纳米碳纤维在水泥基材料中的研究与应用进展

丁鹏

摘 要：纳米碳纤维作为一种新型材料，具有高强度，高弹性模量等力学上的优异特性。通过单轴抗压试验和劈裂试验，测试了掺加3种类型纳米碳纤维的普通混凝土和自密实混凝土的基本力学性能，并讨论其最优掺量。实验结果表明： 适当掺量且纤维分散良好的纳米碳纤维混凝土28d抗压强度和劈裂强度均有不同程度的提高，表明纳米碳纤维对于混凝土材料力学性能有很好的增强作用。

关键词：纳米碳纤维；高强混凝土；抗压强度；劈裂强度

一、纳米碳纤维的现状

迄今为止，在建筑土木工程领域，凭借其抗压强度高、来源广泛、价格低廉等优点，水泥混凝土是使用量最大、应用最为广泛的结构材料。然而随着建筑结构不断向多功能化、高层化发展，水泥混凝土材料也正在从传统的结构材料向绿色、高强高性能、多功能智能化的方向转变。普通水泥混凝土属于一种脆性材料，韧性差，抗拉强度低，在建筑工程的使用中极易产生大量的微裂缝，严重影响建筑结构的使用寿命，因此如何增强水泥混凝土的韧性，提高其安全性和耐久性成为了当今研究学者们研究水泥混凝土材料的核心问题。其次，在近期的水泥混凝土研究中，宏观纤维（碳纤维、聚乙烯醇纤维等）作为增强材料加入到水泥混凝土中以提高其力学性能，同时根据宏观纤维的本身特点对在役土木结构工程的安全性进行监测和评定，功能型水泥混凝土的研究得到了广泛关注和长期发展。但由于这些宏观纤维本身就是一种脆性材料，并且宏观纤维只能抑制结构微裂缝的发展，不能在微观尺度上抑制裂缝的形成。因此，在水泥基材料的研究中，考虑引入纳米级导电纤维，一方面能够控制微裂缝的形成，从而大范围的提高水泥基材料的力學性能和耐久性性能；另一方面凭借纳米纤维本身的优良吐能，将水泥基材料制备成导电、导热等功能型复合材料，使水泥基复合材料向多功能化、智能化方向发展。

纳米碳纤维（Carbon Nanofibers），简称CNFs，是化学气相生长碳纤维的一种形式，是通过裂解气相碳氢化合物而制备出的一种非连续的纳米级尺寸石墨纤维[1]碳纤维的平均直径约为50-100 nm，长度为0.5-100 }.m。纳米碳纤维的平均抗拉强度为7 GPa平均弹性模量为400 GPa。凭借其优越的性能，纳米碳纤维已经广泛应用于聚合物、生物科学、场发射等领域。

由于纳米碳纤维具有较大的长径比和较强的范德瓦尔斯力，纳米碳纤维极易团聚缠绕在一起，无法有效增强基体的性能。纳米碳纤维的分散效果直接影响复合材料的性能，因此如何提高纳米碳纤维的分散性能，成为制备纳米碳纤维增强水泥基复合材料的前提准备工作。对于纳米碳纤维的分散问题，本文进行了如下研究：

（1）采用多种分散剂（甲基纤维素，经丙基甲基纤维素，十二烷基硫酸钠，十二胺，N，N一二甲基甲酞胺，十六烷基三甲基澳化钱）以单掺和复掺的方式制备纳米碳纤维悬浮液，并对悬浮液进行紫外可见光吸光度（UV-vis ）测试。结果表明，当分散剂单掺时，十二烷基硫酸钠对纳米碳纤维在水溶液中的分散效果最佳，甲基纤维素和轻丙基甲基纤维素对纳米碳纤维悬浮液的分散稳定性效果最佳；当分散剂复掺时，十二烷基硫酸钠和甲基纤维素的组合对纳米碳纤维在水溶液中的分散效果最佳。当CMC：CsDS=I ：5时，纳米碳纤维能够在水性体系中均匀分散。此时纳米碳纤维悬浮液的分散程度最佳，而且纳米碳纤维悬浮液的稳定性良好。

