碳基摻雜水泥基復合材料導熱性能及機理研究

王永林

(中鐵十七局集團第一工程有限公司，運城 044000)

混凝土因其原料來源廣泛、生產工藝簡單、價格低廉而被廣泛應用。但混凝土存在抗拉強度低、易開裂等問題，尤其是大體積混凝土因內外部較大溫度應力更易開裂[1-3]。碳纖維、碳納米管、石墨和炭黑等材料具有較高的導熱系數[4,5],已有大量學者研究碳基材料增強復合材料，特別是碳纖維、石墨和炭黑作為添加劑來改善其力學性能和導熱性能[6,7]。向超等[8,9]研究發現，對于碳纖維、碳納米管等比表面積較大的材料如果摻量過高會在砂漿中引入大量氣泡，也可能發生團聚，無法單絲狀均勻分布，不僅無法改善性能，還會導致材料的力學性能、導熱性能變差。結合現有文獻和研究方法，該文采用碳纖維、石墨和炭黑研究碳基摻雜水泥基復合材料的導熱性能及作用機理。通過全自動壓汞儀(MIP)測定了孔徑分布并表征孔體積，采用掃描電子顯微鏡(SEM)進行微觀結構分析，闡明力學、導熱性能的提升機理。

1 實 驗

1.1 原材料

水泥：江南-小野田水泥有限公司生產的PⅡ52.5硅酸鹽水泥，化學組成見表1。粉煤灰：南京某電廠I級粉煤灰。石墨：青島富雷克石墨新材料有限公司生產的200目鱗片狀石墨，碳含量95%。炭黑：棗莊華龍炭黑有限公司生產的N660炭黑。碳纖維：東麗碳纖維(廣東)有限責任公司生產的3 mmT800短切碳纖維，碳含量95%，抗拉強度5 490 MPa。細骨料：采用天然河砂，細度模數2.5，表觀密度2.6 g/cm3。減水劑：西卡建筑材料有限公司生產的聚羧酸減水劑，固含量40%，減水率≥30%。水：南京市自來水。

表1 膠凝材料的化學組成 w/%

1.2 測試方法

采用DYB-300/10抗折抗壓恒應力試驗機對試件進行不同齡期抗壓強度和抗折強度測試。采用IMDRY3001-Ⅱ雙平板導熱系數測定儀對試件進行導熱性能測試，試件標準養護28 d，105 ℃烘干至恒重，參照GB/T 10294—2008執行，其中設置冷板為15 ℃、熱板為35 ℃。采用AutoPoreⅣ 9510全自動壓汞儀(MIP)對試件進行孔隙率測試，試驗參照GB/T 21650.1—2008；采用Sirion場發射掃描電子顯微鏡(SEM)進行微觀結構分析，選取烘干的樣品中表面較為平整的樣品，進行360 s噴金。

1.3 樣品制備

在基準配合比B0的基礎上，分別摻雜不同比例的碳基材料，實驗配合比見表2。采用水泥膠砂攪拌機進行樣品制備，參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法》執行，模具尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，養護溫度為(20±2)℃，相對濕度≥95%。

表2 水泥基復合材料的配合比

2 結果與分析

2.1 碳基材料摻雜水泥基復合材料性能研究

2.1.1 不同摻量碳基材料對復合材料力學性能的影響

不同碳纖維摻量復合材料的力學性能如圖1所示。CF0.1組28 d的抗折、抗壓強度較基準組提高25%、20%。碳纖維摻量達到0.5%時，CF0.5組各齡期的抗折、抗壓強度較基準組已有降低。隨著石墨摻量的增加，抗壓、抗折強度逐漸提高。實驗發現，低摻量石墨的早期抗折強度發展基本一致，G2.5組較基準組的28 d抗折強度提高41%。抗壓強度表現出隨摻量增加先下降后上升的趨勢，G2.5的抗壓強度較基準組提高18%。隨著炭黑摻量的增加，抗壓、抗折強度逐漸提高，當炭黑摻量超過2.5%時力學性能降低。

