納米碳纖維在水泥基材料中的研究與應用進展

丁鵬

摘 要：納米碳纖維作為一種新型材料，具有高強度，高彈性模量等力學上的優異特性。通過單軸抗壓試驗和劈裂試驗，測試了摻加3種類型納米碳纖維的普通混凝土和自密實混凝土的基本力學性能，并討論其最優摻量。實驗結果表明： 適當摻量且纖維分散良好的納米碳纖維混凝土28d抗壓強度和劈裂強度均有不同程度的提高，表明納米碳纖維對于混凝土材料力學性能有很好的增強作用。

關鍵詞：納米碳纖維；高強混凝土；抗壓強度；劈裂強度

一、納米碳纖維的現狀

迄今為止，在建筑土木工程領域，憑借其抗壓強度高、來源廣泛、價格低廉等優點，水泥混凝土是使用量最大、應用最為廣泛的結構材料。然而隨著建筑結構不斷向多功能化、高層化發展，水泥混凝土材料也正在從傳統的結構材料向綠色、高強高性能、多功能智能化的方向轉變。普通水泥混凝土屬于一種脆性材料，韌性差，抗拉強度低，在建筑工程的使用中極易產生大量的微裂縫，嚴重影響建筑結構的使用壽命，因此如何增強水泥混凝土的韌性，提高其安全性和耐久性成為了當今研究學者們研究水泥混凝土材料的核心問題。其次，在近期的水泥混凝土研究中，宏觀纖維（碳纖維、聚乙烯醇纖維等）作為增強材料加入到水泥混凝土中以提高其力學性能，同時根據宏觀纖維的本身特點對在役土木結構工程的安全性進行監測和評定，功能型水泥混凝土的研究得到了廣泛關注和長期發展。但由于這些宏觀纖維本身就是一種脆性材料，并且宏觀纖維只能抑制結構微裂縫的發展，不能在微觀尺度上抑制裂縫的形成。因此，在水泥基材料的研究中，考慮引入納米級導電纖維，一方面能夠控制微裂縫的形成，從而大范圍的提高水泥基材料的力學性能和耐久性性能；另一方面憑借納米纖維本身的優良吐能，將水泥基材料制備成導電、導熱等功能型復合材料，使水泥基復合材料向多功能化、智能化方向發展。

納米碳纖維（Carbon Nanofibers），簡稱CNFs，是化學氣相生長碳纖維的一種形式，是通過裂解氣相碳氫化合物而制備出的一種非連續的納米級尺寸石墨纖維[1]碳纖維的平均直徑約為50-100 nm，長度為0.5-100 }.m。納米碳纖維的平均抗拉強度為7 GPa平均彈性模量為400 GPa。憑借其優越的性能，納米碳纖維已經廣泛應用于聚合物、生物科學、場發射等領域。

由于納米碳纖維具有較大的長徑比和較強的范德瓦爾斯力，納米碳纖維極易團聚纏繞在一起，無法有效增強基體的性能。納米碳纖維的分散效果直接影響復合材料的性能，因此如何提高納米碳纖維的分散性能，成為制備納米碳纖維增強水泥基復合材料的前提準備工作。對于納米碳纖維的分散問題，本文進行了如下研究：

（1）采用多種分散劑（甲基纖維素，經丙基甲基纖維素，十二烷基硫酸鈉，十二胺，N，N一二甲基甲酞胺，十六烷基三甲基澳化錢）以單摻和復摻的方式制備納米碳纖維懸浮液，并對懸浮液進行紫外可見光吸光度（UV-vis ）測試。結果表明，當分散劑單摻時，十二烷基硫酸鈉對納米碳纖維在水溶液中的分散效果最佳，甲基纖維素和輕丙基甲基纖維素對納米碳纖維懸浮液的分散穩定性效果最佳；當分散劑復摻時，十二烷基硫酸鈉和甲基纖維素的組合對納米碳纖維在水溶液中的分散效果最佳。當CMC：CsDS=I ：5時，納米碳纖維能夠在水性體系中均勻分散。此時納米碳纖維懸浮液的分散程度最佳，而且納米碳纖維懸浮液的穩定性良好。

