碳纳米管水泥基复合材料的研究综述

王兵 朱洲萍 闵金伟 林泽桦

摘 要：在广大学者的共同努力下，关于碳纳米管水泥基复合材料的性能研究越来越多，已取得了一些研究成果。基于此，本文对碳纳米管在水泥基复合材料中的应用研究进行综述，包括碳纳米管在水泥净浆中的应用研究，碳纳米管在混凝土中的应用研究，碳纳米管在砂浆中的应用研究。

关键词：碳纳米管;水泥基;力学性能

中图分类号：TQ172.1;TB332 文献标识码：A 文章编号：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

由于混凝土的凝结硬化特性，其内部往往存在大量的原生微裂缝、空隙与缺陷。在混凝土工作时，裂纹从内部产生，并逐渐发展扩张为宏观裂缝。如何有效阻止混凝土中微裂缝的发展，成为众多学者研究的方向。AL-RUB R[1]通过扫描式电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）观察到碳纳米管能有效约束混凝土内部的微裂缝。碳纳米管存在纤维桥联现象和拔出断裂现象，可限制微裂缝的发展，因此改善了其力学性能[2-4]。碳纳米管纤维拔出断裂如图1所示，其中CNT为碳纳米管，C-S-H为水化硅酸钙。基于该研究，纳米材料已经引起了人们的关注，能够加强水泥基复合材料的性能。

碳纳米管具有良好的物理性能，能够较好地与水泥基复合材料结合，加强其力学性能。它的电镜扫描图，如图2所示。目前，关于碳纳米管水泥基复合材料在工程中的具体应用较少。本文查阅论文综述碳纳米管在水泥基复合材料中的应用和相关材料的力学性能研究，总结问题，以期为工程应用和施工提供参考。

1 碳纳米管在水泥基复合材料中的应用研究

1.1 碳纳米管在水泥净浆中的应用研究

碳纳米管在水泥净浆中应用的相关研究较早，普遍认为适量应用碳纳米管能大幅度提高水泥净浆的力学性能。黎恒轩等人在水泥净浆中掺入多壁碳纳米管，从微观结构出发，研究其对水泥净浆力学性能的影响。结果表明，多壁碳纳米管能够同时提高水泥净浆的抗压强度和抗折强度。当掺量为0.3%时，它的强度最高可提高31.6%[5]。杨志刚等人通过不同龄期和不同碳纳米管掺量研究水泥净浆抗压强度、抗折强度及韧性。结果表明，当掺入0.10%碳纳米管时，水泥净浆试件的抗压强度和抗折强度均有较明显的提高;当掺入0.05%碳纳米管时，水泥净浆试件的韧性指数较大[6]。

NOCHAIYA T等人在水泥净浆中掺入多壁碳纳米管，研究水泥净浆孔结构变化。结果表明，掺入0.5%和1.0%的多壁碳纳米管，水泥净浆的总孔隙率分别降低了25.5%和22.7%[7]。可见，多壁碳纳米管的掺入能改善水泥净浆总孔隙率，但不宜掺入过多。赵晋津等人使用Na2SO4溶液浸泡水泥净浆7 d后发现，掺入少量碳纳米管能使水泥净浆断面结构更致密，增强了水泥基材料的抗离子侵蚀能力[8]。

1.2 碳纳米管在混凝土中的应用研究

混凝土也是一种常见的水泥基复合材料，本身存在大量缺陷。在混凝土中掺入碳纳米管能改善其综合性能，是一个重要的研究方向。汪洪菊通过正交试验确定最佳基准配比后，在混凝土中掺入碳纳米管[9]。研究表明，混凝土劈裂抗拉强度提升效果显著。王建雷等人将不同掺量的碳纳米管掺入混凝土，研究其对混凝土性能的影响[10]。结果表明，混凝土的流动性和凝结时间缩短。刘洋洋等人对普通混凝土、碳纳米管混凝土和改性碳纳米管混凝土进行力学试验[11]。结果表明，改性碳纳米管混凝土的抗压强度和抗裂强度均比普通混凝土大;未改性碳纳米管也能增加混凝土的抗壓强度，但抗裂强度不同;对于碳纳米管混凝土，碳纳米管对混凝土的影响没有明显规律。

