張繼旭，王文廣，李金權(quán)，韓 杰

(1.遼寧石油化工大學(xué)土木工程學(xué)院，撫順 113001；2.遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，撫順 113001； 3.中國科學(xué)院金屬研究所，沈陽 110016)

0 引 言

水泥基材料是世界上應(yīng)用最普遍的工程材料，而水泥混凝土結(jié)構(gòu)是最為常用的一種結(jié)構(gòu)形式。混凝土作為脆性材料一旦出現(xiàn)事故將會(huì)引發(fā)不良的后果，故如何改善混凝土的性能并對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行有效監(jiān)測已成為工程師們普遍關(guān)注的問題[1-2]。材料領(lǐng)域的研究表明，在水泥基中加入適量的碳材料可以使其獲得優(yōu)異的力學(xué)性能[3]、導(dǎo)熱性能[2,4]、耐久性[5]和壓敏特性等[6-7]。這些特性不但能提高混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限，保證其安全性，還可以對(duì)其進(jìn)行智能監(jiān)控[8-10]。

碳納米管(CNTs)擁有特殊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的導(dǎo)電性以及耐腐蝕性[11-15]等特性，且它的各項(xiàng)性能都優(yōu)于其他碳材料。將分散良好的CNTs與水泥基體結(jié)合不僅能賦予水泥基材料優(yōu)異的力學(xué)特性[14,16-18]，還能使其取得不錯(cuò)的壓阻性能和導(dǎo)熱性能[19]，將CNTs應(yīng)用到高強(qiáng)智能監(jiān)測水泥基中，能使砼結(jié)構(gòu)的可靠性得到一定程度提升。

本文先簡介了CNTs結(jié)構(gòu)性能，并在此基礎(chǔ)上綜述了國內(nèi)外學(xué)者對(duì)CNTs/水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能、耐久性、導(dǎo)電性等性能的相關(guān)研究，探討了摻加活性物質(zhì)對(duì)碳納米管水泥基復(fù)合材料性能的影響。

1 CNTs簡介

CNTs是碳的一種形式，直到20世紀(jì)90年代初日本電鏡學(xué)家Iijima[20]在制備C60的過程中才確認(rèn)CNTs的存在。從結(jié)構(gòu)形式上它主要可以分為SWNTs(單壁碳納米管)和MWNTs(多壁碳納米管)。

作為一種納米材料，CNTs分子之間存在較強(qiáng)的范德華力加之極大的長徑比使其極易團(tuán)聚[10,18]，形成大量的團(tuán)簇；而且CNTs表面缺乏活性基團(tuán)且惰性較強(qiáng)，在各種溶劑中的溶解度都較小，這極大制約了其應(yīng)用。圖1(a)是掃描電子顯微鏡(SEM)下觀測到的分散前團(tuán)聚的MWNTs。若將分散不均的CNTs摻入到水泥基體當(dāng)中，則它的團(tuán)聚體會(huì)令水泥基體內(nèi)部出現(xiàn)不同程度缺陷，使得水泥基體的諸多性能降低[21]。目前，國內(nèi)外主要采用超聲波分散、機(jī)械攪拌分散、物理表面(非共價(jià)鍵)修飾、化學(xué)表面(共價(jià)鍵)修飾等方法來克服CNTs的分子間作用力，以此實(shí)現(xiàn)CNTs在水泥基體中的均勻分散[22-26]。圖1(b)是經(jīng)分散后單體MWNTs的形態(tài)。

圖1 分散前、后的多壁碳納米管形態(tài)Fig.1 Morphology of multi-wall carbon nanotubes before and after dispersion

