丁鵬

摘 要：納米碳纖維作為一種新型材料，具有高強(qiáng)度，高彈性模量等力學(xué)上的優(yōu)異特性。通過單軸抗壓試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)，測(cè)試了摻加3種類型納米碳纖維的普通混凝土和自密實(shí)混凝土的基本力學(xué)性能，并討論其最優(yōu)摻量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 適當(dāng)摻量且纖維分散良好的納米碳纖維混凝土28d抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度均有不同程度的提高，表明納米碳纖維對(duì)于混凝土材料力學(xué)性能有很好的增強(qiáng)作用。

關(guān)鍵詞：納米碳纖維；高強(qiáng)混凝土；抗壓強(qiáng)度；劈裂強(qiáng)度

一、納米碳纖維的現(xiàn)狀

迄今為止，在建筑土木工程領(lǐng)域，憑借其抗壓強(qiáng)度高、來源廣泛、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，水泥混凝土是使用量最大、應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)材料。然而隨著建筑結(jié)構(gòu)不斷向多功能化、高層化發(fā)展，水泥混凝土材料也正在從傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)材料向綠色、高強(qiáng)高性能、多功能智能化的方向轉(zhuǎn)變。普通水泥混凝土屬于一種脆性材料，韌性差，抗拉強(qiáng)度低，在建筑工程的使用中極易產(chǎn)生大量的微裂縫，嚴(yán)重影響建筑結(jié)構(gòu)的使用壽命，因此如何增強(qiáng)水泥混凝土的韌性，提高其安全性和耐久性成為了當(dāng)今研究學(xué)者們研究水泥混凝土材料的核心問題。其次，在近期的水泥混凝土研究中，宏觀纖維（碳纖維、聚乙烯醇纖維等）作為增強(qiáng)材料加入到水泥混凝土中以提高其力學(xué)性能，同時(shí)根據(jù)宏觀纖維的本身特點(diǎn)對(duì)在役土木結(jié)構(gòu)工程的安全性進(jìn)行監(jiān)測(cè)和評(píng)定，功能型水泥混凝土的研究得到了廣泛關(guān)注和長(zhǎng)期發(fā)展。但由于這些宏觀纖維本身就是一種脆性材料，并且宏觀纖維只能抑制結(jié)構(gòu)微裂縫的發(fā)展，不能在微觀尺度上抑制裂縫的形成。因此，在水泥基材料的研究中，考慮引入納米級(jí)導(dǎo)電纖維，一方面能夠控制微裂縫的形成，從而大范圍的提高水泥基材料的力學(xué)性能和耐久性性能；另一方面憑借納米纖維本身的優(yōu)良吐能，將水泥基材料制備成導(dǎo)電、導(dǎo)熱等功能型復(fù)合材料，使水泥基復(fù)合材料向多功能化、智能化方向發(fā)展。

納米碳纖維（Carbon Nanofibers），簡(jiǎn)稱CNFs，是化學(xué)氣相生長(zhǎng)碳纖維的一種形式，是通過裂解氣相碳?xì)浠衔锒苽涑龅囊环N非連續(xù)的納米級(jí)尺寸石墨纖維[1]碳纖維的平均直徑約為50-100 nm，長(zhǎng)度為0.5-100 }.m。納米碳纖維的平均抗拉強(qiáng)度為7 GPa平均彈性模量為400 GPa。憑借其優(yōu)越的性能，納米碳纖維已經(jīng)廣泛應(yīng)用于聚合物、生物科學(xué)、場(chǎng)發(fā)射等領(lǐng)域。

由于納米碳纖維具有較大的長(zhǎng)徑比和較強(qiáng)的范德瓦爾斯力，納米碳纖維極易團(tuán)聚纏繞在一起，無法有效增強(qiáng)基體的性能。納米碳纖維的分散效果直接影響復(fù)合材料的性能，因此如何提高納米碳纖維的分散性能，成為制備納米碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的前提準(zhǔn)備工作。對(duì)于納米碳纖維的分散問題，本文進(jìn)行了如下研究：

（1）采用多種分散劑（甲基纖維素，經(jīng)丙基甲基纖維素，十二烷基硫酸鈉，十二胺，N，N一二甲基甲酞胺，十六烷基三甲基澳化錢）以單摻和復(fù)摻的方式制備納米碳纖維懸浮液，并對(duì)懸浮液進(jìn)行紫外可見光吸光度（UV-vis ）測(cè)試。結(jié)果表明，當(dāng)分散劑單摻時(shí)，十二烷基硫酸鈉對(duì)納米碳纖維在水溶液中的分散效果最佳，甲基纖維素和輕丙基甲基纖維素對(duì)納米碳纖維懸浮液的分散穩(wěn)定性效果最佳；當(dāng)分散劑復(fù)摻時(shí)，十二烷基硫酸鈉和甲基纖維素的組合對(duì)納米碳纖維在水溶液中的分散效果最佳。當(dāng)CMC：CsDS=I ：5時(shí)，納米碳纖維能夠在水性體系中均勻分散。此時(shí)納米碳纖維懸浮液的分散程度最佳，而且納米碳纖維懸浮液的穩(wěn)定性良好。

