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迄今为止,在建筑土木工程领域,凭借其抗压强度高、来源广泛、价格低廉等优点,水泥混凝土是使用量最大、应用最为广泛的结构材料。但是水泥混凝土仍有抗拉强度低、脆性大等缺点。为了克服这些问题,研究人员尝试将水泥混凝土中引入宏观纤维以解决水泥混凝土抗拉强度低等缺点。但是这种宏观只能起到起到延缓的作用,无法从微观尺度进行抑制。因此有关高性能纳米纤维增强水泥混凝土的研究成为了当前研究的重点和热点。纳米碳纤维(Carbon Nanofibers,简称CNFs),是化学气相生长碳纤维的一种形式,是通过裂解气相碳氢化合物而制备出的一种非连续的纳米级尺寸石墨纤维。纳米碳纤维的平均直径约为50-100nm,长度为0.5-100μm。纳米碳纤维的平均抗拉强度为7GPa,平均弹性模量为400GPa。凭借其优越的性能,纳米碳纤维已经广泛应用于聚合物、生物科学、场发射等领域。由于纳米碳纤维具有较大的长径比和较强的范德瓦尔斯力,纳米碳纤维极易团聚缠绕在一起,无法有效增强基体的性能。纳米碳纤维的分散效果直接影响复合材料的性能,因此如何提高纳米碳纤维的分散性能,成为制备纳米碳纤维增强水泥基复合材料的前提准备工作。对于纳米碳纤维的分散问题,本文进行了如下研究：(1)采用多种分散剂(甲基纤维素,羟丙基甲基纤维素,十二烷基硫酸钠,十二胺,N,N-二甲基甲酰胺,十六烷基三甲基溴化铵)以单掺和复掺的方式制备纳米碳纤维悬浮液,并对悬浮液进行紫外可见光吸光度(UV-vis)测试。结果表明,当分散剂单掺时,十二烷基硫酸钠对纳米碳纤维在水溶液中的分散效果最佳,甲基纤维素和羟丙基甲基纤维素对纳米碳纤维悬浮液的分散稳定性效果最佳；当分散剂复掺时,十二烷基硫酸钠和甲基纤维素的组合对纳米碳纤维在水溶液中的分散效果最佳。当CMc：CsDs=1：5时,纳米碳纤维能够在水性体系中均匀分散。此时纳米碳纤维悬浮液的分散程度最佳,而且纳米碳纤维悬浮液的稳定性良好。(2)采用甲基纤维素作为分散剂对纳米碳纤维在水溶液中的分散性能进行了探索和研究。通过测定悬浮液的紫外可见光吸光度(UV-vis)、等温吸附曲线、zeta电位及表面张力等方法研究了甲基纤维素对纳米碳纤维分散性能的影响,并讨论分析了甲基纤维素对纳米碳纤维的分散机理。测试结果表明：甲基纤维素的加入使纳米碳纤维悬浮液的zeta电位由-15.4mV升至0；表面张力由38.87mN.m-1降至36.54mN.m-1；等温吸附曲线表明甲基纤维素在纳米碳纤维的表面为“单阶段吸附”,当甲基纤维素浓度达到0.4g·L-1时,甲基纤维素在纳米碳纤维表面饱和吸附。当纳米碳纤维达到最佳分散状态时,纳米碳纤维与甲基纤维素的浓度比为1：2。在此基础上以甲基纤维素为分散剂,制备了分散均匀的纳米碳纤维水泥基复合材料,系统研究了纳米碳纤维水泥基复合材料的力学性能,研究成果如下：(1)纳米碳纤维掺加进入水泥净浆拌合物中,不会影响水泥净浆拌合物的凝结时间,也并未影响其塌落扩展度,纳米碳纤维水泥净浆拌合物的安定性良好。(2)纳米碳纤维的掺加能够显著改善水泥净浆的力学性能,净浆试件的力学强度会随着纳米碳纤维掺量的增加呈现先提高后降低的变化趋势,纳米碳纤维水泥净浆的力学性能随养护龄期的增长而增长,当水灰比分别为0.25,0.30,0.35和0.40养护28天时,纳米碳纤维掺量为0.1wt.%时,纳米碳纤维水泥净浆复合材料的抗折强度提高最大,抗折强度分别为15.2MPa,14.1MPa,12.9MPa和12.3MPa,分别提高了16.0%,29.4%,24.0%和28.1%。纳米碳纤维的掺加对纳米碳纤维水泥净浆复合材料的抗压强度起到了增强效果,变化规律与抗折强度的变化规律相似。净浆试件的劈裂抗拉强度也会随着纳米碳纤维掺量的增加而呈现出先提高后降低的变化趋势,纳米碳纤维的掺量为0.1wt.%时,劈裂抗拉强度提高到6.63MPa,提高了28.5%。与此同时,纳米碳纤维水泥净浆复合材料的弯曲韧性达到最强。纳米碳纤维水泥净浆复合材料的韧性系数(断裂能、初裂点、完全断裂点、极限荷载力、曲线面积)均高于空白试件。试件J35-3的韧性系数最大,即纳米碳纤维的掺加量为0.1wt.%时,纳米碳纤维对水泥净浆的增韧效果达到最佳。(3)纳米碳纤维的掺加能够显著改善水泥砂浆的力学性能,砂浆试件的力学强度会随着纳米碳纤维掺量的增加呈现先提高后降低的变化趋势,纳米碳纤维水泥砂浆的抗折强度随养护龄期的增长而增长,当水灰比分别为0.25,0.30,0.35和0.40养护28天时,纳米碳纤维掺量为0.1wt.%时,纳米碳纤维水泥砂浆复合材料的抗折强度提高最大,抗折强度分别为19.9MPa,16.5MPa,15.6MPa和11.6MPa,分别提高了41.1%,38.7%,54.5%和20.8%。纳米碳纤维的掺加对纳米碳纤维水泥砂浆复合材料的抗压强度起到了增强效果,变化规律与抗折强度的变化规律相似。与此同时,纳米碳纤维水泥砂浆复合材料的弯曲韧性达到最强。纳米碳纤维水泥砂浆复合材料的韧性系数(断裂能、初裂点、完全断裂点、极限荷载力、曲线面积)均高于空白试件。试件S35-3的韧性系数最大,即纳米碳纤维的掺加量为0.1wt.%时,纳米碳纤维对水泥净浆的增韧效果达到最佳。断裂能、初裂点位移、完全断裂点位移、极限荷载力分别提高了118.11%、118.07%、117.86%和50.51%。采用多种微观分析方法,对纳米碳纤维增强水泥基材料进行了微观机理分析。研究结果表明：纳米碳纤维在水泥基基体中起到桥联、拔出等一系列的作用,纳米碳纤维在微裂缝发展过程中起到吸收传递破坏能的作用,对水泥基材料起到了改善作用。同时纳米碳纤维表面附有水泥水化产物,这种现象增强了纳米碳纤维与水泥基基体的粘结强度,能够有效改善水泥基复合材料的力学性能。纳米碳纤维的加入能够促进水泥基的水化速率,生成更多的C-S-H,有效的改善孔结构,降低孔隙率,细化孔径尺寸,能够有效改善水泥基材料的微观结构。