混凝土结构的安全性及其监测检测问题是极其重要的问题，具有重大的经 济社会影响。在我国随着经济的快速发展，许多同三峡大坝、跨海桥梁、南水 北调、西气东送工程等涉及国计民生的重大土木工程正在兴建和已经建成，由 于这些工程的建筑主要采用水泥基材料，在加载和卸载过程中容易突然发生灾 难性破坏，造成重大的财产损失和人员伤亡。因此对其结构的安全性进行简单、 方便、有效的检测和监测具有非常重要的意义。机敏材料是近年来材料物理与 化学领域中新兴发展起来的交叉性前沿学科，它涉及物理、化学、材料及电子 学等多学科领域。机敏材料的研究将为实现重要结构的检测提供了前提条件。 本文首次对碳纳米管-水泥基复合材料的敏感特性及机理进行了系统性的研究， 从其敏感材料的优化与设计出发，对增强材料的特性、掺量与敏感特性以及力 学性能的关系进行了研究，并对实验中发现的一些新现象进行了讨论。 本文从广义有效介质方程出发，对水泥基复合机敏材料与复合体系中组成 参数的关系进行了分析与设计优化。根据计算机模拟结果，从理论上讲导电填 料的导电性能越高复合材料的机敏性能越好。复合材料的机敏特性与导电相的 体积含量有着密切的关系，导电相的含量为渗流阈值时的机敏特性最显著。导 电材料的渗流阈值影响材料的机敏性能，在掺量较少时材料的渗流阈值越小则 复合材料的机敏性能越强。但是渗流阈值较小的材料的最大电阻变化率将较小。 本文研究了碳纳米管对水泥复合材料力学性能的影响，并与碳纤维水泥复 合材料的性能进行了对比。在水泥基材料中掺入一定的碳纳米管后，由于纳米 微粒的尺寸效应、表面效应以及填充微孔作用，其宏观力学性能显著提高；但 是掺量超过一定量时，由于碳纳米管增加了复合材料的用水量，因而强度反而 降低。压汞实验结果表明，适量的碳纳米管可以减少水泥基体中的孔隙率和有 害孔的含量，因此碳纳米管水泥基复合材料结构致密，其抗压强度比碳纤维水 泥基复合材料和素水泥砂浆高。同时由于碳纤维和碳纳米管都具有桥接作用， 都能贯穿孔隙、裂缝和孔洞，因此水泥基材料中掺入导电材料后抗折力学性能 显著增加。微观结构测试表明碳纳米管能够均匀的分散在水泥基体中，并与水 泥基体结合较好，与传统碳纤维不同的是，碳纳米管在复合物中保持弯曲状态 并且互相交织，当碳纳米管的在水泥净浆中的掺量为0.5wt％时形成了完好的网 络结构，因此碳纳米管水泥基材料具有良好的力学性能。碳纤维与水泥基体的 界面结合弱，有明显缺陷，因此力学性能比相同掺量的碳纳米管水泥砂浆差。 本文研究了碳纳米管对水泥复合材料导电性能和机敏性能的影响，并与碳 纤维水泥复合材料的性能进行了对比，在水泥材料中掺入碳纳米管后将显著提 高材料的导电性能，并且其作用效果远比碳纤维强。碳纳米管水泥材料的导电 现象是一种典型的逾渗现象，对碳纳米管水泥净浆而言，其逾渗阈值在0.3～1％ 之间。碳纳米管水泥砂浆、碳纤维水泥砂浆和普通水泥砂浆都存在导电极化现 象。其中普通水泥砂浆的极化时间最长，极化程度最大；由于存在较多的孔隙 率和大孔的含量，碳纤维水泥砂浆的极化时间比碳纳米管水泥砂浆短，而同时 由于碳纳米管的导电能力比碳纤维强，因此碳纳米管水泥砂浆的极化程度小。 碳纳米管-水泥砂浆、碳纤维水泥砂浆电阻变化率与所受应力之间存在一定的关 系，在受到常规压力情况下表现为负压敏性能，而当压力超过一定值时，水泥 基材料将表现为正压敏特性。水泥基压敏材料的压敏性受到三种效应(一是量子 电容效应，一是隧穿效应以及接触导电效应)共同作用，压敏性表现为何种现 象要看两种效应中那种占优，当电容效应占优时表现为正压敏性，而当隧穿效 应和接触导电效应占优时则表现为负压敏性。 本文研究了表面改性对碳纳米管对水泥复合材料的力学性能、导电性能和 机敏性能的影响，并采用红外分析和隧道扫描电镜分析了复合材料的微观性能。 碳纳米管经采用浓硫酸和浓硝酸混合溶液进行表面改性后，表面带有羧酸基团， 能跟水泥基材料更好的相互作用，因此水泥复合材料的力学性能比不改性高。 表面改性使碳纳米管表面能明显提高、碳纳米管相互接触点的数量减少、碳纳 米管之间的势垒增加，碳纳米管水泥砂浆的导电性能比不改性水泥砂浆低，表 面改性碳纳米管水泥砂浆的压敏性能比不改性水泥砂浆高。 本文研究了分散剂对碳纳米管对水泥复合材料的力学性能、导电性能和机 敏性能的影响，并采用压汞仪和扫描电镜分析了复合材料的微观性能。碳纤维 常用的甲基纤维素对碳纳米管没有分散作用，十二烷基苯磺酸钠能较有效的分 散碳纳米管。掺入分散剂的碳纳米管水泥砂浆的孔的含量明显比不掺分散剂的 水泥砂浆高，因此分散剂的掺入降低了水泥砂浆的力学性能。分散剂的掺入使 得碳纳米管在分散剂表面成球形分布，在微观上讲是非常不均匀，结果使得水 泥石中局部的碳纳米管的浓度比不掺分散剂的碳纳米管水泥砂浆高，因此掺入 分散剂的碳纳米管水泥砂浆的导电性能明显比不掺分散剂的水泥砂浆高。由于 孔洞的大量存在使得复合材料的接触导电效应和隧穿效应作用明显，结果导致 掺入分散剂的碳纳米管水泥砂浆的机敏性能比不掺分散剂的水泥砂浆高，同样 由于大量的孔洞和碳纳米管在微观上的不均匀，导致复合材料的电容器效应也 非常显著，结果使得掺分散剂碳纳米管水泥砂浆的机敏曲线非常不规则存在明 显噪音。 最后，本文对关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。 关键词：碳纳米管，机敏性能，导电性能，表面改性， 作用机理