碳纳米管增强水泥材料抗折性能研究

朱奎胜　许卫华

摘 要：本文制备了掺杂不同比例碳纳米管（CNT）的水泥基复合材料试件，按照《GB/T17617-1999水泥胶砂强度检验方法》研究碳纳米管对水泥材料抗折强度的影响。結果表明：碳纳米管的掺入显著改变材料的抗折力学性能，当碳纳米管掺量达到0.3% 时，水泥复合材料的抗折强度比空白试样有较大幅度的增强，随着养护龄期的增长，碳纳米管对水泥复合材料的抗折强度增强作用下降。

关键词：水泥;碳纳米管;抗折强度

0 引言

水泥材料是现代建筑中应用最广泛、使用最成功的结构材料，在世界范围内大量使用。随着建筑技术的进步，超高层和大跨度建筑结构越来越多地出现在世界各地，这些现代建筑对结构材料提出了更高的要求。水泥材料也由传统仅依靠其承载能力的单一功能，向复合化、高耐久性、高强高性能化、功能化及智能化等方向发展。

碳纳米管是一种石墨结晶的管状碳材料，其质量轻、硬度高、强度高，力学性能优异，适合作为水泥基复合材料的增强体。加入碳纳米管的水泥材料在力学性能增强的同时，可赋予复合材料良好的耐久性、功能性等综合性能。本文制备了掺杂不同比例碳纳米管并养护不同龄期的水泥净浆硬化体，利用液压万能试验机对其抗折强度进行测试分析，探究碳纳米管的加入对水泥抗折力学性能的影响，并从微观角度对产生影响的原因进行分析。

1 试验

1.1 原材料

普通硅酸盐水泥（P·O42.5）：郑州天瑞水泥有限公司，性能参数见表1;多壁碳纳米管（MCNT）：苏州恒球石墨烯科技有限公司，参数见表2;碳纳米管分散剂：聚乙烯吡咯烷酮K30;HB-03型改性有机硅液体消泡剂;脱模油。

1.1.1 试样制备

碳纳米管水泥基复合材料试验，采用水灰比为0.4的水泥净浆作为基体，分别掺杂不同比例的碳纳米管。掺量分别为：0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%，试样编号为A0-A6。分散剂掺量为0.6%，消泡剂掺量为0.2%。

碳纳米管水泥基复合材料的制备过程：称量分散剂加入到蒸馏水中，用玻璃棒搅拌至分散剂完全溶解;称量碳纳米管加入到分散剂溶液中，边加边搅拌，至碳纳米管充分分散在溶液中;将分散好的碳纳米管悬浮液倒入砂浆搅拌锅中，并倒入蒸馏水，称取定量水泥，加入搅拌锅中进行搅拌，先慢速搅拌3 min，中间停15s，加入质量为水泥质量的0.13%的消泡剂，快速搅拌5min、最后将搅拌好的混合料倒入刷有脱模油的试模中。试模尺寸均为40mm×40mm×160mm，每组试件制作3个试样，将试模放到振实台进行振实，振捣密实后抹平放入标准养护箱中养护，养护1天后拆模，拆模后再放入标准养护箱中进行各龄期养护。

1.1.2 测试方法

对制备的试样采用液压万能试验机进行抗折测试。按照规范《GB/T17617-1999水泥胶砂强度检验方法》的三点弯曲实验方法测试抗折强度。测试过程如图1所示。

2 试验结果及分析

2.1 试验结果

采用三点弯曲法进行抗折强度测试，得到碳纳米管水泥复合材料试件的抗折强度与龄期的关系曲线如图2所示，不同碳纳米管掺量的试件在龄期28天时的抗折强度变化曲线如图3所示。

