碳納米管水泥基復合材料的研究綜述

王兵 朱洲萍 閔金偉 林澤樺

摘 要：在廣大學者的共同努力下，關于碳納米管水泥基復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，本文對碳納米管在水泥基復合材料中的應用研究進行綜述，包括碳納米管在水泥凈漿中的應用研究，碳納米管在混凝土中的應用研究，碳納米管在砂漿中的應用研究。

關鍵詞：碳納米管;水泥基;力學性能

中圖分類號：TQ172.1;TB332 文獻標識碼：A 文章編號：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

由于混凝土的凝結硬化特性，其內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，裂紋從內部產生，并逐漸發展擴張為宏觀裂縫。如何有效阻止混凝土中微裂縫的發展，成為眾多學者研究的方向。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部的微裂縫。碳納米管存在纖維橋聯現象和拔出斷裂現象，可限制微裂縫的發展，因此改善了其力學性能[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，納米材料已經引起了人們的關注，能夠加強水泥基復合材料的性能。

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

1 碳納米管在水泥基復合材料中的應用研究

1.1 碳納米管在水泥凈漿中的應用研究

碳納米管在水泥凈漿中應用的相關研究較早，普遍認為適量應用碳納米管能大幅度提高水泥凈漿的力學性能。黎恒軒等人在水泥凈漿中摻入多壁碳納米管，從微觀結構出發，研究其對水泥凈漿力學性能的影響。結果表明，多壁碳納米管能夠同時提高水泥凈漿的抗壓強度和抗折強度。當摻量為0.3%時，它的強度最高可提高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度、抗折強度及韌性。結果表明，當摻入0.10%碳納米管時，水泥凈漿試件的抗壓強度和抗折強度均有較明顯的提高;當摻入0.05%碳納米管時，水泥凈漿試件的韌性指數較大[6]。

NOCHAIYA T等人在水泥凈漿中摻入多壁碳納米管，研究水泥凈漿孔結構變化。結果表明，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后發現，摻入少量碳納米管能使水泥凈漿斷面結構更致密，增強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用研究

混凝土也是一種常見的水泥基復合材料，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，是一個重要的研究方向。汪洪菊通過正交試驗確定最佳基準配比后，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，研究其對混凝土性能的影響[10]。結果表明，混凝土的流動性和凝結時間縮短。劉洋洋等人對普通混凝土、碳納米管混凝土和改性碳納米管混凝土進行力學試驗[11]。結果表明，改性碳納米管混凝土的抗壓強度和抗裂強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度，但抗裂強度不同;對于碳納米管混凝土，碳納米管對混凝土的影響沒有明顯規律。

梁雲憑等人對不同摻量的工業級碳納米管混凝土進行立方體抗壓強度試驗和棱柱體抗壓強度試驗。結果表明，在混凝土中摻入0.15%碳納米管時，可以最大幅度提升混凝土的抗壓強度和延性[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，并進行了混凝土的相關力學性能試驗。結果表明，摻有碳納米管的混凝土抗折強度和收縮應變分別隨著碳納米管摻量的增加先增大后減小[13]。阮燕鋒對加入不同摻量的多壁碳納米管在低應變下進行抗沖擊試驗。結果表明，在低應變下，素混凝土試件破壞成數十個小塊體，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度高和耐久性好等優點，而且能促進混凝土的水化作用，優化混凝土材料的微觀結構，提高水泥石與骨料間的黏結性能，減少混凝土材料的內部缺陷[15-17]。將碳納米管與其他種類纖維混摻入混凝土，是當下碳納米管研究的熱點。尹鵬等人將碳納米管和鋼纖維分別單獨摻入混凝土，以及將兩者混合摻入混凝土，通過相關力學試驗對比不同纖維材料對混凝土抗壓和抗沖擊性能的改善。試驗結果表明，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，且當鋼纖維摻量為1%、碳納米管的摻量為0.3%時，它對混凝土的加強效果最明顯[18]。

1.3 碳納米管在砂漿中的應用研究

碳納米管在砂漿中的應用相對較少，因為實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，水泥砂漿的抗壓強度和抗折強度均呈現先增大后減小的趨勢。在摻量為0.9%時，碳納米管水泥砂漿的力學強度甚至要小于普通水泥砂漿[19]。劉愛紅等人通過試驗研究了不同養護時間下不同摻量的碳納米管對水泥砂漿強度的影響。結果表明，隨養護時間的增加，碳納米管水泥砂漿抗壓強度和抗折強度不斷增加[20]。郭培培測試多壁碳納米管砂漿在不同應力水平下的疲勞試驗，結果與素砂漿相比，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，當摻量過多時，加入碳納米管的砂漿的疲勞性能不增反降。可見，在水泥砂漿中加入少量碳納米管能大幅提高其力學性能。李相國等人使用電鏡掃描技術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，發現碳納米管在空隙中形成了局部網絡結構，有很好的橋聯作用，不僅提高了砂漿的韌性，也減小了砂漿內部微裂縫的長度和寬度[22]。

2 結語

根據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合材料的強度。低摻量的碳納米管能使水泥基體結構更密實，減小基體內微細孔洞，起到抑制其裂縫發展、增強其韌性、增強水泥基復合材料的各項力學性能等作用。但是，當碳納米管摻量過多時，水泥基復合材料的強度會有所下降。此外，碳納米管的增強效果與養護時間有關。養護時間越長，增強效果越明顯。如何定量確定碳納米管在水泥管基復合材料中的摻量，使其最大程度發揮作用，將是下一步的研究重點。

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