梁雲憑等人对不同掺量的工业级碳纳米管混凝土进行立方体抗压强度试验和棱柱体抗压强度试验。结果表明，在混凝土中掺入0.15%碳纳米管时，可以最大幅度提升混凝土的抗压强度和延性[12]。翁梅等人使用超声波分散法制备两种不同掺量的碳纳米管混凝土，并进行了混凝土的相关力学性能试验。结果表明，掺有碳纳米管的混凝土抗折强度和收缩应变分别随着碳纳米管掺量的增加先增大后减小[13]。阮燕锋对加入不同掺量的多壁碳纳米管在低应变下进行抗冲击试验。结果表明，在低应变下，素混凝土试件破坏成数十个小块体，而掺加碳纳米管的混凝土试件的块体尺寸明显大于素混凝土试件[14]。碳纳米管混凝土作为新型材料不仅具有强度高和耐久性好等优点，而且能促进混凝土的水化作用，优化混凝土材料的微观结构，提高水泥石与骨料间的黏结性能，减少混凝土材料的内部缺陷[15-17]。将碳纳米管与其他种类纤维混掺入混凝土，是当下碳纳米管研究的热点。尹鹏等人将碳纳米管和钢纤维分别单独掺入混凝土，以及将两者混合掺入混凝土，通过相关力学试验对比不同纤维材料对混凝土抗压和抗冲击性能的改善。试验结果表明，碳纳米管和钢纤维均能提高混凝土的抗压性能和抗冲击性能，且当钢纤维掺量为1%、碳纳米管的掺量为0.3%时，它对混凝土的加强效果最明显[18]。

1.3 碳纳米管在砂浆中的应用研究

碳纳米管在砂浆中的应用相对较少，因为实际工程中碳纳米管难以与砂浆均匀融合，易留在泥浆中流失而无法发挥其真正的作用。WANG B等人在水泥砂浆中掺入碳纳米管，随着碳纳米管掺量的不断增大，水泥砂浆的抗压强度和抗折强度均呈现先增大后减小的趋势。在掺量为0.9%时，碳纳米管水泥砂浆的力学强度甚至要小于普通水泥砂浆[19]。刘爱红等人通过试验研究了不同养护时间下不同掺量的碳纳米管对水泥砂浆强度的影响。结果表明，随养护时间的增加，碳纳米管水泥砂浆抗压强度和抗折强度不断增加[20]。郭培培测试多壁碳纳米管砂浆在不同应力水平下的疲劳试验，结果与素砂浆相比，加入碳纳米管的砂浆疲劳性能改善明显，普遍可以提高几十万次[21]。但是，当掺量过多时，加入碳纳米管的砂浆的疲劳性能不增反降。可见，在水泥砂浆中加入少量碳纳米管能大幅提高其力学性能。李相国等人使用电镜扫描技术观察碳纳米管在砂浆孔隙中的填充情况，其电镜扫描图如图3所示，发现碳纳米管在空隙中形成了局部网络结构，有很好的桥联作用，不仅提高了砂浆的韧性，也减小了砂浆内部微裂缝的长度和宽度[22]。

2 结语

根据已有的研究成果可知，碳纳米管的掺入有助于提高碳纳米管水泥基复合材料的强度。低掺量的碳纳米管能使水泥基体结构更密实，减小基体内微细孔洞，起到抑制其裂缝发展、增强其韧性、增强水泥基复合材料的各项力学性能等作用。但是，当碳纳米管掺量过多时，水泥基复合材料的强度会有所下降。此外，碳纳米管的增强效果与养护时间有关。养护时间越长，增强效果越明显。如何定量确定碳纳米管在水泥管基复合材料中的掺量，使其最大程度发挥作用，将是下一步的研究重点。

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