2 CNTs對(duì)水泥基材料性能的改善

2.1 力學(xué)性能

CNTs可以有效提高水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能。Xu等[28]將0.01%(占水泥質(zhì)量分?jǐn)?shù))的MWNTs(直徑10～20 nm，長度5～15 μm)摻到水泥砂漿中。在摻入之前采用混酸氧化法先對(duì)MWNTs進(jìn)行羧基化處理，然后采用羰基分散和水分散兩種方式分別對(duì)MWNTs進(jìn)行分散。結(jié)果表明，采用水分散法試件的59 d抗壓強(qiáng)度和彎曲強(qiáng)度相較空白組分別提高了8.4%和5.4%，而采用羰基分散法的試件則提高了15.9%和20.7%。Hamzoui等[29]將0.01%～0.06%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的CNTs摻到水泥砂漿中，結(jié)果表明，添加0.01%、0.02%和0.03%CNTs試件的90 d抗壓強(qiáng)度均有所增加。當(dāng)CNTs摻量為0.01%時(shí)，水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度取得了最大值，但將CNTs的摻入量提高到0.06%時(shí)反而使得強(qiáng)度降低。Li等[16]將用混酸氧化法預(yù)處理的0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))MWNTs(直徑10～30 nm，長度0.5～500 μm)摻到水泥砂漿中，結(jié)果表明，試件28 d抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度相較于空白組分別提高了18.86%和25.51%。

Morsy等[30]采用占水泥質(zhì)量6%的納米高嶺粘土(NMK)配合摻量為0.005%、0.02%、0.05%、0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的CNTs制備試件，SEM結(jié)果表明，CNTs中含有粒徑微小的NMK，從而使得自身的范德華力減小，分散效果更好?？箟簭?qiáng)度試驗(yàn)表明，復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度相比普通波特蘭水泥提高了29%。Chaipanich等[31]分別將0.5%、1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的MWNTs加入到粉煤灰水泥(粉煤灰質(zhì)量占20%)中，CNTs采用超聲分散法進(jìn)行分散。結(jié)果表明：當(dāng)CNTs摻量為0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，水泥砂漿7 d、28 d、60 d抗壓強(qiáng)度相較于空白組分別提高了9.48%、8.1%和8.17%；當(dāng)CNTs摻量為1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，水泥砂漿的7 d、28 d、60 d抗壓強(qiáng)度分別提高了9.15%、9.74%和8.96%。Ahmad等[32]分別將0.05%、0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的MWNTs加入到普通硅酸鹽水泥當(dāng)中，CNTs采用分散劑聚丙烯呲配合水浴超聲法進(jìn)行分散，結(jié)果表明,較低含量的CNTs對(duì)試件抗拉強(qiáng)度提升效果更佳，而較高含量的CNTs對(duì)抗壓強(qiáng)度更有幫助。表1總結(jié)了CNTs對(duì)水泥砂漿力學(xué)性能的影響。不難得出結(jié)論，CNTs可以提高水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能，但結(jié)果取決于諸多因素如CNTs的分散方法、摻量、長徑比、種類等。過多的CNTs會(huì)在水泥基體中發(fā)生團(tuán)聚，導(dǎo)致水泥顆粒部分水化并產(chǎn)生弱鍵水化產(chǎn)物[33]。此外，CNTs可能無法被適當(dāng)潤濕，從而導(dǎo)致纖維拔出，力學(xué)性能下降[30]。

有研究者探究了CNTs對(duì)水泥基材料力學(xué)強(qiáng)度的改善機(jī)理。Konsta-Gdoutos等[34]研究發(fā)現(xiàn)CNTs可以通過填充水化硅酸鈣(C-S-H)凝膠之間的孔洞來減小水泥砂漿的孔隙率。Metaxa等[35]通過SEM和能譜分析指出強(qiáng)度提高的一個(gè)原因是纖維橋聯(lián)效應(yīng)(見圖2)，這涉及CNTs和水泥中水化產(chǎn)物各組分如C-S-H凝膠的粘連作用，CNTs通過延緩微裂紋的形成和展開，從而改善宏觀力學(xué)性能；另一個(gè)原因是納米材料的填料效應(yīng)，CNTs作為填料填充水化產(chǎn)物中的間隙空間，改善缺陷，在宏觀上則表現(xiàn)為孔隙率降低，水泥基體強(qiáng)度提高。Makar等[33]研究指出CNTs在水泥漿體中存在著類似其他納米顆粒的晶核效應(yīng)，C-S-H凝膠會(huì)更容易團(tuán)聚在CNTs周圍而不是沉積在未水化的水泥顆粒表面，從而CNTs和C-S-H凝膠容易形成緊密結(jié)合狀，則水泥基材料力學(xué)性能得到提升。

表1 CNTs對(duì)水泥砂漿力學(xué)性能的影響Table 1 Effects of CNTs on mechanical properties of cement mortar

