碳纳米管增强水泥基复合材料研究

首先研究适于水泥基复合材料施工工艺和外加剂环境条件下的碳纳米管分散技术，逐步提高水分散体碳纳米管的浓度和稳定性，形成适合于水泥基复合材料研究的批量化分散技术，然后开展不同碳纳米管含量的碳纳米管增强水泥基复合材料的研制。从微观水平上分析碳纳米管增强水泥基复合材料增强增韧力学机理，重点观测和研究碳纳米管的显微填料效应、纳观毛细孔钉扎机理和碳纳米管微观纤维桥联增韧效应以及碳纳米管脱粘、拔出过程，探索碳纳米管增强水泥基复合材料合理配制科学依据和原理。研究改善水泥基复合材料脆性特征的有效途径，系统研究碳纳米管增强水泥基复合材料抗压强度、抗拉强度、极限变形能力、断裂韧度等基本力学性能。以期寻求改变水泥基复合材料的脆性特征并根本上提高水泥基复合材料直接抗拉强度、拉伸应变和断裂韧性材料指标的科学途径，为开展新材料结构研究、探索水泥基复合材料向高端产品化发展、开辟新的应用领域打下一定的研究基础。

碳纳米管具有优异物理、力学性能，用其改善水泥基材料强度和韧性拥有广阔前景；对超高韧性水泥基复合材料（UHTCC）基本力学性能深入系统研究是进一步改性的重要前提；利用纳米材料改性是进一步提高UHTCC材料性能的重要手段。为此，本基金项目完成了下列研究工作：1）开展多壁碳纳米管分散性研究，在与企业合作的基础上，利用表面活性剂技术和离心机加速分离技术，获得了可以稳定保存达到3个月以上的碳纳米管分散液；2）开展碳纳米管增强水泥基复合材料的力学性能研究，结果表明抗压强度均随着碳纳米管掺量的增加而增大；3）开展碳纳米管增强水泥基复合材料微观机理研究，SEM微观分析显示碳纳米管在水泥水化产物中分散良好，观察到碳纳米管拔出、桥联和网状填充效应，与水泥水化产物之间相容性很好；4）研究立足普通市售材料、工程实用的养护工艺，提出了新的搅拌方法——TSMT（three-speed mixing technique）法；5）开展碳纳米管增强水泥基复合材料的数值模拟研究，建立了碳纳米管增强水泥基材料的有限元模型，并预测了碳纳米管增强水泥基的有效拉伸应力-应变关系；6）开展UHTCC轴压特性研究，试验结果显示UHTCC在压缩荷载作用下仍具有多缝开裂，其受压变形能力约是普通混凝土的两倍，峰值荷载后的延性和韧性明显增加，此外还建议了UHTCC受压本构模型；7）针对UHTCC的多缝开裂行为和后多缝开裂行为，在微观力学、断裂力学和数理统计的基础上，分析了UHTCC的应变硬化过程，并建立了相应的理论模型，可用于复合材料的优化设计和材料宏观性能的预测；8）通过四点弯曲试验研究了厚度尺寸对UHTCC弯曲性能的影响，结果表明，厚度在100 mm范围内，弯曲强度、中和轴高度比和裂缝宽度演变等弯曲性能基本与试件厚度无关，可以认为是UHTCC固有的材料属性，同时提出了改善的韧性评价方法以评价厚度对UHTCC弯曲韧性的影响，并基于弯矩-面积方法，建立了四点弯曲荷载作用下跨中挠度的理论解；9）提出了可用于确定多缝开裂应变硬化材料面内断裂能的试验及分析方法，并用该方法确定了UHTCC的面内断裂能；10）开展纳米胶凝材料改性UHTCC研究，结果表明纳米材料可有效改善UHTCC的微观结构，明显提高材料的抗压强度尤其是利于早期强度发展，同时也使UHTCC弯曲性能得到明显改善。