大连理工大学研究发现：官能团化碳纳米管显著增强超高性能混凝土抗冲击性能 | Engineering

随着服役环境的复杂化及极端化，混凝土结构在承受静态荷载作用的同时，可能承受由武器攻击、炸弹爆炸等引起的动态荷载作用，其动态应变率往往集中在10²~10⁴ s⁻¹之间，甚至会达到10⁶ s⁻¹。在这种情况下，混凝土内部会因能量的瞬时聚集而形成多个微区断裂面，显著增加复合材料的脆性破坏特征，缩短混凝土结构的使用寿命。因此，特别有必要对混凝土的冲击特性进行深入研究，进而开发和设计具备优异抗冲击性能的混凝土材料。

大连理工大学董素芬、韩宝国研究团队在中国工程院院刊《Engineering》2022年11月刊发表了题目为《通过官能团化处理提高碳纳米管对超高性能混凝土抗冲击性能的增强效果》的研究性文章，拟通过官能团化处理提高碳纳米管对超高性能混凝土（ultra-high performance concrete，UHPC）抗冲击性能的增强效果。文章表明，通过碳纳米管的官能团化处理可使C‒S‒H凝胶中的Si‒O‒Ca‒O‒Si配位键发生断裂，进而在UHPC基体中形成以碳纳米管为中心的增强网络。此外，掺入官能团化碳纳米管（尤其羧基化碳纳米管）可显著降低骨料-基体界面宽度甚至消除界面，提高UHPC结构整体性。另外，复合官能团化碳纳米管可降低UHPC的孔隙率及孔隙（尤其纳米级孔隙）尺寸，进而诱导UHPC内部C‒S‒H凝胶收缩，从而增加凝胶内部水化产物的结构致密性。由于上述官能团化碳纳米管对UHPC微观结构的改善作用，复合材料在200~800 s⁻¹应变率冲击压缩荷载作用下的动态抗压强度、动态峰值应变、冲击韧度和冲击耗散能显著提高。文章指出，在所有复合材料中，羧基化碳纳米管（尤其是羧基化短碳纳米管）复合UHPC的抗冲击性能普遍优于普通及羟基化碳纳米管复合UHPC，甚至超过高掺量的钢纤维复合UHPC。

(a) Enrichment effect and (b) network enhancement of functionalized CNTs on the ITZ of UHPC.

值得注意的是，官能团化碳纳米管的掺入使得中低应变率下UHPC的冲击耗散能增长较明显。这是因为从能量耗散角度看，混凝土中的初始裂缝或小孔会阻碍应力波的传播，进而导致其能量衰减；而官能团化碳纳米管的高刚度可显著阻碍UHPC内部的应力波传播，继而使得应力波在反射及透射过程中能量衰减。此外，官能团化碳纳米管具有良好的应变时滞性。将官能团化碳纳米管掺入UHPC基体中可以有效形成“类弹簧阻尼器”，继而将冲击过程中UHPC内部的动能转化为时滞应变能，并最终以热能的形式耗散。因此，UHPC基体对应力波的消耗会显著提高。

需要补充说明的是，如果仅从C‒S‒H片层间的层间距离来看，C‒S‒H凝胶的干燥收缩应该会导致UHPC基体孔结构的粗化，进而降低UHPC的宏观力学性能。这显然与文章所得结果相矛盾。这是因为碳纳米管对C‒S‒H凝胶结构的影响不仅局限于C‒S‒H凝胶内部的纳米尺度，碳纳米管的成核或火山灰效应等还会进一步影响C‒S‒H凝胶外部的纳米甚至微米尺度结构特征。而碳纳米管的“蓄水池”效应也可通过释放孔隙水改善水泥熟料及矿物掺合料的后期水化过程。从毛细吸附角度看，C‒S‒H片层表面吸附水含量的增加会诱发层间孔优先吸附这部分水来填充孔隙，继而迫使收缩的C‒S‒H片层得到部分恢复。

以上内容来自：Jialiang Wang,Sufen Dong,Sze Dai Pang,Xun Yu,Baoguo Han,Jinping Ou. Tailoring Anti-Impact Properties of Ultra-High Performance Concrete by Incorporating Functionalized Carbon Nanotubes [J]. Engineering, 2022, 18(11): 232-245.

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原文链接：http://www.engineering.org.cn/en/10.1016/j.eng.2021.04.030

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ISSN 2095-8099

CN 10-1244/N

IF 12.8 Q1

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