圖2 CNTs對(duì)微裂紋的橋聯(lián)效應(yīng)[35]Fig.2 Bridging effect of CNTs on microcracks[35]

2.2 耐久性

水泥基材料的耐久性，是指其在合理使用前提下抵擋各種外在或內(nèi)在的損壞因素作用，持久保持外觀完好性以及力學(xué)強(qiáng)度的能力[37],其中主要包括抗腐蝕、抗碳化、抗凍融反應(yīng)等[38]。

王寶民等[39]總結(jié)了其他學(xué)者對(duì)CNTs的研究，認(rèn)為水泥基材料的耐久性除了受自身化學(xué)組成影響之外，孔隙率、微裂縫等是主要決定因素，CNTs通過自身的填料效應(yīng)填補(bǔ)微孔隙以及優(yōu)化大孔隙結(jié)構(gòu)，從而改善水泥基材料的耐久性。Kong等[40]認(rèn)為水泥基材料的耐久性與其自身強(qiáng)度密實(shí)性有關(guān)，而加入CNTs可以增強(qiáng)水泥基材料強(qiáng)度及韌性，從而提高其耐損性。Wang等[41]將0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的MWNTs(直徑10～20 nm，長度10～30 μm)摻入到水泥凈漿中，MWNTs采用表面活性劑配合超聲分散法進(jìn)行分散。結(jié)果表明，摻入0.1%MWNTs試件的28 d孔隙率相較于空白組提高了14.7%，而含0.1%經(jīng)羧化處理MWNTs試件的28 d孔隙率相較于空白組降低了27.52%。Kang等[42]將0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的MWNTs(直徑20 nm，長度 1～25 μm)摻入到水泥硅灰混合物中，MWNTs先采用混酸氧化法進(jìn)行處理再配合超聲分散法進(jìn)行分散。結(jié)果表明，含經(jīng)羧化處理的MWNTs試件的孔隙率與空白組相當(dāng)，而含未經(jīng)處理的MWNTs試件的孔隙率較空白組有所降低。Xu等[27]在水泥漿體中加入不同含量的MWNTs(直徑40～80 nm，長度5～15 μm)。結(jié)果表明，添加0.025%、1%和2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))MWNTs試件的總孔隙體積相較于空白組分別降低2.33%、4.83%和5.96%，孔隙率分別降低1.54%、3.9%和4.5%。表2總結(jié)了CNTs對(duì)不同水泥基體孔隙率、吸水率及抗?jié)B性的影響。

Nochiya[43]、Konsta-Gdoutos[34]和Xu[27]等指出水泥基材料孔隙率的降低與CNTs的填料效應(yīng)有關(guān)。CNTs可以填充水泥水化產(chǎn)物之間的孔洞，改善孔徑結(jié)構(gòu)，從而使孔隙量下降，孔隙率降低。

在水泥基材料中摻入CNTs可以提高其抗凍性和耐熱性。Li等[44]將0.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的含羧基碳納米管(直徑10～20 nm，長度10～30 μm)摻入到水泥砂漿中,在養(yǎng)護(hù)28 d后，砂漿試件采用在負(fù)溫空氣中凍結(jié)、正溫水中融化的方法分別進(jìn)行30次、60次和90次凍融循環(huán)試驗(yàn)。結(jié)果表明，經(jīng)過30次、60次和90次凍融循環(huán)后，摻入 MWNTs試件的抗壓強(qiáng)度相較于對(duì)照組分別提高了26%、40%和43%。Amin等[45]將0.02%、0.05%、0.1%和0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的MWNTs(10～40 nm，長度5～10 μm)加入到水泥凈漿及Homra(磚土廢料混合物)中，試件分別在300 ℃、600 ℃、800 ℃的條件下煅燒3 h。結(jié)果表明，添加0.1%的MWNTs能更好地改善Homra/OPC-CNTs(含磚土廢料的碳納米管水泥基復(fù)合材料)的熱力學(xué)性能。Amin等[45]認(rèn)為CNTs的存在不影響Homra/OPC混合物的水化反應(yīng)，它通過物理作用增加復(fù)合材料耐熱性及抗壓強(qiáng)度。具體表現(xiàn)為橋聯(lián)效應(yīng)和填充作用提高了水泥基材料的抗壓強(qiáng)度，CNTs較高的熱穩(wěn)定性提高了水泥基材料的耐熱性。

