納米管水泥復合材料改變壽命性方面的作用特別重要，而且是必要的，也是未來碳納米管研究的一個熱點方向，具有廣闊的研究和應用前景。