袁文宇 （東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 概述

目前，我國對水泥基材料及混凝土的材料研究雖較廣泛，但是對于其相關性能的研究并沒有達到十分完善的地步，水泥混凝土仍然存在著脆性大、多孔隙且綜合壽命周期短的問題。

隨著科技的進步，1991年日本學者Sumio Iijima最新發(fā)現了碳納米管（Carbon nanotubes,CNTs）這種納米材料。這一新發(fā)現引起了后續(xù)學者對碳納米管展開了不同方面的相關研究[1]。碳納米管根據結構形式不同有單壁（SWCNTs）和多壁（MWCNTs）兩種形式。目前的科技水平對于SWCNTs的制作提取要求較高，因此其價格也高于MWCNTs。此外，CNTs是一種一維的納米材料，具有十分完美的力學結構。其長徑比非常大，且具有極好的力學性能，其抗拉強度達到了50～200GPa，與鋼的基本材料性能相比較，其抗拉強度，密度和彈性模量分別是后者的100倍、1/6倍和5倍[2]。因此，目前有不少學者開展了將碳納米管作為增強材料摻入混凝土中，研究了碳納米管混凝土的多種性能。

2 碳納米管分散性研究

雖然CNTs具有極好的力學材料性能，但目前開展的研究發(fā)現其內部存在的范德華力有著較大的作用，使其在摻入水泥基中會比較容易產生團聚的現象，且其與水和其他溶劑的相容性較差。因此不少學者對CNTs在分散性展開了十分重要的研究。目前對研究CNTs的分散方法主要有物理和化學的兩種分散方法。物理法有機械攪拌法、電場誘導法和超聲波處理等方法，化學法有強酸氧化、表面活性劑處理和原位生長合成法等。

李庚英[3]在制備碳納米管水泥砂漿時采用的是快速攪拌法，主要是先將主材料水泥和碳納米管放一起先進行攪拌，大約持續(xù)拌勻5m in，然后再放入砂持續(xù)拌勻2m in，最后再結合消泡劑，大約拌勻3m in以消除在試驗攪拌過程中所產生的泡沫。試驗表明制備的碳納米管水泥砂漿較空白試件具有較好的力學性能和密實性。

羅健林[4]用多種方法對CNTs的分散性進行了研究。主要是采用了普通的超塑化劑法、纖維分散劑攪拌法、利用四種SAA進行CNTs修飾法、超聲波分散法、酸氧化共價修飾法和電場誘導法等制得了不同的分散液。結果表明，綜合考慮在分散處理時間的基礎上，相比其他方法，將碳納米管在水中分散采用個別SAA的表面修飾具有較好的分散效果，再同時結合高速均質攪拌法制備水泥基材料將有更好的復合分散效果。

王寶民[5]采用了阿拉伯膠和超聲分散法制得了MWCNTs的水性分散液，利用紫外/可見光光度計和TEM分析了制得的懸浮液分散效果。結果表明，當阿拉伯膠分散劑的質量濃度適當時，能夠有效的改善MWCNTs在水性體系中的團聚現象。并且經TEM觀察，在MWCNTs懸浮液中加入阿拉伯膠后，MWCNTs主要呈現出分布式散開，團聚現象較少。

2017年牛曉偉[6]采用了膠體研磨和硅烷偶聯劑方法，制得了碳納米管分散液，并制備了多壁碳納米管/水性環(huán)氧樹脂復合改性多孔水泥混凝土，測試了復合改性混凝土的滲水性能和彎曲性能。結果表明，從TEM圖分析只采用研磨處理的碳納米管，在純水介質中，分散效果仍較差。但在水性環(huán)氧固化劑乳液中分散時，同時結合硅烷偶聯劑，則分散效果較好，團聚現象較少。此外，在適量摻量下對于復合改性的碳納米管混凝土的滲水性能和彎曲性能均高于單一改性的混凝土試件和空白試件。

3 碳納米管混凝土復合材料性能研究

目前，許多學者對碳納米管水泥基材料的性能研究較多，而有關碳納米管混凝土的性能研究還相對較少。主要有研究了碳納米管混凝土抗壓強度、抗折強度、抗裂性能、收縮性能和導電性能等。

2015年汪洪菊[7]進行了將碳納米管單摻入混凝土中，制備了碳納米管混凝土，測試了試件的立方體抗壓強度試驗。結果表明，碳納米管的摻入對混凝土的抗壓強度提升幅度并不明顯，而對劈裂抗拉強度提升的效果顯著。當摻量為0.3%時，抗壓強度只提升了 2.1%，但劈裂抗拉強度顯著提升了17.6%。

2016年王建雷[8]將四種不同摻量的碳納米管摻入混凝土中，研究了其和易性、凝結時間和導電性能。結果表明，碳納米管的摻入，混凝土的坍落度和凝結時間減?。划敁搅看笥?.5%時，混凝土的粘聚性和保水性變差。此外，不同摻量下碳納米管混凝土導電性能均比空白試件好，但對于早期影響并不顯著，并且當摻量大于0.3%后，導電性能改善效果不明顯。

2018年劉洋洋[9]進行了采用等離子體技術預先處理碳納米管，制備了改性和未改性的碳納米管混凝土，并與空白混凝土試件進行了抗壓試驗和抗裂試驗對比。結果表明，摻有不同摻量改性碳納米管的混凝土試件其抗壓強度和抗裂強度均比空白試驗組要高，在摻量為0.3%時，抗壓強度和抗裂強度分別最大提高了 5.8%和13.5%，而摻有0.05% 和0.1%未改性的碳納米管混凝土試件抗壓強度低于空白試件。對于抗裂強度則不同，當摻量為0.05%和 0.1%時，未改性碳納米管混凝土試件抗裂強度比空白試件分別提高和降低。分析原因，改性處理的碳納米管有較好的分散性。當水灰比一定時，水的質量也是固定的，因此用來分散碳納米管的空間也是有限的，過多的碳納米管則存在團聚現象，分散較差導致混凝土試件出現窩峰、微孔洞現象，從而力學性能反而會下降。

2018年宋曉濱[10]制備了摻有五種不同摻量的工業(yè)級碳納米管混凝土，進行了立方體抗壓強度試驗和棱柱體柱反復加載試驗。結果表明，在摻量為0.15%時，抗壓強度最大提升了30.5%；并通過柱的反復加載試驗得出結論，碳納米管的摻入能夠有效減少柱破壞時的裂縫，提升了延性。

2019年翁梅[11]利用超聲波分散法制備了在同一水灰比下摻有兩種不同摻量的碳納米管混凝土。測試了其抗折強度、收縮性能和環(huán)形約束等試驗并進行了相關分析。結果表明，摻有碳納米管的混凝土其抗折強度和收縮應變分別隨著碳納米管的摻量增加的規(guī)律是增大和減小。當最大摻量為0.4%時，抗折強度提高了21.3%，收縮應變減小了18.4%。由環(huán)形開裂約束試驗得出結論，碳納米管有著較好的橋聯作用，提高了混凝土的抗開裂性能。

4 結論與展望

綜上所述，將分散性良好且適量的碳納米管摻入水泥基中提升了水泥基復合材料的密實性，增強了其力學性能。但是，目前對于碳納米管混凝土的研究相對較少，作用機理缺乏更進一步的深入研究。

目前，將碳納米管大規(guī)模生產與應用仍存在一定的技術困難。未來通過科技技術制備出更加低價、強度高和穩(wěn)定性好的碳納米管具有重大意義。另外，對于碳納米管混凝土的作用機理，從碳納米管的微觀結構角度以及與外加劑的相容性進行分析得出更加完善的結論。