2.1.2 不同摻量碳基材料對復合材料導熱性能的影響

不同碳纖維摻量下的水泥基復合材料的導熱系數如圖2所示，導熱系數隨著碳纖維摻量的增加先提高后降低。當碳纖維的摻量小于0.3%時，導熱系數隨著碳纖維摻量的提高而增大，CF0.1組較基準組提高7.5%；當碳纖維摻量進一步提高，導熱系數隨之增大，并在摻量為0.3%時達到峰值，較基準組提高14.5%。進一步提高碳纖維摻量，導熱系數開始減小，CF0.5組較CF0.3組降低19.9%，且低于基準組。隨著石墨摻量的提高，導熱系數也不斷增大。分析這是由于石墨的高導熱性，在基體中提供多條導熱通道；另一方面，石墨的摻入使水泥水化產物更加密實，增強了基體的導熱能力。隨著炭黑摻量的提高，各組導熱系數不斷提高。CB2.5組導熱系數較基準組提高36%。分析因為炭黑的高導熱性，此外炭黑的摻入為水泥水化提供更多成核點，水化產物更加密實，增強水泥基復合材料的導熱能力。

2.2 碳基材料影響水泥基復合材料導熱性能機理研究

2.2.1 孔隙率

通過圖3可知，四組不同碳纖維摻量的水泥基復合材料總孔體積從小到大依次為：B0、CF0.1、CF0.3、CF0.5。B0組孔徑集中在10 nm附近，屬于無害孔或少害孔；CF0.1、CF0.3、CF0.5組孔徑集中在10 nm附近，在10～100 nm分布增加，即無害孔總體積變小，少害孔、有害孔總體積增大；CF0.5組孔體積分布曲線在1 μm處出現峰值，即CF0.5組出現一定量的多害孔。證明碳纖維的摻入會引入氣泡，從而造成水泥基材料力學性能、導熱性能的劣化。

由圖3(a)可知，四組不同石墨摻量的水泥基復合材料總孔體積由小到大依次為：G2.5、G0.5、G1.5、B0。四種石墨摻量的水泥基材料孔徑都集中在10 nm附近，但摻入石墨的水泥基材料孔徑分布向右偏移，說明摻入石墨引起水泥基材料孔隙尺寸增加，但孔隙尺寸仍處于無害孔及少害孔范圍內；G2.5、G1.5組峰值較小且整體孔隙率小于基準組B0，說明石墨的摻入一定程度上能夠起到密實水泥基材料的作用，提升基體力學性能、導熱性能。根據圖3，三組不同炭黑摻量的水泥基復合材料總孔體積由小到大依次為：B0、CB2.5、CB1.5、CB0.5。三組炭黑摻量的水泥基復合材料孔徑集中在10 nm附近，CB1.5組在10～1 000 nm之間的孔隙數量明顯高于其他三組，CB2.5孔徑向左略微偏移多且集中于10 nm附近。CB2.5組總孔體積較基準組大，但是少害孔數量減少，無害孔數量增多，力學性能、導熱性能有所提高。

2.2.2 微觀結構

由圖4 (a)可見，基準組中分布著部分孔隙，缺陷較少。由圖4(b)可見，水泥基體中出現裂紋且相比于基準組較寬，結合前文中孔結構數據，CF0.5組平均孔徑也大于B0組。CF0.5組加入碳纖維的同時，引入較多的氣泡，并且空氣的導熱系數非常小，所以抗折、抗壓強度有所下降以及導熱性能方面也較基準組的提升有限。

在圖4(c)中石墨顆粒不均勻分布并且在圖中很難觀察到明顯的孔隙以及裂紋，整體結構非常致密，石墨搭接形成導熱通道，有助于提高石墨摻雜水泥基復合材料的力學性能和導熱性能。圖4(d)中裂紋數量較少，孔隙孔徑小，且炭黑顆粒較為均勻的分布在基體中。炭黑粒徑較小、吸水率高的特性影響水泥水化進而影響基體的微觀結構，同時炭黑為水化產物提供更多成核點，產物更加密實，增強水泥基復合材料的力學性能和導熱性能。

3 結 語

碳纖維組抗折、抗壓強度和導熱性能隨著碳纖維摻量增加先提高后降低，石墨組和炭黑組隨著石墨和炭黑摻量增加而提高；摻碳纖維水泥基復合材料孔徑增大、孔隙率不斷提高，摻石墨、炭黑孔徑減小、孔隙率降低。水泥基復合材料力學性能和導熱性能提高的原因是石墨和炭黑充當基體的微集料和成核點以及碳纖維的橋接作用引起的。