论文总字数：16420字

摘 要

纳米炭黑尺寸不大，导电性能卓越，比表面积较大，界面性能及力学性质优良，属于一种新型的化学材料。很多研究者在水泥基材料里加入纳米炭黑作为增强材料，并对其有关性能进行了分析。本文主要参考他人实验结果，进行案例分析,综合概述了纳米碳黑对水泥基材料电学、力学性能的影响，并就目前的研究进展进行了总结与展望。

关键词：纳米材料、纳米碳黑、水泥基材料、电阻率、压敏性

Abstract

Nano carbon black has a small size, excellent electrical conductivity, large specific surface area, excellent interface performance and mechanical properties, and belongs to a new type of chemical material. Many scholars use it as a reinforcement material into cement-based materials, and study a variety of related properties. With reference to the experimental results of others, this paper makes a case study, comprehensively summarizes the effects of nano-carbon black on the electrical and mechanical properties of cement-based materials, and summarizes and prospects the current research progress.

Keywords: nanomaterials, nanocarbon black, cement-based materials, resistivity, pressure sensitivity.

Keywords: nanomaterials, nanocarbon black, cement-based materials, resistivity, pressure sensitivity

目 录

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1混凝土中的纳米结构材料 1

1.2.2 非纳米碳材料在水泥基材料中的应用 2

1.2.3纳米碳材料在水泥基材料中的应用 4

1.3纳米碳黑材料 4

第2章 纳米炭黑对水泥基材料电阻抗及力学性能的影响 7

2.1方案设计、实验思路分析 7

2.2实验案例（1）分析 7

2.2.1 实验过程概述 7

2.2.2 实验数据分析 9

2.2.3 结论 9

2.3实验案例（2）分析 10

2.3.1 实验过程概述 10

2.3.2 实验结果与分析 11

2.3.3 结论 14

2.4实验案例（3）分析 14

2.4.1 实验过程概述 14

2.4.2 实验结果与分析 16

2.4.3 结论 19

第3章 纳米炭黑应用过程中存在的问题分析 20

第4章 总结与展望 21

参考文献： 22

致 谢 23

第1章 绪论

1.1引言

近年来我国社会经济发展迅猛，各种各样的建筑物拔地而起，而在这其中必不可少的一种原材料就是混凝土，它是各类建筑物的基础，混凝土使用范围越来越广，随着各项工程复杂程度的增加，对此材料的要求也越来越高。水泥基材料的强度是最近这几年来大家一直研究的方向。尤其是现在高层建筑物的不断增加让其对此材料的强度提出了更高的要求。不仅如此，很多领域还要求此材料存在必要的功能性，比如防冻、吸噪音以及柔韧性等，所以，针对混凝土材料的需求越来越广，人们也对其指出了全新的需求：高流动性，高强度，耐久性以及稳定性等，其智能化发展也是一个全新的研究方向。

颗粒大小不超过100 nm级别的微观材料说的就是纳米材料，纳米颗粒的比表面积较大，但是颗粒非常小，所以，相对于晶态材料表面的原子数量来说，晶粒表面分布的原子数量明显要多一些，这就导致纳米材料体现出很多和常规材料不一样的性能，比如说小尺寸效应，表面效应以及宏观量子隧道效应等。除此之外，在电、光、磁、力等方面性能卓越。所以相对于常规使用的材料来说，纳米材料无论是在功能上还是在构造上都略胜一筹。针对此材料的特有性能发掘出的性能卓越的各类材料将材料的应用领域拓展的更广泛。最近这几年以来，在水泥基材料中开始运用纳米材料，虽然刚刚开始涉及这方面的研究，但是发展迅猛，很多研究者试着利用纳米材料去改良水泥基材料的性能。就现在来看氧化物纳米颗粒、碳纳米管以及纳米粘土等都被用于水泥基材料中。正因为混凝土中加入了这些纳米颗粒材料，才让混凝土的力学性能，工作性能以及持久性能得到了不同程度的增强，甚至出现了很多存在功能性的混凝土理念，水泥基材料的迅猛发展离不开纳米颗粒的加入。

1.2国内外研究现状

1.2.1混凝土中的纳米结构材料

在建筑物中使用最多的建筑材料是普通硅酸盐水泥。这类材料长处有很多，而且被销往全球各个领域。在施工的时候使用方便，而且成本不高，诸多性能指标也较为优质。一般来说，细骨料及粗骨料通常和这种水泥掺杂在一起生产出不同厚度的混凝土产品。混凝土的本质是一种多相复合材料，它具备纳米构造，具备纳米级别到微米级别的结晶水及无定形晶体。每一个小部分的力学性质都将影响着其所在范围内大一级别材料的力学性质。图1.1为混凝土材料里各类成分的大小展示图。普通水泥颗粒大小直径通常在7~200μm之间,其中大概存在70% 的CSH凝胶大小位于纳米级别范畴里。在测量以后，可以发现此凝胶的比表面积大概是180m²/g，由此可以推断凝胶的平均直径是10纳米。也就是说，水泥硬化浆体属于初级纳米材料，它以水化硅酸钙凝胶为主体。混凝土和别的水泥产品的粘结剂是水泥浆，水泥浆的水化行为能够被物理及化学性质所决定。水泥水化本质上属于放热过程，属于一类化学反应。水化过程还能被化学外加剂以及矿物掺合料所干扰。氢氧化钙(CH)、水化硅酸钙(CSH)、单硫铝酸钙(AFm)以及钙矾石(AFt)等组成水泥浆，还有水榴石等。水化产物的量会因为水化过程的不断进行而变化，它的结构复杂程度也在慢慢发生改变。

