碳纳米管混凝土的应用研究综述

2020-12-24袁文宇东北林业大学土木工程学院黑龙江哈尔滨150040

安徽建筑 2020年3期

袁文宇（东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150040）

1 概述

目前，我国对水泥基材料及混凝土的材料研究虽较广泛，但是对于其相关性能的研究并没有达到十分完善的地步，水泥混凝土仍然存在着脆性大、多孔隙且综合寿命周期短的问题。

随着科技的进步，1991年日本学者Sumio Iijima最新发现了碳纳米管（Carbon nanotubes,CNTs）这种纳米材料。这一新发现引起了后续学者对碳纳米管展开了不同方面的相关研究[1]。碳纳米管根据结构形式不同有单壁（SWCNTs）和多壁（MWCNTs）两种形式。目前的科技水平对于SWCNTs的制作提取要求较高，因此其价格也高于MWCNTs。此外，CNTs是一种一维的纳米材料，具有十分完美的力学结构。其长径比非常大，且具有极好的力学性能，其抗拉强度达到了50～200GPa，与钢的基本材料性能相比较，其抗拉强度，密度和弹性模量分别是后者的100倍、1/6倍和5倍[2]。因此，目前有不少学者开展了将碳纳米管作为增强材料掺入混凝土中，研究了碳纳米管混凝土的多种性能。

2 碳纳米管分散性研究

虽然CNTs具有极好的力学材料性能，但目前开展的研究发现其内部存在的范德华力有着较大的作用，使其在掺入水泥基中会比较容易产生团聚的现象，且其与水和其他溶剂的相容性较差。因此不少学者对CNTs在分散性展开了十分重要的研究。目前对研究CNTs的分散方法主要有物理和化学的两种分散方法。物理法有机械搅拌法、电场诱导法和超声波处理等方法，化学法有强酸氧化、表面活性剂处理和原位生长合成法等。

李庚英[3]在制备碳纳米管水泥砂浆时采用的是快速搅拌法，主要是先将主材料水泥和碳纳米管放一起先进行搅拌，大约持续拌匀5m in，然后再放入砂持续拌匀2m in，最后再结合消泡剂，大约拌匀3m in以消除在试验搅拌过程中所产生的泡沫。试验表明制备的碳纳米管水泥砂浆较空白试件具有较好的力学性能和密实性。

罗健林[4]用多种方法对CNTs的分散性进行了研究。主要是采用了普通的超塑化剂法、纤维分散剂搅拌法、利用四种SAA进行CNTs修饰法、超声波分散法、酸氧化共价修饰法和电场诱导法等制得了不同的分散液。结果表明，综合考虑在分散处理时间的基础上，相比其他方法，将碳纳米管在水中分散采用个别SAA的表面修饰具有较好的分散效果，再同时结合高速均质搅拌法制备水泥基材料将有更好的复合分散效果。

王宝民[5]采用了阿拉伯胶和超声分散法制得了MWCNTs的水性分散液，利用紫外/可见光光度计和TEM分析了制得的悬浮液分散效果。结果表明，当阿拉伯胶分散剂的质量浓度适当时，能够有效的改善MWCNTs在水性体系中的团聚现象。并且经TEM观察，在MWCNTs悬浮液中加入阿拉伯胶后，MWCNTs主要呈现出分布式散开，团聚现象较少。

2017年牛晓伟[6]采用了胶体研磨和硅烷偶联剂方法，制得了碳纳米管分散液，并制备了多壁碳纳米管/水性环氧树脂复合改性多孔水泥混凝土，测试了复合改性混凝土的渗水性能和弯曲性能。结果表明，从TEM图分析只采用研磨处理的碳纳米管，在纯水介质中，分散效果仍较差。但在水性环氧固化剂乳液中分散时，同时结合硅烷偶联剂，则分散效果较好，团聚现象较少。此外，在适量掺量下对于复合改性的碳纳米管混凝土的渗水性能和弯曲性能均高于单一改性的混凝土试件和空白试件。

3 碳纳米管混凝土复合材料性能研究

目前，许多学者对碳纳米管水泥基材料的性能研究较多，而有关碳纳米管混凝土的性能研究还相对较少。主要有研究了碳纳米管混凝土抗压强度、抗折强度、抗裂性能、收缩性能和导电性能等。

2015年汪洪菊[7]进行了将碳纳米管单掺入混凝土中，制备了碳纳米管混凝土，测试了试件的立方体抗压强度试验。结果表明，碳纳米管的掺入对混凝土的抗压强度提升幅度并不明显，而对劈裂抗拉强度提升的效果显著。当掺量为0.3%时，抗压强度只提升了 2.1%，但劈裂抗拉强度显著提升了17.6%。

2016年王建雷[8]将四种不同掺量的碳纳米管掺入混凝土中，研究了其和易性、凝结时间和导电性能。结果表明，碳纳米管的掺入，混凝土的坍落度和凝结时间减小；当掺量大于0.5%时，混凝土的粘聚性和保水性变差。此外，不同掺量下碳纳米管混凝土导电性能均比空白试件好，但对于早期影响并不显著，并且当掺量大于0.3%后，导电性能改善效果不明显。

2018年刘洋洋[9]进行了采用等离子体技术预先处理碳纳米管，制备了改性和未改性的碳纳米管混凝土，并与空白混凝土试件进行了抗压试验和抗裂试验对比。结果表明，掺有不同掺量改性碳纳米管的混凝土试件其抗压强度和抗裂强度均比空白试验组要高，在掺量为0.3%时，抗压强度和抗裂强度分别最大提高了 5.8%和13.5%，而掺有0.05% 和0.1%未改性的碳纳米管混凝土试件抗压强度低于空白试件。对于抗裂强度则不同，当掺量为0.05%和 0.1%时，未改性碳纳米管混凝土试件抗裂强度比空白试件分别提高和降低。分析原因，改性处理的碳纳米管有较好的分散性。当水灰比一定时，水的质量也是固定的，因此用来分散碳纳米管的空间也是有限的，过多的碳纳米管则存在团聚现象，分散较差导致混凝土试件出现窝峰、微孔洞现象，从而力学性能反而会下降。

2018年宋晓滨[10]制备了掺有五种不同掺量的工业级碳纳米管混凝土，进行了立方体抗压强度试验和棱柱体柱反复加载试验。结果表明，在掺量为0.15%时，抗压强度最大提升了30.5%；并通过柱的反复加载试验得出结论，碳纳米管的掺入能够有效减少柱破坏时的裂缝，提升了延性。

2019年翁梅[11]利用超声波分散法制备了在同一水灰比下掺有两种不同掺量的碳纳米管混凝土。测试了其抗折强度、收缩性能和环形约束等试验并进行了相关分析。结果表明，掺有碳纳米管的混凝土其抗折强度和收缩应变分别随着碳纳米管的掺量增加的规律是增大和减小。当最大掺量为0.4%时，抗折强度提高了21.3%，收缩应变减小了18.4%。由环形开裂约束试验得出结论，碳纳米管有着较好的桥联作用，提高了混凝土的抗开裂性能。