（2）采用甲基纖維素作為分散劑對(duì)納米碳纖維在水溶液中的分散性能進(jìn)行了探索和研究。通過測(cè)定懸浮液的紫外可見光吸光度（UV-vis ）、等溫吸附曲線、zeta電位及表面張力等方法研究了甲基纖維素對(duì)納米碳纖維分散性能的影響，并討論分析了甲基纖維素對(duì)納米碳纖維的分散機(jī)理。

二、國(guó)外研究進(jìn)展

納米碳纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料中，研究較多的基體材料主要為金屬基、聚合物基等，有關(guān)水泥基材料為基體的復(fù)合材料的研究較少，目前仍處于起步階段。研究的工作重點(diǎn)主要包括納米碳纖維在基體的分散問題、納米碳纖維水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能、耐久性性能等方面。

由于納米碳纖維具有高長(zhǎng)徑比和很強(qiáng)的范德瓦耳斯力，因此納米碳纖維極易發(fā)生團(tuán)聚纏繞現(xiàn)象，從而在水泥基材料中難以達(dá)到均勻分散的狀態(tài)，無法最大程度的起到增強(qiáng)作用。并且團(tuán)聚的納米碳纖維在水泥基材料中如同引入雜質(zhì)，對(duì)水泥的水化起到抑制作用，最終會(huì)影響其微觀形貌。國(guó)外學(xué)者對(duì)納米碳纖維的分散問題和納米碳纖維水泥基復(fù)合材料進(jìn)行了細(xì)致的研究工作，多采用超聲處理和分散劑相結(jié)合的方式使納米碳纖維在水泥基材料中均勻分散。

三、國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

高迪[4]通過單軸抗壓試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)，測(cè)試了摻加三種類型納米碳纖維的普通混凝土和自密實(shí)混凝土的基本力學(xué)性能，并討論其最佳摻量。對(duì)于普通混凝土，使用PR-19-XT-PS型納米碳纖維，當(dāng)體積摻量為0.16%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度能夠提高40%以上；當(dāng)體積摻量為0.78%左右時(shí)，混凝土的劈裂強(qiáng)度可提高5.83%。對(duì)于自密實(shí)混凝土，納米碳纖維分散相對(duì)容易，使用PR-19-XT-PS型納米碳纖維分散于SDS水溶液后應(yīng)用于自密實(shí)混凝土中，平均最大的抗壓強(qiáng)度能夠提高13.5%。使用PR-19-XT-P S-OX型納米碳纖維并使用高效減水劑為分散劑應(yīng)用于自密實(shí)混凝土中，平均最大抗壓強(qiáng)度能夠提高24.4%，延性也得到了增強(qiáng)。使用PR-19-XT-LHT-OX型納米碳纖維并使用高效減水劑為分散劑應(yīng)用于自密實(shí)混凝土中，平均最大抗壓強(qiáng)度可提高21.4%，當(dāng)納米碳纖維的體積摻量為1.5%時(shí)，混凝土的平均劈裂抗拉強(qiáng)度可提高7.03%。具有適當(dāng)摻量且分散良好的納米碳纖維可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，對(duì)混凝土材料有很好的增強(qiáng)作用。

四、結(jié)語(yǔ)

作為現(xiàn)代建材發(fā)展的主導(dǎo)研究方向，高性能水泥基復(fù)合材料正被眾多科研人員所研究。納米碳纖維獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及其性能上的優(yōu)越性，使其能夠改善水泥基材料多方面的性能，因此納米碳纖維在水泥基材料中的應(yīng)用問題成了整個(gè)研究工作中的重中之重。由于納米碳纖維極易團(tuán)聚和纏結(jié)，因此納米碳纖維的分散問題急需解決，納米碳纖維的分散試劑與水泥基體的相容性問題也需要更為詳致的研究。在解決好這些問題的前提下，納米碳纖維對(duì)水泥基材料的增強(qiáng)效 果才能發(fā)揮到最大，同時(shí)也能解決水泥砂漿、混凝土等建筑材料脆性大的問題。隨著納米碳纖維研究的不斷深入，納米碳纖維在水泥基材料中的應(yīng)用問題必將得到解決，進(jìn)而成為一種優(yōu)秀的水泥基材料乃至其他結(jié)構(gòu)材料的增強(qiáng)材料 。

參考文獻(xiàn)：

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[4]高迪，彭立敏，MoYL.納米碳纖維混凝土力學(xué)性能的試驗(yàn)研究田.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011， 8（3）： 18-24.