图1.1 混凝土材料内各种成分的尺度示意图

1.2.2 非纳米碳材料在水泥基材料中的应用

纳米二氧化硅也叫做硅粉，它在水泥混凝土领域应用极为广泛，而且得到了大部分研究者的广泛认可。也就是将部分混凝土替代成纳米二氧化硅，然后加入到混凝土里，能够增强混凝土的强度及耐久性能，因为这种材料存在较高的表面能，因此在混凝土逐渐硬化的过程中容易和水泥石里的水化产物产生化合键及CSH凝胶。而且这种材料通常来说都是网状构造，能够增强混凝土的耐久性及力学性能，这种材料在生活中比较多见，虽然它的成本较贵，但是对于那些对混凝土要求较高的工程来说，这种材料必不可少^[1]。

在纳米矿粉二氧化硅加入之后，在其表面能够形成氢氧化钙并产生CSH凝胶，不仅能够将氢氧化钙晶体细化，而且还可以减少它的含量。与此同时，两者形成刺猬状构造，纳米二氧化硅能够很好的连接CSH凝胶。

王德志和孟云芳旧^[2]分析了纳米二氧化硅对混凝土抗劈裂强度及抗压能力的干扰。结果显示纳米二氧化硅加快其内部CSH凝胶水化反应，进而提高上述两者的能力。李固华等^[3]学者利用循环腐蚀实验分析了其对混凝土盐类结晶循环能力的干扰，相对于基准混凝土来说，在一致实验环境中获得的纳米二氧化硅的混凝土具有较强的抗腐蚀能力。他认为之所以产生这种现象是因为混凝土界面的氢氧化钙含量减少，进而提高了其耐久性。

纳米CaCO，属于纳米级别的惰性颗粒，在加入纳米二氧化硅之后，混凝土的粘聚性及保水性能都得到了很大的提高，并且纳米二氧化硅不贵，所以被广泛地应用在混凝土领域。

纳米碳酸钙在加入之后，CSH凝胶能够在其表面产生并发生键合，其表面也能够出现钙矾石，两者都能够形成以纳米碳酸钙为主体的刺猬状构造。上述纳米矿粉表面存在较多的缺点，它的表面能较高，很容易和水泥石里的水化物发生化学键合；纳米Fe2O3、A1203及CaC03表面能够产生钙矶石；通常来说，氢氧化钙可以在纳米二氧化硅的表面出现，并发生键合，进而产生CSH凝胶。这样一来让水泥硬化浆体在之前构造的前提下又成立了一个全新的网络，它的网络节点是纳米矿粉，并且有很多纳米级别的CSH凝胶，产生一个三维网络构造，能够增强水泥硬化浆体的耐久性及物理性能，不仅如此，纳米材料还可以起到空隙填充的作用，限于10到100纳米的空隙。

就现在来看，针对纳米二氧化硅在混凝土中的研究来说，大部分都集中于增强混凝土强度方面，研究发现^[4]，在NC掺量是3％的时候，NC能够增强混凝土的前期强度，但是不会对一个月之后的强度造成干扰。还有研究^[5]发现，水泥浆的流动程度会随着纳米二氧化硅加入量的增多而减少。但是它对于早期水泥的水化来说是有好处的。在混凝土里纳米二氧化硅最适合的添加量是1%。杨杉^[6]等学者发现，纳米二氧化硅可以影响钢纤维混凝土的物理力学性质。试验发现，在加入适量的纳米二氧化硅之后，混凝土的抗折能力，抗压能力以及抗劈裂能力都有一定范围的提高。

综上所述，纳米碳酸钙物质能够改良混凝土中骨料和水泥石界面构造，还可以增强混凝土的流动程度，让混凝土的耐久能力及强度可以得到增强。在水泥中添加1%到3%的纳米材料并于高速混合机内和别的用料相互搅拌制作出纳米材料，相对于没有加纳米材料的水泥来说，一周和一个月的水泥硬化强度增强了大概50%，而且耐久性及柔韧性也得到了较大的提升。纳米二氧化硅和硅灰实施复合添加的时候，纳米级别的二氧化硅会充实在硅灰颗粒内形成颗粒级配构造。

1.2.3纳米碳材料在水泥基材料中的应用

与常规的纳米材料修正水泥基材料相比，碳基材料具备自身和其他分子结合的高度灵活性碳的独特特性。此类型的材料在实施水泥基材料修正的时候，还能让水泥基材料存在自调节、自感应、自修复以及自诊断等作用，特别是对于在大型工程和超大型工程应用上越来受到的广泛的关注。Wu等^[7]学者选择黏贴式铜片电极，在测试电阻的时候利用两电极法，分析了碳纤维掺量是0.5wt.%的水泥砂浆在双轴及单轴压缩到破坏时，应力方向和与其相互垂直应力方向的电阻变化率和应力的关联。试验结果发现其单轴压缩到破坏的时候，应力方向和与其方向相互垂直的电阻变化率因应力的增加而发生变化，变化趋势是先减小后增大。电阻变化率最小值分别是-18%及-10%，其相对应的的应力分别是12MPa及6MPa。其双轴压缩到破坏的时候，与上述规律一致，其电阻变化率最小值分别是-60%及-88%，其对应的应力分别是18MPa和22MPa。韩宝国等^[8]学者选择埋入式电极，在测试电阻的时候选择的是直流四电极法，对其压缩到破坏时的感知能力进行了研究。

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