随着高技术武器的不断发展，防护工程面临的碰撞、冲击、侵彻、爆炸等威胁日益严峻。混凝土作为建造防护工程的主要材料，其力学性质直接关系到工程结构的战时保障效能。《混凝土力学特性及界面机理：基于碳纳米管-碳纤维多尺度协同增强效应》聚焦于通过研发新型混凝土材料，以强化防护工程的抗力水平，具有重要的科研价值与工程意义。《混凝土力学特性及界面机理：基于碳纳米管-碳纤维多尺度协同增强效应》基于碳纳米管-碳纤维多尺度协同增强效应，系统研究了混凝土材料的力学性能提升与界面优化机理。《混凝土力学特性及界面机理：基于碳纳米管-碳纤维多尺度协同增强效应》共9章，详细阐述了碳纳米管-碳纤维多尺度增强混凝土的制备技术、动力特性和界面增强机制，旨在为提升传统混凝土材料的力学特性提供新的解决方案。其中，第1章为综述，第2章至第5章为多尺度纤维增强混凝土力学特性研究，第6章至第8章为多尺度纤维增强混凝土界面特性分析，第9章为结论与展望。

第1章综述
　　1.1相关背景及意义
　　当今世界，局部冲突、恐怖袭击和自然灾害频发，军事及民用领域建筑结构的服役环境日趋复杂多变。建筑材料是维持工程结构在使用过程中安全稳固的物质基础。因此，着重针对建筑材料实现其力学性能的优化与升级，进而提高建筑结构在极端荷载作用下的生存能力，已经成为学术界钻研探索的热点课题。
　　防护工程作为国防建设的关键组成部分，历来被认为是国家安全的重要屏障，其对于抵抗敌方武器的杀伤破坏作用，保障己方人员生命财产及能源物资安全具有一定的战略意义。20世纪90年代以来，全球科技创新进入前所未有的活跃时期，各种新概念武器蓬勃发展，其攻击范围、命中精度和杀伤能力实现了质的飞跃，这使得防护工程所面临的威胁与考验形势日趋严峻。2017年4月7日，美军向叙利亚霍姆斯市附近的沙伊拉特空军基地发射了59枚“战斧”式巡航导弹，致使叙军多处单机掩蔽库及作战防御工事被严重摧毁（图1.1），从而在美军发动的空袭中陷入被动挨打的尴尬境地。近年来的局部战争，特别是由土耳其主导的“春天之盾”军事行动以及阿亚战争（纳卡冲突）更是将空袭作战推进无人机时代P1。如图1.2所示，随着人工智能和云技术的高速发展，武装无人机力量可充分利用高维度优势对低维度战场军事设施和防护工程体系实施精确打击。实践表明，信息化高科技战争条件下，矛盾较量、攻防对抗的战争基本样式并没有发生本质改变，而攻击性武器的毁伤效果却对防护工程的防御能力提出了更加严苛的新要求。建筑材料是决定防护工程抗力水平的核心因素，因此，针对高强、高性能的建筑材料进行更加深入的探究具有非常重要的意义。与此同时，随着社会经济实力的飞速增长，我国在交通运输、土木工程等领域不断取得骄人的成就，民航机场、跨海桥梁、高速铁路、超高层建筑等越来越多的大型基础设施陆续建成并投入运营。这些民用建筑工程的建造及其维护同样离不开高性能建筑材料的研发与应用。
　　当前，混凝土凭借其易于施工、经久耐用、可设计性强等优点俨然已成为国防工程和基础设施建设中使用*为普遍的建筑材料值得关注的是，普通混凝土属于典型的非均质准脆性材料，其韧性差、抗拉强度和极限变形都相对较小，并且具有显著的应变率敏感性，在动荷载作用下会表现出与静态时不同的力学特征和破坏行为。而棍凝土结构在整个服役过程中往往不可避免地承受急剧变化的动态荷载，比如地震、爆炸、高速撞击等，尤其是军事防护工程，有很大概率会遭受武器袭击、导弹侵彻等强烈冲击荷载的作用。因此，为了满足混凝土结构抗震防爆性能的要求、持续提高防护工程的抗力水平和保障能力，亟须实现混凝土材料力学性能的新跃升。
