碳纳米管在水泥基复合材料中的研究综述

黄有栋

（广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 530004）

混凝土是一种自重大、抗拉强度低、变性能力较差与韧性较低的材料，为了改善混凝土的某些性能，使其能更好地满足人们的要求，人们常将某些改性纤维加入混凝土的制备中。混凝土里由于有性能较强的纤维，且这种纤维不仅能在混凝土材料里起到骨架作用，还能分散地与水泥基复合材料混杂在一起以此来抑制尺寸较大的裂缝的扩展，从而达到提升混凝土变形能力的目的。增强纤维虽然能够有效抑制大尺度裂缝的扩展，但对材料中的微裂缝往往不能达到很好的抑制效果。为了解决这一问题，学者们开始尝试生产出尺寸更小的纤维，也使人们对纳米材料有了新的认识。纳米材料增强水泥基复合材料的基本原理是，当纳米材料存在于水泥基中时，这些纳米材料不仅能使水泥基内部裂缝开展的速度大大降低，还能填充水泥基内部的孔隙使水泥基变得更加致密，由此纳米材料便可显著提高水泥浆体的某些性能。并且纳米材料还能使水泥基复合材料实现一系列的功能，如声、光、电、电磁热等，使水泥基材料能够自我诊断和自我调节，使混凝土向智能化、高性能方向发展。

1.碳纳米管的出现

碳纳米管是在1991年发现的，当时高分辨率的电子显微镜显示了石墨的直流放电产物是电极组件的一维纳米材料，碳纳米管具有完美的六边形结构。每个纳米管是一个圆柱形的表面，由一个六角形的平面和完全连接的碳原子和SP2杂化的碳原子组成。SWCNTs和MWCNTs是无缝空心管形成空管，多层碳原子缠绕形成多壁管，层间容易形成陷阱。SWCNTs由石墨组成，误差小，对称性和均匀性高。碳纳米管的典型管径为2 nm～100nm，长度为0.1 um～50 um。多壁碳纳米管（MWCNTs）价格低廉，常用作复合材料的增强体和功能体。目前，使用的基体材料有聚合物、金属、陶瓷和水泥基。

性能优异的碳纳米管拉伸强度为50%～200%GPa，杨氏模量为1000Gpa，弯曲后可重新恢复，轴向伸长率为20%，弹性应变为6%，碳纳米管直径为纳米，长度为微米，其长径比可达100%～1000。

随着纳米材料技术得到快速的发展，碳纳米管不断被学者们运用到了建筑领域，扩大了水泥材料的运用广度。一方面，由于碳纳米管的尺寸和优异的力学性能，可以在水泥基材料中，起到纳米填充、桥接和拉伸的作用，加入小碳纳米管可以降低水泥基材料的孔隙率，提高力学性能，另一方面促进了水泥基材料的发展，碳纳米管具有良好的导电性和导热性导电性，水泥材料可以实现自我感知和自我控制，使水泥基复合材料向多功能方向发展。

碳纳米管从发现到现在，已经被许多的学者应用于金属和陶瓷领域，而在水泥基复合材料中的应用还比较少，而且重点主要集中在机电领域，碳纳米管水泥基复合材料相关耐久性的研究仍然处于初级阶段段，并且当前我国正大力发展基建，建筑物也都往高层与超高层方向发展，所以耐久性对于建筑物来说非常重要，因为它对建筑物的使用安全性及服役年限有着显著的影响，而高层和超高层建筑对耐久性又有着更高的要求，为此对碳纳米管在水泥基复合材料耐久性的影响规律的探究很重要。

2.碳纳米管的制备

目前人们尝试了多种方法对碳纳米管进行了制备，如激光蒸发、石墨电弧、高温分解等，其中最主要的方法要是电弧放电、激光蒸发、催化热解。然而，使用这些方法制备出的碳纳米管，往往含有催化剂颗粒物和非晶态杂质，因此还需对碳纳米管进行提纯[1,2]。目前，学者们亦提出了一些方法来提纯碳纳米管，如离心分离法、气相沉积法、如氧化法与过滤法等，但单凭一种方法对碳纳米管的处理往往不能达到预期的效果，为了能使碳纳米管净化更彻底，需要多种方法一起使用来提纯碳纳米管。

3.碳纳米管水泥基复合材料研究进展

3.1 国外研究现状

最早研究的是Campillo等人[3]，他们发现水泥基复合材料被掺入两种类型的碳纳米管，且养护14d以后，水泥基的抗压强度都得到了明显的提高，且还发现复合材料强度受多壁碳纳米管分散程度的影响较显著。

2007年，Chan Laiyin和Andrawes[4,5]使用有限元模拟研究了碳纳米管对水泥抗拉强度和延展性的提高作用。数值模拟结果表明界面剪切强度、杨氏模量、长径比、残余粘结应力等参数间的相互影响较大。

2019年，Rocha等[6]研究了分散于异丙醇中的CNTs覆盖在水泥颗粒表面后净浆的力学行为。结果表明，虽然会减小稠度，延长终凝，但如果分散效果良好，并与水泥水化产物适当结合，当CNTs掺量为0.10%时，试件的断裂能增加90%，抗弯强度增加46%，抗拉强度增加47%。最终还通过SEM证实分散过程的有效性，因此CNTs能为水化产物提供成核位点，可以作为增强材料使用。

3.2 国内研究现状

国内对碳纳米管水泥的性能进行了一些研究。21世纪初，李庚英、王培铭[7]发现低碳纳米管含量对水泥的抗压强度和抗折强度有较好的影响。对水泥基体材料的微观研究还发现，碳纳米管改善了水泥砂浆的孔隙度，降低了孔隙率，使材料更加致密。

2010年，韩宝国、欧进萍[8]对MWCNTs水泥基复合材料的压阻特性进行了探究。他们发现复合材料中的含水率显著影响着材料的压缩电阻敏感性，但含水率与压电电阻率之间并非线性关系，MWCNTs针对水泥基复合材料的作用机理是它的存在对接触电阻进行了改变。

2015年，李伟文等[9,10]探究了在冻融环境下，碳纳米管对水泥基复合材料力学与阻尼性能作用规律。通过对水泥基复合材料内部孔隙的观察发现，在冻融作用下，碳纳米管在一定程度上提高了试件的收缩强度、失水率和轴向抗压强度。

4.结论与展望

碳纳米管从被人们发现到现在，已经被人们运用到多个领域，且都取得了瞩目的成果。但我们可以注意到，针对碳纳米管与水泥基材料复合的研究还比较少，与电气等领域的研究成果相比，碳纳米管水泥复合材料的研究还处于初级阶段，相关成熟的理论还很少。并且针对当前以及未来几年国家大力发展基建的背景下，耐久性能对材料使用安全性及服役年限的重要性会日渐凸显，高层和超高层建筑对材料的耐久性能也会因此要求更高。为此，研究碳纳米管水泥复合材料改变寿命性方面的作用特别重要，而且是必要的，也是未来碳纳米管研究的一个热点方向，具有广阔的研究和应用前景。