表2 CNTs對(duì)不同水泥基體孔隙率、吸水率和抗?jié)B性的影響Table 2 Effects of CNTs on porosity, water absorption and impermeability of different cement matrixes

2.3 導(dǎo)電性及壓敏特性

Singh等[50]在水泥漿體內(nèi)加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的MWNTs(直徑60 nm，長度15 μm)。結(jié)果表明，試件的電導(dǎo)率隨著MWNTs含量的增加而增加，其中質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的試件的電導(dǎo)率相較于空白組提高了約十萬倍。Han等[51]將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的MWNTs(直徑<8 nm，長度10～30 μm)加入到水泥漿體中，其中MWNTs采用SDBS(十二烷基苯磺酸鈉)進(jìn)行分散。結(jié)果表明，水泥基復(fù)合材料的導(dǎo)電率隨著含水量的增加而增加。Luo[52]和Singh[50]等認(rèn)為MWNTs對(duì)水泥基體導(dǎo)電性的改進(jìn)主要取決于其在基體中的含量,含有低濃度MWNTs的復(fù)合材料的電導(dǎo)率仍然接近于普通水泥基體。事實(shí)上，MWNTs自身較大的長徑比結(jié)構(gòu)和低密度的特性使其容易在水泥基體中形成致密的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，從而提高基體的導(dǎo)電性能。

Azhari等[53]在水泥漿體中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的MWNTs(直徑10～20 nm，長度10～30 μm)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的CF(碳纖維),研究了兩種納米材料對(duì)水泥基體壓敏特性的影響并與含有傳統(tǒng)應(yīng)變片的傳感器進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，CF和MWNTs均能顯著提高膠凝材料的電導(dǎo)率。在循環(huán)加載條件下，兩種傳感器的電阻率變化能較好地反映出相應(yīng)外加荷載和材料應(yīng)變值的變化，而在任意加載速率下，含有CF和MWNTs的傳感器相較于傳統(tǒng)傳感器能更好地?cái)M合外加荷載和材料應(yīng)變的變化曲線。Han等[51]認(rèn)為水泥基體的壓阻靈敏度隨著含水率的升高，先增大后減小，含水率為0.1%、1.3%、3.3%、5.7%、7.6%和9.9%的MWNTs/水泥復(fù)合材料的壓阻靈敏度分別為0.0 kΩ/MPa、0.61 kΩ/MPa、0.73 kΩ/MPa、0.68 kΩ/MPa、0.34 kΩ/MPa和0.06 kΩ/MPa。Li等[16]在水泥漿體中分別加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的非官能團(tuán)化和官能團(tuán)化的MWNTs(直徑10～30 nm，長度0.5～500 μm)。結(jié)果表明，含有MWNTs試件的壓阻敏感性均得到提高，其中含官能團(tuán)化MWNTs的試件提高效果更為顯著。Kim等[54]在水泥砂漿中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%、0.5%和2%的MWNTs(直徑<8 nm，長度10～30 μm)，在循環(huán)荷載作用下通過降低W/B(水膠比)提高了壓阻敏感性。

CNTs可以有效提高水泥基復(fù)合材料的壓敏特性，而其壓阻敏感性取決于多種因素，如CNTs的類型、濃度、表面處理情況及基體含水率等，其中CNTs濃度是主要影響因素。由于其良好的壓阻特性，故將CNTs應(yīng)用到水泥基中智能監(jiān)測結(jié)構(gòu)的內(nèi)部狀況是一個(gè)不錯(cuò)的選擇[55]。

3 添加活性物質(zhì)對(duì)碳納米管水泥基復(fù)合材料性能的影響

水泥基材料中約70%的水化產(chǎn)物——對(duì)強(qiáng)度發(fā)揮關(guān)鍵作用的C-S-H凝膠本身即具有納米尺寸，在硬化水泥漿體中，納米級(jí)C-S-H凝膠之間化學(xué)鍵極少，其強(qiáng)度貢獻(xiàn)主要來源于納米尺寸效應(yīng)[2]。因此，添加具有火山灰活性的礦物摻合料等物質(zhì)對(duì)碳納米管水泥基復(fù)合材料進(jìn)行納米功能化改性[56]成為越來越多研究人員所關(guān)注的熱點(diǎn)。