　　添加纤维材料是对混凝土改性的一种重要方法。其中，碳纤维(carbon fiber，CF）掺入混凝土后可以起到增强、阻裂的作用，并且能赋予混凝土导电、压敏、电磁屏蔽等智能化功能特性。然而，碳纤维表面光洁圆滑，呈现化学惰性，难以与基体材料实现有效的界面结合，同时受自身尺度所限，碳纤维无法抑制混凝土内部纳米级微裂纹的萌生与扩展。碳纳米管(carbon nanotube，CNT）是一种管状的纳米材料，其不仅可以单*分散到复合材料的基体内作为增强填料，还可以应用到纤维复合材料之中，对纤维复合材料进行辅助增强，被认为是纤维增强复合材料的理想添加相。为实现对碳纤维的表面改性，研究人员通过相应的技术手段在碳纤维原丝上引入碳纳米管，成功地制备出碳纳米管-碳纤维多尺度增强体本书称之为碳纳米管-碳纤维复合多尺度纤维(carbon nanotube/carbon fiber composite multiscale fiber，CNT-CF），简称多尺度纤维）。CNT-CF是一种由纳米量级的碳纳米管与微米量级的碳纤维相互连接构筑而成，拥有特殊微纳分级结构的全碳体系多尺度纤维材料，其既能够增加碳纤维的表面活性与粗糖程度，又可以解决碳纳米管易聚集成团的问题，进而使复合材料形成良好的界面结合[气因此，CNT-CF可较好地应用于混凝土增强技术研究中，利用CNT-CF对混凝土进行改性，可以克服碳纤维表面性能差、与混凝土基体黏结力弱等缺点，对于充分发挥碳纤维和碳纳米管的跨尺度协同增强效应，改善增强体与基体之间的机械啮合力以及界面应力传递能力，*终有效提升混凝土的力学性能具有极大潜力。
　　鉴于此，本书依托国家自然科学基金项目“中高应变率下碳纳米管/碳纤维多尺度增强混凝土的动力特性及界面增强机制研究”(51908548）和陕西省科学技术协会青年人才托举计划项目“碳纳米管/碳纤维改性混凝土静动力学特性及微观破碎机制研究”（20200415），针对现有研究存在的不足和工程实践中亟待解决的基础性关键科学问题，聚焦于进一步巩固强化军事防护工程及民用建筑结构的抗力水平，将CNT-CF掺入混凝土中，制备碳纳米管-碳纤维多尺度增强混凝土(carbon nanotube/carbon fiber multi-scale reinforced concrete，CMFRC，简称多尺度纤维增强混凝土），结合CMFRC的基本静力性能及其在冲击荷载作用下的动态压缩力学特性，探究CMFRC静动态力学行为的响应规律。*后，基于损伤力学和Weibull统计理论对CMFRC动态全应力-应变*线进行本构方程拟合，并从微观层面阐释CNT-CF对混凝土宏观力学性能的影响机制。相关研究成果不仅能够为混凝土类结构性复合材料的性能改良设计提供探索方向和必要的科学依据，还可以为CMFRC在国防**及民用设施建设中的实际应用奠定理论和技术基础，具有重要的科学内涵与工程意义。
　　1.2国内外研究现状
　　随着经济社会的快速发展，对混凝土性能的要求越来越高，碳纤维和碳纳米管凭借其优异的力学、电学、热学特性而被认为在混凝土等水泥基复合材料的改性研究中具有广阔的应用前景。本节结合国内外文献，对相关领域所涉及的重点研究方向及重要研究进展进行总结与提炼分析。
　　1.2.1碳纤维和碳纳米管分散性研究现状
　　对于混凝土等水泥基复合材料而言，增强组分在基体中的良好分散性是充分发挥其自身优异性能的关键前提。目前国内外关于碳纤维和碳纳米管在水泥基复合材料中分散性的试验研究已经有较多代表性的报道。
