納米碳纖維混凝土抗收縮性能研究

甄文越 陳 嫻

（1.銀川能源學院， 寧夏 750000；2.銀川能源學院， 寧夏 750000）

在非荷載的作用下，混凝土的收縮是開裂的最常見原因，所以收縮變形的大小也是用于對混凝土質量高低判斷的重要指標，尤其是對于混凝土的耐久性，更為顯著。納米碳纖維（CNFs）是化學氣相生長碳纖維的一種形式，它通過裂解氣相碳氫化合物而制備出的非連續石墨纖維[1]，是一種新型碳材料，除了具有普通碳纖維低密度、高比模量、高比強度、高導電、熱穩定性等特性外，還 具有缺陷數量非常少、長徑比大、比表面積大、結構致密等優點[2]。理論研究[3]認為，CNFs的加入使裂縫的初生需要更大的外，所以可以延緩其形成，由此增強水泥基材料的抗拉性能。分散良好的CNFs可以加速水泥的水化過程，提高水泥抗壓及彎曲強度，分散良好的CNFs可以強度，提高混凝土28d齡期的彎曲強度[4]。

礦渣細粉是一種優質的礦物摻料，它的分散性較好，常作為配制生產新型礦渣水泥的原料，以對混凝土內部的微孔結構進行改善，同時，降低水化熱及水泥的用量。

近年來國內有關納米碳纖維混凝土的研究也逐漸增多，而降其與礦渣細粉結合的研究較少。本文主要通過試驗研究納米碳纖維混凝土，在混凝土中摻入納米碳纖維以改善普通混凝土抗拉強度低、極限拉應變小、脆性大、易開裂等缺點[6]，對它的研討可以作為發展新型的高強高性能混凝土的理論基礎。

1 試驗材料

水泥采用寧夏某水泥廠生產的強度等級為42.5R的普通硅酸鹽早強水泥 。它的各項性能指標均符合國家相關標準規定；礦渣細粉采用河北石家莊靈壽縣潤發礦產品銷售公司生產的等級為S95的礦渣細粉；粗骨料采用天然粗骨料人工碎石，粒徑為5～25mm、9.5～20mm、4.75～16mm等三種顆粒級配，按照9:3:1比例混摻，表觀密度2698（kg/m3），級配合格；細骨料采用人工水洗山砂，細度模數=2.60，屬中砂；減水劑采用寧夏某公司生產的聚羧酸系高效減水劑（FDN型萘系），摻量為膠凝材料質量的 0.15%～0.45%；納米碳纖維采用南京先豐納米材料科技有限公司生產的型號為XFM60的納米碳纖維產品。

2 配合比

本項目在設計試驗時，以C60作為混凝土的強度設計標準值。根據有關要求和規程確定相關配合比。以4因素3水平L9（34）去設計正交實驗，詳見表1、2所示 ，其中礦渣細粉、CNFs的摻量均以總膠凝材料為基數，按百分比計算。

3 試驗標準

本次收縮性能測試所使用的方法是依據《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》GBT50082-2009所推薦的接觸法，試塊采用100mm*100mm*515mm 的棱柱體，每組試驗用3個試件。

表1 因素水平表

表2 正交試驗方案表

試件養護經過3d后，將標準養護室中養護的試樣拿出，各試件以間距為30mm進行擺放，放置后，及時測定時間長度作為初始長度。之后的測定均按照1d、3d、7d、14d、28d、45d、60d的時間間隔測量，每個試件每次讀數3次取平均值。混凝土收縮率按下式計算：

4 試驗結果

在正交實驗中，比較各組的砂率、水膠比，JZ-2組的和JZ組的設計一樣，對這兩組在各個齡期的強度進行對比，可以發現，JZ-2的早期抗壓強度稍微高于JZ組的，后期也有所提高，但幅度不大，這說明在水膠比為0.3的情況下，合理適量的礦渣細粉和分散良好的CNFs的加入能夠對混凝土的性能有所改善。根據試驗結果最終選擇最優配合比為：水：水泥：砂：石子：礦渣細粉：CNFs：減水劑=1:1.99:3.42:5.62:1.33:0.01。

本次試驗通過與混凝土強度等性能測定相同的配比，研究了無纖維組及最優組對混凝土收縮性的影響。表3是JZ組、F及ZJ-Y混凝土的1d、3d、7d、14d、28d、45d、60d收縮率試驗結果。

表3 JZ組、F及ZJ-Y組試樣的收縮變形值

表3中的試驗結果表明，1d時，收縮率JZ組的最大，比另外兩組的高出很多。從整個60d的時間分析，可以發現，對收縮率增速而言，JZ組的一直是比較高的，45d后呈緩慢趨勢。對于F組，整個齡期的收縮都較JZ組低，這說明加入礦渣細粉可以有效的減少混凝土的收縮值，但與最優組比較收縮率呈增大趨勢。最優組1d的收縮率是最低的。大約是JZ組混凝土的1/5多一點，為F組的將近1/2，那么可以看出在本次試驗條件下，CNFs的摻入對混凝土早期干縮值的降低有積極作用。45d后，對收縮率增長的速度而言，三個組都是比較緩慢。總體來說，JZ組收縮較大。

綜上所述，在混凝土中加入CNFs及礦渣細粉可以一定幅度的減小混凝土的干縮值，尤其是摻入CNFs后，而從最終干縮值的整體情況來看，在高強混凝土的中復合加入合理量且分散好的CNFs和礦渣細粉的最優配比，混凝土總收縮率呈降低趨勢。

5 結論

（1）將聚浚酸鹽高效減水劑水溶液作分散介質對納米級碳纖維的分散性有較好的改善；

（2）試驗研究表明，納米碳纖維混凝土早期干縮值較小。在高強混凝土的中復合加入合理量且分散好的CNFs和礦渣細粉的最優配比，混凝土的力學性能均有不同程度的提高，在耐久性方面，混凝土總收縮率呈降低趨勢。