3.1 以SiO2為主要成分的活性物質(zhì)

Stynoski等[57]在水泥砂漿中添加了體積分?jǐn)?shù)為0.05%的MWNTs(直徑20～40 nm，長度0.5～40 μm)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的SF(超細(xì)硅灰)。結(jié)果表明，SF的加入使材料的7 d抗彎強(qiáng)度和楊氏模量相較于只加MWNTs的試件分別提高了0.98%和4.12%，28 d抗彎強(qiáng)度和楊氏模量分別提高了20.38%和19.88%。

Kim等[58]在水泥砂漿中加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.15%和0.3%的MWNTs(直徑12～40 nm，長度10 μm)，在此基礎(chǔ)上分別加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%、20%和30%的SF以期提高M(jìn)WNTs/水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，在試件中添加10%～20%的SF可有效提高復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度。在含0.15%、0.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))MWNTs的試件中分別添加10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的SF，抗壓強(qiáng)度相較于不添加SF的試件分別提高了1.29倍和1.2倍；當(dāng)SF的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到20%時(shí)，抗壓強(qiáng)度相較于不添加SF的試件分別提高了1.12倍和1.24倍；而當(dāng) SF添加量達(dá)到30%時(shí)，含0.15%MWNTs試件的抗壓強(qiáng)度略有提高，但對(duì)含0.3%MWNTs試件的抗壓強(qiáng)度有明顯削弱作用。同時(shí)還研究了SF對(duì)MWNTs/水泥基復(fù)合材料電阻率的影響，對(duì)于質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的MWNTs, 隨著SF質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0%增加到30%，試件電阻從108Ω急劇下降到104Ω。

圖3 SF摻量對(duì)MWNTs/水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度的影響[58]Fig.3 Effect of SF content on compressive strength of MWNTs/cement-based composites[58]

Hunashyal[59]在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%的MWNTs(直徑10～30 nm，長度1～2 nm)/水泥基復(fù)合材料中加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的納米SiO2(直徑10～20 nm)。結(jié)果表明，隨著納米SiO2的加入，試件28 d抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗彎模量、韌性指標(biāo)和延性指標(biāo)分別提高了12.59%、51.15%、6.34%、72.61%和5.36%。

Kim等[58]總結(jié)了SF的加入對(duì)CNTs在水泥基體中分散性的影響并分析了材料相關(guān)性能提高的機(jī)理。在沒有SF的水泥基體中，CNTs不易分散，并傾向于團(tuán)聚，主要粒徑為100～500 μm(見圖4(a))。當(dāng)在水泥基體中添加少量SF時(shí)(見圖4(b))，一些團(tuán)聚的CNTs與SF顆粒混合，在機(jī)械作用下被分解成較小的尺寸,另外一些CNTs作為分散良好的單體嵌入在水泥-二氧化硅水化產(chǎn)物中形成嵌入CNTs的群落，這些群落作為增強(qiáng)纖維錨釘在水泥基體中，發(fā)揮類似橋聯(lián)效應(yīng)[35]的作用從而提高材料強(qiáng)度。隨著SF含量的進(jìn)一步增加(見圖4(c))，團(tuán)聚的CNTs在高含量的硅灰環(huán)境中被完全分離并密集分散，然而隨著單個(gè)CNTs數(shù)量的增加，分散的CNTs重新團(tuán)聚并形成大小為1～10 μm的CNTs簇。CNTs的團(tuán)聚不僅可能覆蓋水泥顆粒的表面阻礙水泥水化產(chǎn)物的生成，同時(shí)還包裹著一定量的硅灰使其無法與水泥發(fā)生反應(yīng)，從而使復(fù)合材料相關(guān)力學(xué)性能下降。

圖4 CNTs在無SF、低含量SF和高含量SF的水泥基體中分散的示意圖[58]Fig.4 Dispersion of CNTs in cement matrix without SF, with low content SF, and with high content SF[58]

3.2 其他常用的活性物質(zhì)