　　1.碳纤维在水泥基复合材料中的分散性
　　碳纤维的抗拉强度和弹性模量很高，而且比重低、耐高温、抗腐蚀，利用碳纤维对水泥基材料进行改性研究的历史可以追溯至20世纪中叶。只有当碳纤维的分散均匀性满足要求时，其对水泥基复合材料的改良作用才能得到充分发挥。
　　在国外，Chung等*早通过一系列试验测试发现，采用甲基纤维素作为分散剂，能够避免已分散开的碳纤维再次聚集成团，有效促进碳纤维在水泥浆体中的分散；同时该研究团队还指出，采用对碳纤维表面进行修饰处理的方法使其表面形成具有亲水性的基团或涂层，也可以较好地提升碳纤维的分散效果。Garces等％经过试验研究发现，在普通水泥砂浆中分别掺入占水泥质量0.5%、20%的碳纤维和硅灰，可以制备出孔隙率较低的碳纤维增强水泥砂浆，这说明超细硅灰的掺入对碳纤维的分散性具有优化作用。Al-Dahawi等对比分析了超声波处理和物理搅拌两种混合方式对碳纤维改性水泥基复合材料电阻率及抗压强度的影响，认为采取将所有干燥原材料混合后机械搅拌10miii，加水后再继续搅拌10min的方法，可以制备得到基体导电性及抗压强度相对*优的碳纤维增强水泥基复合材料，这主要是因为超声波处理对碳纤维的分散效果较弱，不如机械搅拌过程中由物料之间的相互剪切效应而产生的摩擦分散作用效果明显。Gao等通过比较分析碳纤维在普通硅酸盐水泥中的多种掺加方案，系统研究了投料顺序对碳纤维在水泥基复合材料中分散程度的影响，结果表明，预混法（先将碳纤维投入搅拌，再掺加水泥）的分散效果要优于后掺法（水泥加水搅拌成浆体后，再投入碳纤维）。Lu等提出采用在碳纤维表面包覆一层薄Si02涂层从而改善其分散性能的方法，进一步丰富和发展了碳纤维在水泥基复合材料中的分散技术。此外，Raunija等@发现在不添加任何分散剂的情况下，利用球磨机物理研磨的方式，可以使碳纤维单丝剥离，从而有助于碳纤维达到均匀分散的效果。
　　国内相关领域的学者同样针对碳纤维在水泥基复合材料中的分散性进行了大量试验研究。尚国秀将碳纤维分别采用浓硝酸与次氯酸钠溶液进行处理，通过观察处理之后碳纤维的微观形貌状态，发现氧化处理能够增加碳纤维表面的亲水性，而且提高了碳纤维与水泥石基体之间的界面黏结强度。钱觉时等_通过对碳纤维增强水泥砂楽进行扫描电子显微镜（SEM）测试与微观孔结构分析发现，相较于甲基纤维素而言，聚羧酸减水剂对碳纤维分散效果的促进作用更加明显；同时该研究表明，聚羧酸减水剂既能够调整水泥基复合材料拌和物的工作性能，还可以改善碳纤维在水泥基体中的分散性，因此，合理使用聚羧酸减水剂对于提高碳纤维增强水泥基复合材料的整体性能具有积极效应。岳彩兰1311通过分析投料顺序对新拌混凝土坍落度的影响，发现采用干混同掺的制备工艺，即直接将碳纤维投入粗细骨料的固体混合物中进行充分搅拌，更有利于碳纤维在混凝土内部达到均匀分散的效果。孙杰和魏树梅[321将碳纤维分散到含有羟乙基纤维素的水溶液中，再将该分散液倒入含有超细硅粉的固体混合物中，通过人工快慢交替搅拌的方式，制得碳纤维增强水泥基复合材料，针对材料微观结构的测试结果表明，大多数碳纤维在水泥基体中呈现单丝状态，分布比较均匀，分散状态比较理想。
　　上述文献分析表明，国内外学者针对碳纤维的分散性探索了许多处理方法，主要集中于掺加分散剂、表面改性处理、调整制备工艺等方面。虽然每项试验研究中所采用的材料配比并不相同，现有评价碳纤维分散均匀程度的方法也不尽统一，但这些研究成果推进了碳纤维分散手段的进一步发展，能够较好地解决碳纤维在水泥基复合材料中的分散问题。
