多壁碳納米管的類型對水泥砂漿強度的影響機理

楊 凡，楊 杰，趙欣宇，楊寶森，侯文詩

(1.北京中巖大地科技股份有限公司，北京 100041;2.中鐵廣州工程局集團港航工程有限公司，廣州 510000)

碳納米管于20世紀90年代被發(fā)現(xiàn)，具有彈性模量高，長細比大等優(yōu)異的物理力學性能。碳納米管可以被氧化，使其表面嫁接多種官能團，因此在水泥基材料領域得到了廣泛的應用[1，2]。

許多學者研究了碳納米管增強不同環(huán)境下的水泥基材料的力學性能[3，4]。Sindu使用Gum Arabic(GA)分散MWCNTs，然后將分散液與水泥混合制備MWCNTs/水泥復合材料，他發(fā)現(xiàn)MWCNTs摻量為0.02%時，抗拉強度提高了17%[5]。張迪探究了碳納米管摻量對水泥凈漿靜態(tài)和動態(tài)抗壓強度的影響，他發(fā)現(xiàn)當碳納米管摻量為0.03%時，水泥凈漿的靜態(tài)和動態(tài)抗壓強度最高，比空白組增加了13.5%和55.8%[6]。界面過渡區(qū)對砂漿的強度有重要影響，然而，目前關于碳納米管類型對界面過渡區(qū)的研究較少。因此論文探究了不同類型的碳納米管對水泥砂漿抗壓和抗折強度的影響，通過背散射和壓汞等方法探討碳納米管對水泥砂漿界面過渡區(qū)厚度和孔隙率的影響，分析其對強度的影響機理。

1 試 驗

1.1 原材料

試驗所用水泥為普通硅酸鹽水泥PO42.5，比表面積350 m2/kg。試驗所用砂的粒徑范圍0.08～2.0 mm。試驗所用減水劑是固含量為25%的聚羧酸減水劑。試驗所用的多壁碳納米管有兩種：原狀碳納米管(YCNT)和羧基碳納米管(SCNT)，它們的物理性質如表1所示。

表1 原狀碳納米管和羧基碳納米管的物理性質

1.2 試樣制備

碳納米管-水泥砂漿復合材料的配比為水∶水泥∶砂= 0.45∶1∶3，碳納米管摻量為水泥質量的0.04%、0.08%和0.12%。制備碳納米管-水泥砂漿復合材料的過程如下：按照配比準確稱量水、減水劑和碳納米管，將它們混合后放在磁力攪拌器中攪拌20 min，然后使用超聲分散裝置分散20 min，制備出碳納米管分散液。將YCNT分散液命名為Y-0.04%(0.08%/0.12%)，SCNT分散液命名為S-0.04%(0.08%/0.12%)。不摻碳納米管的砂漿命名為SJ；摻YCNT的砂漿命名為SJ-Y-4(8/12)；相似地，摻SCNT的砂漿命名為SJ-S-4(8/12)。

1.3 試驗方法

砂漿的抗壓和抗折強度采用JYW-300D抗壓抗折一體機進行測試。

碳納米管分散液的吸光度采用SolidSpace-3700紫外可見分光光度計進行測試，測試前需要將1.2節(jié)中制備的分散液稀釋15倍，使用260 nm波長的光測試。

背散射的測試使用ZEISS MERLIN Compact儀器。測試前，首先將樣品使用環(huán)氧樹脂冷鑲在模具內，然后使用400～2 500目的砂紙進行打磨拋光，最后使用金剛石懸浮液和絲綢進行拋光，直至試樣的平整程度滿足要求。

壓汞測試采用AutoPore Iv 9510，試樣尺寸為12 mm×12 mm×12 mm，壓力范圍為0.5～62 354.6 psi。

2 強度測試結果

碳納米管-水泥砂漿的抗折強度如圖1所示。SJ的抗折強度為5.8 MPa，摻入碳納米管后，砂漿的強度呈增大的趨勢。SJ-Y-4、SJ-Y-8和SJ-Y-12的抗折強度分別為6.1 MPa、6.5 MPa和5.7 MPa，隨著YCNT摻量的增大，砂漿抗折強度先增大后降低，最大增長幅度為12.1%。摻入SCNT后，砂漿抗折強度的變化趨勢與SJ-Y相同，即先增大后降低，SCNT摻量為0.08%時最大。在相同摻量下， SJ-S均比SJ-Y的抗折強度更大，說明SCNT對砂漿抗折強度的增強效果更為優(yōu)異。SJ-Y的抗壓強度隨著YCNT摻量的增大呈先增加后降低的趨勢。碳納米管摻量相同時，SJ-S的抗壓強度均高于SJ-Y，當SCNT摻量為0.08%時，SJ-S的抗壓強度最大，達到48.7 MPa，比SJ和SJ-S-8分別增大了26.5%和9.9%。