Javed等[60]在水泥砂漿中添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%的MWNTs(直徑20～55 nm)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%的MnFe2O4納米粒子(直徑49 nm)。結(jié)果表明，加入MnFe2O4納米粒子后，試件2 d和14 d的抗壓強(qiáng)度分別提高了約16.1%和20%。Hallad等[61]在水泥漿體中加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%的MWNTs(直徑10～30 nm，長度1～2 nm)和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的納米Al2O3(直徑15 nm)。結(jié)果表明，隨著納米Al2O3的加入，試件28 d抗壓強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和韌性指標(biāo)分別提高了27.53%、30.22%和98.69%。龔建清等[5]通過研究不同摻量的氧化石墨烯和CNTs對(duì)水泥基復(fù)合材料抗凍性的影響，認(rèn)為摻入氧化石墨烯能顯著減小CNTs/水泥基復(fù)合材料的質(zhì)量損失率和強(qiáng)度損失率，其中氧化石墨烯摻量為0.08%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的試件在300次凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率僅為0.2%，強(qiáng)度損失率僅為11.5%，強(qiáng)度損失率比僅摻CNTs的試件低8.8%。這很大程度上是由于氧化石墨烯能優(yōu)化CNTs/水泥基復(fù)合材料的孔結(jié)構(gòu)，即減小孔徑、總孔隙量，使貫通孔成為封閉孔，增大水泥石的強(qiáng)度。

4 結(jié) 語

(1)CNTs可以提高水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能，但其結(jié)果取決于諸多因素，如CNTs的分散方法、摻量、長徑比、種類等。其中大多數(shù)學(xué)者試驗(yàn)的CNTs摻量集中在0.025%～0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))之間，CNTs的種類及其長徑比應(yīng)結(jié)合具體的分散方法進(jìn)行使用。目前，對(duì)于CNTs增強(qiáng)水泥基材料力學(xué)性能的機(jī)理主要可分為填料效應(yīng)、晶核效應(yīng)及增韌效果，這些作用使得水泥基體整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到改善，故提高了水泥基材料的宏觀力學(xué)性能。然而增韌效果中CNTs發(fā)揮橋聯(lián)作用的明確長度尚未確定，碳納米管水泥基復(fù)合材料的作用機(jī)理也未形成完整理論體系，今后宜結(jié)合計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究從分子間作用力、共價(jià)鍵聚合等方面入手，探尋碳納米管對(duì)水泥基復(fù)合材料的詳細(xì)作用機(jī)理。

(2)CNTs可以改善水泥基材料的耐久性能，如抗腐蝕性、抗凍性、耐熱性等，結(jié)果取決于諸多因素，如CNTs的分散方法、摻量、長徑比、表面處理情況等。其改善的主要機(jī)理為填料效應(yīng)，具體表現(xiàn)為CNTs填充水泥水化產(chǎn)物之間的孔洞，優(yōu)化孔徑結(jié)構(gòu)，從而使孔隙量下降，孔隙率降低；CNTs同時(shí)也能增強(qiáng)水泥基體的導(dǎo)電性能和壓阻靈敏度，這主要得益于其自身的特殊結(jié)構(gòu)和壓阻特性使其容易在水泥基體內(nèi)部形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。故將CNTs用于智能監(jiān)測建筑物結(jié)構(gòu)是一種不錯(cuò)的選擇。

(3)在CNTs/水泥基復(fù)合材料中加入5%～20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))SF、0.3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))MnFe2O4、1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))納米Al2O3、0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))納米SiO2可不同程度上提高其力學(xué)性能、耐久性等，納米粒子對(duì)CNTs/水泥基復(fù)合材料的改性機(jī)理可以總結(jié)為兩個(gè)方面：首先是對(duì)水泥砂漿整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改善，分散在水泥基體中的微?？梢园l(fā)揮晶核效應(yīng)，加速水泥水化反應(yīng)過程并為水化產(chǎn)物提供充裕的空間，使水泥石結(jié)構(gòu)更為致密；其次是對(duì)水泥-骨料過渡區(qū)界面結(jié)構(gòu)的改善，普通水泥基材料過渡區(qū)密實(shí)程度較低且存在較寬的裂紋，而納米粒子的火山灰效應(yīng)有助于降低Ca(OH)2晶體的數(shù)量防止其定向增長，且生成致密的C-S-H凝膠等水泥水化產(chǎn)物，使過渡區(qū)界面結(jié)構(gòu)變得均勻、密實(shí)。