复掺单壁碳纳米管/碳纤维水泥基复合材料的力学性能研究

(广东工业大学土木与交通工程学院 广东 广州 510006)

一、引言

碳纳米管在1991年被日本科学家Sumio lijima[1]发现，其优良的性能，吸引了各个领域专家学者的极大关注，有极为广阔的应用前景。碳纳米管可看成是由石墨片绕中心轴卷曲而成的无缝中空管体，两端一般由半球面网格封口。碳纳米管的结构对其性能影响很大，按照石墨烯卷曲的层数，碳纳米管可分为单壁和多壁，并且单壁碳纳米管具有更优异的性能[2,3]。

碳纳米管可以提高水泥基复合材料的力学性能。Xu[4]等发现掺量0.1wt.%的碳纳米管水泥净浆的抗压和抗折强度较空白组提高了15%和40%；Wang[5]等发现掺量0.08wt.% 的碳纳米管水泥净浆抗折强度较空白组提高43.38%；李庚英[7]等发现掺量0.5wt.%的碳纳米管水泥试件的抗压抗折强度较空白提高了11.6%和20.0%。目前的研究大多数集中在多壁碳纳米管水泥基材料，对单壁碳纳米管水泥基复合材料的研究报道较少。鉴于此，本实验研究了单壁碳纳米管对水泥基复合材料力学性能的影响。

二、试验

(一)试验原材料

本试验所用原材料包括：水、水泥、河砂、高效减水剂、碳纤维、单壁碳纳米管。其中，水为自来水；水泥为石井牌P·O42.5的普通硅酸盐水泥；河沙最大粒径为1.18 mm；第三代聚羧酸高效减水剂；碳纤维(CFs)采用日本东邦无胶碳纤维，直径7um～10um，长度6mm。单壁碳纳米管(SWCNTs)，平均直径1.6nm，长度大于5um，采用OCSiAl公司生产的SWCNTs分散液，分散剂为十二烷基苯磺酸钠；消泡剂为磷酸三丁酯。

(二)配合比设计

本试验采用0.5的水灰比，浆体体积占试件总体积的60%；SWCNTs掺量(替代砂的质量比)分别为：0.00%、0.05%、0.10%、0.15%、0.20%；CFs掺量(替代砂的质量比)分别为0.0%、0.2%；消泡剂量为水泥质量的0.20%；为了保证砂浆工作性能，高效减水剂掺量(与水泥质量之比)不预先设定，而是使用迷你坍落度筒[10]，按坍落度(20～40mm)确定。如表1所示。

表1 高效减水剂剂量

(三)试验方法

采用40mm×40mm×160mm的试块。每组三个试块，浇筑成型后拆模,将试件放置标准养护室养护28天。根据《GB/T17671-1999胶砂力学性能实验方法》，使用YAW-300C微机控制试验机进行强度试验。

三、试验结果及分析

图1为不同SWCNTs和CFs掺量下水泥基复合材料的抗折强度变化曲线。由图1可以看出抗折强度曲线均呈先上升后下降的趋势。当单掺SWCNTs的掺量为0.15%时，抗折强度达峰值7.53MPa，较A0提高了27.0%。当单掺SWCNTs的掺量大于0.15%时，试件的抗折强度降低。当复掺组SWCNTs的掺量为0.10%时，抗折强度为8.35MPa,较A0,A2,B0，分别提高了40.8%，20.5%，17.6%。当复掺SWCNTs的掺量大于0.10%时，试件的抗折强度随之降低。

图2为不同SWCNTs和CFs掺量下水泥基复合材料的抗压强度变化曲线。由图2可以看出抗压强度曲线均呈先上升后下降的趋势。当单掺SWCNTs的掺量为0.10%时，抗压强度达峰值57.1MPa，较A0提高了12.91%。当单掺SWCNTs的掺量大于0.15%时，试件的抗压强度随之降低。当复掺SWCNTs的掺量为0.10%时，抗压强度为63.48MPa,较A0,A2,B0，分别提高了25.53%，11.17%，20.46%。当复掺SWCNTs的掺量大于0.10%时，试件的抗折强度随之降低。

图1 不同SWCNTs和CFs掺量的水泥基复合材料抗折强度

图2 不同SWCNTs和CFs掺量的水泥基复合材料抗压强度

四、结论

(1)适量的SWCNTs可以提高水泥基复合材料的力学性能，0.10% ～ 0.15%为SWCNTs最优掺量的区间。当SWCNTs掺量小于0.15%时，SWCNTs和CFs对水泥基复合材料的力学性能的影响具有协同效应。其中，复掺0.1%SWCNTs和0.2%CFs最大限度地提高水泥基复合材料的抗折强度和抗压强度，较空白组分别提高了40.8%和25.53%。

(2)SWCNTs增强水泥基复合材料性能有三个原因：①填充作用，SWCNTs有效地填充微孔隙，使水泥基复合材料更致密；②桥联作用，SWCNTs作为纳米纤维材料，可抑制水泥基复合材料内部微裂缝生成；③成核作用，可催化水泥水化，使得大量水化产物在其表面生长。

(3)复掺SWCNTs和CFs对水泥基复合材料力学性能具有协同效应，即1+1>2的超叠加效应。适量的SWCNTs可以协同CFs，实现多尺寸，多层次，多空间地增强水泥基材料的力学性能。

(4)由于SWCNTs有很大的长径比，且管间存在很强的范德华力，过量的SWCNTs会在水泥体系中缠绕和团聚，难以相互搭接，与水泥基材料的相容性变差，造成水泥基复合材料内部形成大量缺陷，无法发挥自身优异的性能，不但不能有效地改善水泥基复合材料的性能，甚至会降低其性能[2,6,8,9]。