3 微觀機理分析

3.1 碳納米管分散液的吸光度

圖2為YCNT和SCNT分散液的吸光度。碳納米管摻量越高，吸光度越大。碳納米管摻量相同時，SCNT的吸光度均大于YCNT，最大增加幅度為14.8%(碳納米管摻量為0.08%時)。吸光度越大，碳納米管的分散程度越高，試驗結果表明，相同摻量下，SCNT的分散程度更高，這是因為SCNT嫁接有羧基，羧基具有親水性，在超聲分散的作用下，羧基可以與水形成氫鍵，在水中分散的更為均勻，并且其穩(wěn)定性更高。一般情況下，分散程度越大，性能提升效果越明顯。吸光度的結果也說明了SJ-S的抗壓和抗折強度要高于SJ-Y的原因。

3.2 孔結構

孔結構對水泥砂漿的力學性能有重要影響。表2展示了碳納米管-水泥砂漿的最可幾孔徑和孔隙率。對于最可幾孔徑，摻入碳納米管后，與SJ相比，總體呈降低趨勢，其中SJ-S-8的最可幾孔徑最小，為83 nm，比SJ的最可幾孔徑(95 nm)降低了12.6%。對于相同類型的碳納米管，最可幾孔徑隨著摻量的增大呈先降低后增大的趨勢；碳納米管摻量相同時，摻入SCNT的砂漿的最可幾孔徑更小。最可幾孔徑和孔隙率的結果表明，適量碳納米管可以降低水泥砂漿的孔隙率，這是由于碳納米管摻入后堵住了較大的孔隙，降低了孔體積。但是當碳納米管摻量過多時，由于分散不充分，碳納米管聚集成團，在其周圍形成了較大的孔隙，反而增加了水泥砂漿的孔隙率。相同摻量下的碳納米管相比，SCNT對孔隙率的降低效果更優(yōu)異，這是因為SCNT上的羧基可以吸附Ca2+，從而在碳納米管表面生成C-S-H，進一步降低了孔隙的體積[7]。

表2 碳納米管-水泥砂漿的最可幾孔徑和孔隙率

3.3 界面過渡區(qū)

除了孔隙率，水泥砂漿界面過渡區(qū)的厚度對其力學性能也有重要影響。對于界面過渡區(qū)厚度的確定，通常采用條帶法，具體過程如圖3所示。各組的界面過渡區(qū)厚度如圖4所示。摻入碳納米管后，界面過渡區(qū)厚度呈降低趨勢，但是SJ-Y-12的界面過渡區(qū)厚度增大。碳納米管摻量相同時，摻入SCNT的砂漿的界面過渡區(qū)厚度更小，其中SJ-S-8的界面過渡區(qū)厚度最小，為27.2 μm，比SJ降低了11.1%，比SJ-Y-8降低了4.6%。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是碳納米管的摻入可以在漿體中形成三維網絡結構，增加漿體的密實性，降低了其厚度。對于不同類型的碳納米管，由于SCNT上的羧基吸附Ca2+，使其表面生成C-S-H，密實程度進一步增大，界面過渡區(qū)厚度更小。界面過渡區(qū)厚度的變化規(guī)律與砂漿的抗壓抗折強度相一致，這闡述了SJ-S-8的抗壓和抗折強度最大的原因。

4 結 論

a.碳納米管可以增強水泥砂漿的抗壓和抗折強度，最佳摻量為0.08%，并且SCNT的增強效果更為明顯。

b.碳納米管摻量相同時，SCNT的吸光度大于YCNT，說明SCNT的分散程度更大。

c.碳納米管可以降低砂漿的最可幾孔徑、孔隙率和界面過渡區(qū)厚度，摻量為0.08%時降低效果最佳。