　　2.碳纳米管在水泥基复合材料中的分散性
　　碳纳米管是纳米量级的纤维类材料，根据碳原子层数的不同，可分为如图1.3所示的单壁和多壁两种结构形式。碳纳米管长径比极高（100～1000），比表面积巨大（是碳纤维的390倍），平均弹性模量约为1TPa，抗拉强度(50-200GPa）是同体积钢材的100倍，质量却仅为钢材的14%～17%。碳纳米管相较于常规纤维的力学特性更加出色，在作为填料对水泥基复合材料进行增强方面具有非常大的发展潜力。但碳纳米管颗粒之间存在很强的分子间作用力，使其极易相互缠绕结团，难以分散在水溶液或其他溶剂中。
　　一般而言，需要*先对碳纳米管进行分散处理，然后才能将其更加均匀地掺入水泥浆体中，从而确保其充分发挥对水泥基复合材料的改性增强效果。目前，相关学者已经针对物理处理（研磨、机械搅拌以及超声波处理）和化学处理（共价键修饰、非共价键修饰）141，421对碳纳米管分散性的影响开展了许多探索与研究。
　　李庚英和王培铭依次将碳纳米管与水泥、砂、消泡剂混合，经10min快速搅拌后制得碳纳米管增强水泥砂浆，结果表明，碳纳米管在基体中分散较好，并且能够改善水泥砂浆的孔隙结构；在此基础上，后续试验研究发现，将碳纳米管与粉煤灰混合后，再采用球磨机高速研磨2h，可进一步提升碳纳米管的分散效果。而Parveen等认为，直接将碳纳米管与其他原材料混合并进行机械搅拌，碳纳米管的分散效果依然有限，应该*先使碳纳米管在液体中分散，从而使其随混合液一同加入水泥楽体中。Materazzi等[46]借助机械搅拌的方式，成功将液体中的碳纳米管分散到水泥基体中，制备出可用于监测结构应变动态响应的碳纳米管/水泥基复合材料传感器。Szleifer和Yeruslialmi发现利用超声波处理技术可使碳纳米管之间的范德瓦耳斯力减弱，从而有助于其达到良好的分散效果。Koh等研究了超声处理过程中所采用的功率对碳纳米管在水溶液中分散特性的影响，结果显示，较低功率和较长时间的超声处理可使碳纳米管以单根形态分散到水溶液中。Mendoza等_发现，利用超声的方法对碳纳米管进

目录
前言
第1章 综述 1
1.1 相关背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 3
1.2.1 碳纤维和碳纳米管分散性研究现状 3
1.2.2 纤维增强混凝土研究现状.7
1.2.3 碳纤维表面改性研究现状 11
1.2.4 碳纳米管–碳纤维复合多尺度纤维研究现状 16
1.2.5 混凝土本构模型研究现状 19
1.2.6 混凝土界面过渡区研究现状 20
1.2.7 分子模拟研究现状 22
1.3 现有研究存在的问题与不足 24
1.4 本书研究内容 24
第2章 碳纳米管–碳纤维复合多尺度纤维的制备及性能表征 26
2.1 引言 26
2.2 试验原料与仪器设备 26
2.2.1 原材料及试剂 26
2.2.2 试验仪器及设备 26
2.3 电泳沉积制备CNT-CF 28
2.3.1 电泳沉积技术 28
2.3.2 碳纤维表面沉积碳纳米管 29
2.3.3 超声辅助电泳沉积机理分析 32
2.4 CNT-CF的性能测试与表征 33
2.4.1 CNT-CF表面形貌特征 34
2.4.2 CNT-CF表面化学状态 35
2.4.3 CNT-CF微观界面剪切 37
2.4.4 CNT-CF的界面增效机制 38
