復摻單壁碳納米管/碳纖維水泥基復合材料的力學性能研究

(廣東工業大學土木與交通工程學院 廣東 廣州 510006)

一、引言

碳納米管在1991年被日本科學家Sumio lijima[1]發現，其優良的性能，吸引了各個領域專家學者的極大關注，有極為廣闊的應用前景。碳納米管可看成是由石墨片繞中心軸卷曲而成的無縫中空管體，兩端一般由半球面網格封口。碳納米管的結構對其性能影響很大，按照石墨烯卷曲的層數，碳納米管可分為單壁和多壁，并且單壁碳納米管具有更優異的性能[2,3]。

碳納米管可以提高水泥基復合材料的力學性能。Xu[4]等發現摻量0.1wt.%的碳納米管水泥凈漿的抗壓和抗折強度較空白組提高了15%和40%；Wang[5]等發現摻量0.08wt.% 的碳納米管水泥凈漿抗折強度較空白組提高43.38%；李庚英[7]等發現摻量0.5wt.%的碳納米管水泥試件的抗壓抗折強度較空白提高了11.6%和20.0%。目前的研究大多數集中在多壁碳納米管水泥基材料，對單壁碳納米管水泥基復合材料的研究報道較少。鑒于此，本實驗研究了單壁碳納米管對水泥基復合材料力學性能的影響。

二、試驗

(一)試驗原材料

本試驗所用原材料包括：水、水泥、河砂、高效減水劑、碳纖維、單壁碳納米管。其中，水為自來水；水泥為石井牌P·O42.5的普通硅酸鹽水泥；河沙最大粒徑為1.18 mm；第三代聚羧酸高效減水劑；碳纖維(CFs)采用日本東邦無膠碳纖維，直徑7um～10um，長度6mm。單壁碳納米管(SWCNTs)，平均直徑1.6nm，長度大于5um，采用OCSiAl公司生產的SWCNTs分散液，分散劑為十二烷基苯磺酸鈉；消泡劑為磷酸三丁酯。

(二)配合比設計

本試驗采用0.5的水灰比，漿體體積占試件總體積的60%；SWCNTs摻量(替代砂的質量比)分別為：0.00%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%；CFs摻量(替代砂的質量比)分別為0.0%、0.2%；消泡劑量為水泥質量的0.20%；為了保證砂漿工作性能，高效減水劑摻量(與水泥質量之比)不預先設定，而是使用迷你坍落度筒[10]，按坍落度(20～40mm)確定。如表1所示。

表1 高效減水劑劑量

(三)試驗方法

采用40mm×40mm×160mm的試塊。每組三個試塊，澆筑成型后拆模,將試件放置標準養護室養護28天。根據《GB/T17671-1999膠砂力學性能實驗方法》，使用YAW-300C微機控制試驗機進行強度試驗。

三、試驗結果及分析

圖1為不同SWCNTs和CFs摻量下水泥基復合材料的抗折強度變化曲線。由圖1可以看出抗折強度曲線均呈先上升后下降的趨勢。當單摻SWCNTs的摻量為0.15%時，抗折強度達峰值7.53MPa，較A0提高了27.0%。當單摻SWCNTs的摻量大于0.15%時，試件的抗折強度降低。當復摻組SWCNTs的摻量為0.10%時，抗折強度為8.35MPa,較A0,A2,B0，分別提高了40.8%，20.5%，17.6%。當復摻SWCNTs的摻量大于0.10%時，試件的抗折強度隨之降低。

圖2為不同SWCNTs和CFs摻量下水泥基復合材料的抗壓強度變化曲線。由圖2可以看出抗壓強度曲線均呈先上升后下降的趨勢。當單摻SWCNTs的摻量為0.10%時，抗壓強度達峰值57.1MPa，較A0提高了12.91%。當單摻SWCNTs的摻量大于0.15%時，試件的抗壓強度隨之降低。當復摻SWCNTs的摻量為0.10%時，抗壓強度為63.48MPa,較A0,A2,B0，分別提高了25.53%，11.17%，20.46%。當復摻SWCNTs的摻量大于0.10%時，試件的抗折強度隨之降低。

圖1 不同SWCNTs和CFs摻量的水泥基復合材料抗折強度

圖2 不同SWCNTs和CFs摻量的水泥基復合材料抗壓強度

四、結論

(1)適量的SWCNTs可以提高水泥基復合材料的力學性能，0.10% ～ 0.15%為SWCNTs最優摻量的區間。當SWCNTs摻量小于0.15%時，SWCNTs和CFs對水泥基復合材料的力學性能的影響具有協同效應。其中，復摻0.1%SWCNTs和0.2%CFs最大限度地提高水泥基復合材料的抗折強度和抗壓強度，較空白組分別提高了40.8%和25.53%。

(2)SWCNTs增強水泥基復合材料性能有三個原因：①填充作用，SWCNTs有效地填充微孔隙，使水泥基復合材料更致密；②橋聯作用，SWCNTs作為納米纖維材料，可抑制水泥基復合材料內部微裂縫生成；③成核作用，可催化水泥水化，使得大量水化產物在其表面生長。

(3)復摻SWCNTs和CFs對水泥基復合材料力學性能具有協同效應，即1+1>2的超疊加效應。適量的SWCNTs可以協同CFs，實現多尺寸，多層次，多空間地增強水泥基材料的力學性能。

(4)由于SWCNTs有很大的長徑比，且管間存在很強的范德華力，過量的SWCNTs會在水泥體系中纏繞和團聚，難以相互搭接，與水泥基材料的相容性變差，造成水泥基復合材料內部形成大量缺陷，無法發揮自身優異的性能，不但不能有效地改善水泥基復合材料的性能，甚至會降低其性能[2,6,8,9]。