由图2 CNT掺量和龄期对抗折强度的影响曲线可以看出，在相同水灰比的条件下，掺量不同的碳纳米管水泥复合材料，在不同的龄期时，抗折强度随着碳纳米管掺量的增加有明显增强趋势。由图3不同掺量在28天龄期的抗折强度变化曲线也可以看到，当碳纳米管掺量为0.1%时，碳纳米管水泥基复合材料的抗折强度为7.55Mpa，与空白水泥净浆试件相比，增长率为41.92%;当碳纳米管掺量为0.2%时，碳纳米管水泥基复合材料的抗折强度为7.28Mpa，增长率为36.84%;当碳纳米管掺量为0.3%时，碳纳米管水泥基复合材料的抗折强度最大为9.02Mpa，增长率为69.55%;当碳纳米管掺量为0.4%时，碳纳米管水泥基复合材料的抗折强度为6.98Mpa，增长率为23.785%。变化趋势表明，当碳纳米管参量达到0.3%时，随着掺量的继续增加，抗折强度增长率反而会降低，这说明碳纳米管掺量的增加不会无限提高水泥材料的抗折强度，反而当掺量过大时，会影响水泥的水化反应过程，延长水化时间，影响水泥的强度。

另外从各龄期的抗折强度变化趋势看，龄期越长，碳纳米管对抗折强度的增强能力呈现下降趋势，这说明，当水泥龄期较短时，水化反应还没有充分进行，水泥的强度较低，碳纳米管在这个阶段可以提供较明显的增强作用，随着龄期增长，水泥自身的强度提高以后，碳纳米管的增强作用反而呈下降趋势。

2.2 结果分析

根据以上试验结果，从微观角度看，由于分散较好的碳纳米管加入对水泥材料凝结时的桥接作用，改善了水泥复合材料的孔结构及材料的抗裂性能，进而增强水泥材料的抗折力学性能。碳纳米管可以影响水泥水化反应的时间和速度，随着掺量的增加，对水泥的化学反应速率影响更明显，水泥的力学性能也会有明显变化。化学反应同时改变了水泥与碳纳米管之间的作用力，在与水化产物反应的过程中，碳纳米管的表面发生改变，促使碳纳米管水泥基复合材料的力学性能得到有效改善。

碳纳米管在水泥中的分散性对强度的影响也非常明显，当碳纳米管掺量较低时，在溶液中更容易分散，而当掺量较高时，碳纳米管极易缠结在一起，并且碳纳米管溶液与水泥在搅拌的过程中，碳纳米管掺杂比例较高时，发生团聚可能性增加，使碳纳米管之间形成较大网状结构，网状结构在水泥内部产生孔隙，降低了水泥的密实性。由此可见，适量的碳纳米管掺加在水泥基复合材料中，碳纳米管均匀分散于基体中，碳纳米管的优越力学性能才能在水泥材料中最大限度地发挥出来。

3 结论

本文对掺杂碳纳米管的水泥材料的抗折性能进行了试验研究，得出以下结论：

3.1 碳纳米管的掺入显著改善了材料的抗折性能。抗折强度随着碳纳米管掺量的增加有明显增强趋势，但是，碳纳米管的增强作用不会随着掺量的增加无限地提高，当掺量过大时，会影响水泥的水化反应过程，延长水化时间，反而降低水泥的强度。

3.2 碳纳米管在水泥中的分散性对材料的抗折强度有较大的影响。当碳纳米管分散较好时，能够在水泥中发挥明显的桥连作用，增强水泥的抗折强度。当碳纳米管分散较差时，会产生明显的团聚，影响水泥水化反应和硬化后的密实性，进而降低材料的抗折性能。

参考文献：

[1]李庚英，王培铭.碳纳米管-水泥基复合材料的力学性能和微观结构[J].硅酸盐学报，2005.

[2]罗建林，段忠东，李惠.碳纳米管的分散性及其对复合水泥基材料力学性能的影响[J].纳米技术与精密工程，2009.

[3]王宝民，宋凯.碳纳米管水泥基复合材料研究进展[J].低温建筑技术，2011.

[4]Li GY， Wang PM，Zhao X. Mechanical behavior and microstructure of cement composites incorporating surface-treated multi-walled carbon nanotubes[J].2005.

[5]陈卫祥，徐江平.碳纳米管的特性及其高性能的复合材料[J].复合材料学报，2001.