2.5 小结 41
第3章 多尺度纤维增强混凝土力学试验设计 42
3.1 引言 42
3.2 混凝土试件的制备 42
3.2.1 原材料及其性能 42
3.2.2 配合比设计 46
3.2.3 试件制备 47
3.3 试验设计与方法 51
3.3.1 试验方案 51
3.3.2 试验设备及方法 52
3.3.3 动力试验应变率的选择 55
3.4 SHPB试验原理与相关技术 57
3.4.1 SHPB试验基本原理 57
3.4.2 波形整形技术 58
3.4.3 平均应变率的确定 59
3.5 小结 60
第4章 多尺度纤维增强混凝土静态力学特性研究 62
4.1 引言 62
4.2 静力强度特性分析 62
4.2.1 抗压强度 62
4.2.2 抗折强度 64
4.2.3 折压比 66
4.3 破坏失效模式分析 67
4.3.1 立方体压缩破坏 67
4.3.2 棱柱体断裂破坏 70
4.4 与CFRC的对比分析 71
4.5 机理分析 72
4.6 小结 74
第5章 多尺度纤维增强混凝土动态压缩力学特性研究 76
5.1 引言 76
5.2 CMFRC的动态压缩力学特性 76
5.2.1 应力–应变*线 78
5.2.2 强度特性 80
5.2.3 变形特性 82
5.2.4 冲击韧性 83
5.2.5 破坏形态 85
5.3 分析与讨论 87
5.4 CMFRC 的动态压缩本构关系.88
5.5 小结 93
第6章 多尺度纤维增强混凝土界面过渡区研究 95
6.1 引言 95
6.2 试验方法 95
6.3 试验结果与分析 99
6.3.1 试验结果 99
6.3.2 物相体积分数分析 101
6.3.3 界面过渡区物相分析 107
6.4 混凝土界面过渡区均匀化模型 108
6.4.1 均匀化理论简介 108
6.4.2 均匀化模型 109
6.5 小结 113
第7章 多尺度纤维增强混凝土界面拉拔模拟研究 115
7.1 引言 115
7.2 分子力场 115
7.2.1 分子力场的能量项 115
7.2.2 常见的分子力场 118
7.3 分子系综 120
7.4 温度控制方法 121
7.5 动力学模型的建立 122
7.5.1 碳纳米管模型 122
7.5.2 碳纤维初始模型 123
7.5.3 混凝土模型 123
7.5.4 环氧树脂模型 125
7.5.5 多尺度纤维/混凝土界面模型 126
7.5.6 普通碳纤维/混凝土界面模型 127
7.5.7 多尺度纤维/环氧树脂界面模型 129
7.5.8 普通碳纤维/环氧树脂界面模型 130
7.6 相互作用能与界面作用力的计算 132
7.6.1 相互作用能 133
7.6.2 *大拉拔力 133
7.7 小结 134
第8章 多尺度纤维增强混凝土的微观结构及机理分析 136
8.1 引言 136
8.2 微观结构测试与分析 136
8.2.1 试样准备及测试仪器 136
8.2.2 基于SEM试验技术的微观形貌特征分析 138
8.2.3 基于MIP试验技术的孔隙结构特征分析 140
8.2.4 基于XRD试验技术的水化物相特征分析 153
8.3 CMFRC的微观改性机理分析 156
8.3.1 纤维结构的多尺度设计 156
8.3.2 CMFRC的微观结构物理模型 157
8.3.3 CNT-CF对混凝土的改性机制 158
8.4 小结 160
第9章 结论与展望 161
9.1 结论 161
9.2 展望 163
参考文献 165