碳纳米管-聚合物复合强化混凝土智能材料的制备、性能及机理研究

Carbon nanotube (CNT) modified concrete composite has fairly good mechanical properties,fracture performance, durability and sensitivity. It has become an international hot issue in cement and concrete research and is expected to achieve self-monitoring,self-sensing and self-regulation of concrete structures. . However, the existing research shows that the CNT reinforced cement based materials still face the following three problems. First, CNTs is difficult to disperse and prone to agglomerate in cement matrix. Second, the compatibility between CNT and cement matrix is relatively weak. Third, the scale of CNT is too small to control micro cracks of cement matrix.. In the light of that polymer can uniformly disperse in and well bond with cement matrix, CNT can evenly disperse in and fairly bond with polymer latex, a new type of composite, namely CNT/polymer hybrid modified concrete was conceived and developed. In this project, a series of experimental studies on the preparation method, mechanical properties, microstructure and mechanism of this new type of concrete composite will be carried out, and to achieve good dispersion, excellent interface performance, strong crack control ability, good pressure~resistance and temperature~resistance of this new composite material.

碳纳米管增强混凝土是近年来迅速发展的一种新型水泥基复合材料，这种复合材料不仅在力学性能、断裂性能、耐久性能等方面拥有一定的优势，而且机敏性突出，有望实现混凝土结构自监测、自感知、自调节的目的。但是已有的研究表明，这一复合材料目前尚存在几个显著的缺陷：1.碳纳米管分散困难； 2.碳纳米管-水泥界面性能差、相容性低，协同工作能力弱； 3.碳纳米管尺度小，宏观控裂能力差。. 本项目将针对以上缺陷，基于材料科学基本原理和渗流理论出发，结合聚合物粘结力强、与水泥材料相容性好、能与水化产物发生化学吸附并形成三维网膜的特点，以及碳纳米管在聚合物乳液中分散性好、能与之形成完善晶核结构的优点，系统性的研究碳纳米管-聚合物复合强化混凝土材料的科学制备方法、物理力学性能、微观作用机理，以此获取分散均匀、界面性能优良、控裂能力强并具有良好压~阻、温~阻特性的新型智能材料。

碳纳米管特殊的内部结构赋予了其超强的力学性能、良好的导电特征和电磁屏蔽特性，被认为是一种理想的水泥基改性材料。将其应用于土木工程领域，可打破传统水泥混凝土的使用局限。近年来，碳纳米管/水泥基复合材料以其优异的物理力学性能和导电、导热特征引起了国内外学者的广泛关注，并成为国际研究热点。然而，碳纳米管/水泥基材料的应用仍然面临一系列“瓶颈”问题：如碳纳米管难以均匀分散，与水泥材料协同工作能力差，增强效果离散性大。本项目采用了碳纳米管/聚合物作为复合改性剂增强水泥基材料，旨在克服碳纳米管增强水泥基材料的缺陷问题，并通过二者协同增强效应，实现水泥混凝土结构的高性能、长效化发展。项目系统测试了碳纳米管-聚合物复合掺入对水泥基材料宏观性能及微细观结构特征影响，探讨了微细观结构特征与宏观性能的相互关系，并分析了碳纳米管-聚合物-水泥三相作用机制。此外，根据导电性能，压-阻、温-阻等性能测试结果，比较了复合材料体积电阻率和传感特征变化规律。结果表明：适量聚合物掺入，并结合一定的化学/物理驱散工艺，不但能够改善碳纳米管在水泥基体中的分散，还能与之结合形成较为均匀分布的三维网膜结构，贯穿于水泥板块之间，以此提升水泥混凝土的力学性能。此外，导电通路的均匀化构建还赋予了复合材料良好的自感知特性。通过三年的研究，本项目完成了预定的研究目标，共发表标注资助学术论文6篇，其中SCI收录论文2篇，中文核心文章4篇。