（2）采用甲基纤维素作为分散剂对纳米碳纤维在水溶液中的分散性能进行了探索和研究。通过测定悬浮液的紫外可见光吸光度（UV-vis ）、等温吸附曲线、zeta电位及表面张力等方法研究了甲基纤维素对纳米碳纤维分散性能的影响，并讨论分析了甲基纤维素对纳米碳纤维的分散机理。

二、国外研究进展

纳米碳纤维增强型复合材料中，研究较多的基体材料主要为金属基、聚合物基等，有关水泥基材料为基体的复合材料的研究较少，目前仍处于起步阶段。研究的工作重点主要包括纳米碳纤维在基体的分散问题、纳米碳纤维水泥基复合材料的力学性能、耐久性性能等方面。

由于纳米碳纤维具有高长径比和很强的范德瓦耳斯力，因此纳米碳纤维极易发生团聚缠绕现象，从而在水泥基材料中难以达到均匀分散的状态，无法最大程度的起到增强作用。并且团聚的纳米碳纤维在水泥基材料中如同引入杂质，对水泥的水化起到抑制作用，最终会影响其微观形貌。国外学者对纳米碳纤维的分散问题和纳米碳纤维水泥基复合材料进行了细致的研究工作，多采用超声处理和分散剂相结合的方式使纳米碳纤维在水泥基材料中均匀分散。

三、国内研究进展

高迪[4]通过单轴抗压试验和劈裂试验，测试了掺加三种类型纳米碳纤维的普通混凝土和自密实混凝土的基本力学性能，并讨论其最佳掺量。对于普通混凝土，使用PR-19-XT-PS型纳米碳纤维，当体积掺量为0.16%时，混凝土的抗压强度能够提高40%以上；当体积掺量为0.78%左右时，混凝土的劈裂强度可提高5.83%。对于自密实混凝土，纳米碳纤维分散相对容易，使用PR-19-XT-PS型纳米碳纤维分散于SDS水溶液后应用于自密实混凝土中，平均最大的抗压强度能够提高13.5%。使用PR-19-XT-P S-OX型纳米碳纤维并使用高效减水剂为分散剂应用于自密实混凝土中，平均最大抗压强度能够提高24.4%，延性也得到了增强。使用PR-19-XT-LHT-OX型纳米碳纤维并使用高效减水剂为分散剂应用于自密实混凝土中，平均最大抗压强度可提高21.4%，当纳米碳纤维的体积掺量为1.5%时，混凝土的平均劈裂抗拉强度可提高7.03%。具有适当掺量且分散良好的纳米碳纤维可以提高混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度，对混凝土材料有很好的增强作用。

四、结语

作为现代建材发展的主导研究方向，高性能水泥基复合材料正被众多科研人员所研究。纳米碳纤维独特的结构及其性能上的优越性，使其能够改善水泥基材料多方面的性能，因此纳米碳纤维在水泥基材料中的应用问题成了整个研究工作中的重中之重。由于纳米碳纤维极易团聚和缠结，因此纳米碳纤维的分散问题急需解决，纳米碳纤维的分散试剂与水泥基体的相容性问题也需要更为详致的研究。在解决好这些问题的前提下，纳米碳纤维对水泥基材料的增强效 果才能发挥到最大，同时也能解决水泥砂浆、混凝土等建筑材料脆性大的问题。随着纳米碳纤维研究的不断深入，纳米碳纤维在水泥基材料中的应用问题必将得到解决，进而成为一种优秀的水泥基材料乃至其他结构材料的增强材料 。

参考文献：

[1]张超，杨春和.白世伟.尾矿料的动力特性试验研究[J]岩土力学，2006，27（1）：35-40.

[2] Tyson B M， Al-Rub R A， Yazdanbakhsh A， et al. Carbon nanotubes and carbon nanofibers for enhancing the mechanical properties of nanocomposite cementitious materials [3]. Journal of Materials in Civil Engineering， 2011， 23（7）： 1028-1035.

[3]Tyson B M， Al-Rub R A， Yazdanbakhsh A， et al. A quantitative method for analyzing the dispersion and agglomeration of nano-particles in composite materials [J]. Composites Part B：Engineering， 2011， 42（6）： 1395-1403.

[4]高迪，彭立敏，MoYL.纳米碳纤维混凝土力学性能的试验研究田.铁道科学与工程学报，2011， 8（3）： 18-24.