（2）采用甲基纖維素作為分散劑對納米碳纖維在水溶液中的分散性能進行了探索和研究。通過測定懸浮液的紫外可見光吸光度（UV-vis ）、等溫吸附曲線、zeta電位及表面張力等方法研究了甲基纖維素對納米碳纖維分散性能的影響，并討論分析了甲基纖維素對納米碳纖維的分散機理。

二、國外研究進展

納米碳纖維增強型復合材料中，研究較多的基體材料主要為金屬基、聚合物基等，有關水泥基材料為基體的復合材料的研究較少，目前仍處于起步階段。研究的工作重點主要包括納米碳纖維在基體的分散問題、納米碳纖維水泥基復合材料的力學性能、耐久性性能等方面。

由于納米碳纖維具有高長徑比和很強的范德瓦耳斯力，因此納米碳纖維極易發生團聚纏繞現象，從而在水泥基材料中難以達到均勻分散的狀態，無法最大程度的起到增強作用。并且團聚的納米碳纖維在水泥基材料中如同引入雜質，對水泥的水化起到抑制作用，最終會影響其微觀形貌。國外學者對納米碳纖維的分散問題和納米碳纖維水泥基復合材料進行了細致的研究工作，多采用超聲處理和分散劑相結合的方式使納米碳纖維在水泥基材料中均勻分散。

三、國內研究進展

高迪[4]通過單軸抗壓試驗和劈裂試驗，測試了摻加三種類型納米碳纖維的普通混凝土和自密實混凝土的基本力學性能，并討論其最佳摻量。對于普通混凝土，使用PR-19-XT-PS型納米碳纖維，當體積摻量為0.16%時，混凝土的抗壓強度能夠提高40%以上；當體積摻量為0.78%左右時，混凝土的劈裂強度可提高5.83%。對于自密實混凝土，納米碳纖維分散相對容易，使用PR-19-XT-PS型納米碳纖維分散于SDS水溶液后應用于自密實混凝土中，平均最大的抗壓強度能夠提高13.5%。使用PR-19-XT-P S-OX型納米碳纖維并使用高效減水劑為分散劑應用于自密實混凝土中，平均最大抗壓強度能夠提高24.4%，延性也得到了增強。使用PR-19-XT-LHT-OX型納米碳纖維并使用高效減水劑為分散劑應用于自密實混凝土中，平均最大抗壓強度可提高21.4%，當納米碳纖維的體積摻量為1.5%時，混凝土的平均劈裂抗拉強度可提高7.03%。具有適當摻量且分散良好的納米碳纖維可以提高混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度，對混凝土材料有很好的增強作用。

四、結語

作為現代建材發展的主導研究方向，高性能水泥基復合材料正被眾多科研人員所研究。納米碳纖維獨特的結構及其性能上的優越性，使其能夠改善水泥基材料多方面的性能，因此納米碳纖維在水泥基材料中的應用問題成了整個研究工作中的重中之重。由于納米碳纖維極易團聚和纏結，因此納米碳纖維的分散問題急需解決，納米碳纖維的分散試劑與水泥基體的相容性問題也需要更為詳致的研究。在解決好這些問題的前提下，納米碳纖維對水泥基材料的增強效 果才能發揮到最大，同時也能解決水泥砂漿、混凝土等建筑材料脆性大的問題。隨著納米碳纖維研究的不斷深入，納米碳纖維在水泥基材料中的應用問題必將得到解決，進而成為一種優秀的水泥基材料乃至其他結構材料的增強材料 。

參考文獻：

[1]張超，楊春和.白世偉.尾礦料的動力特性試驗研究[J]巖土力學，2006，27（1）：35-40.

[2] Tyson B M， Al-Rub R A， Yazdanbakhsh A， et al. Carbon nanotubes and carbon nanofibers for enhancing the mechanical properties of nanocomposite cementitious materials [3]. Journal of Materials in Civil Engineering， 2011， 23（7）： 1028-1035.

[3]Tyson B M， Al-Rub R A， Yazdanbakhsh A， et al. A quantitative method for analyzing the dispersion and agglomeration of nano-particles in composite materials [J]. Composites Part B：Engineering， 2011， 42（6）： 1395-1403.

[4]高迪，彭立敏，MoYL.納米碳纖維混凝土力學性能的試驗研究田.鐵道科學與工程學報，2011， 8（3）： 18-24.