碳納米材料對(duì)水泥基復(fù)合材料的自收縮影響研究

羅偉

（九江鑫路交通工程有限責(zé)任公司，江西九江 332000）

0 引言

混凝土材料在長(zhǎng)期使用后，容易出現(xiàn)自收縮開(kāi)裂的現(xiàn)象，不僅影響使用功能，還可能對(duì)安全性產(chǎn)生威脅。因此，必須加強(qiáng)相關(guān)研究，以提高混凝土的耐久性，延長(zhǎng)建筑的使用壽命。

為此許多研究學(xué)者提出在混凝土混合料中添加碳納米材料并對(duì)其進(jìn)行研究。相關(guān)研究表明[1-5]碳納米材料能有效改善水泥基復(fù)合材料的性能。現(xiàn)有的研究已取得一定的成果，但在對(duì)多種碳納米材料的對(duì)比研究方面還存在一些不足[6]。

1 原材料

此次試驗(yàn)中所用到原材料包括水泥、碳納米材料、表面活性劑、消泡劑、減水劑和試驗(yàn)用水，以下對(duì)原材料進(jìn)行介紹。

1.1 水泥

試驗(yàn)所采用水泥的強(qiáng)度等級(jí)為P·O42.5R，水泥的基本物理性能指標(biāo)如表1 所示。

表1 水泥的基本性能指標(biāo)表

從表1 中可以看出此次試驗(yàn)所采用的水泥滿(mǎn)足要求。

1.2 碳納米材料

試驗(yàn)所采用的多壁碳納米管是一種管狀結(jié)構(gòu)的碳納米材料，納米碳纖維是一種中空管狀結(jié)構(gòu)的碳納米材料，石墨烯是一種薄層片狀的碳納米材料，具體的物理性能指標(biāo)如表2 所示。

表2 碳納米材料的物理參數(shù)表

1.3 表面活性劑

試驗(yàn)所采用的表面活性劑包括阿拉伯膠、甲基纖維素和聚氧代乙烯壬基苯基醚，其中阿拉伯膠（GA）是一種淡黃色的粉末，用于多壁碳納米管碳納米材料；甲基纖維素（MC）外觀顏色為白色，粉末狀，用于納米碳纖維碳納米材料；聚氧代乙烯壬基苯基醚（CO890）是一種白色的蠟狀固體，用于石墨烯碳納米材料。

1.4 消泡劑

試驗(yàn)所采用的消泡劑為磷酸三丁酯溶液（TBP），是一種無(wú)色黏稠液體。

1.5 減水劑和試驗(yàn)用水

試驗(yàn)所采用的減水劑為聚羧酸高效減水劑（PS），為淡黃色黏稠液體；試驗(yàn)用水為試驗(yàn)室蒸餾水。

2 配合比設(shè)計(jì)

為探究不同的碳納米材料摻量和水灰比對(duì)水泥基復(fù)合材料的自收縮影響，分別設(shè)置多組對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行研究，具體的配合比設(shè)計(jì)如表3、表4 和表5 所示。

表3 多壁碳納米管水泥基復(fù)合材料的配合比

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 多壁碳納米管水泥基復(fù)合材料自收縮結(jié)果分析

通過(guò)試驗(yàn)得到不同水灰比和不同多壁碳納米管摻量的水泥基復(fù)合材料自收縮結(jié)果，如圖1 所示。

圖1 多壁碳納米管水泥基復(fù)合材料的自收縮結(jié)果圖

從圖1（a）中可以看出，當(dāng)水灰比為0.25 時(shí)，不同碳納米材料摻量情況下試件的自收縮隨著齡期的延長(zhǎng)而增加，在第一天進(jìn)行測(cè)試時(shí)，試件的自收縮值增加迅速，后隨齡期的增加而緩慢增加，主要是因?yàn)樗嗟乃磻?yīng)為放熱反應(yīng)，會(huì)使材料發(fā)生熱膨脹現(xiàn)象，但此時(shí)的自收縮大于熱膨脹，從而出現(xiàn)自收縮突增的情況；從圖1（b）和（c）中可以看出，隨著齡期的延長(zhǎng)，試件的自收縮出現(xiàn)先減小后增大的變化，主要是因?yàn)樵趧傞_(kāi)始時(shí)的自收縮值小于水泥水化產(chǎn)生的熱膨脹，隨后隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，水泥的熱膨脹現(xiàn)象被削弱，使試件的自收縮增大，說(shuō)明當(dāng)水灰比較大時(shí)，在前期能減小水泥基復(fù)合材料的自收縮；同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)水灰比和齡期保持不變時(shí)，多壁碳納米管摻量的增加使水泥基復(fù)合材料的自收縮呈現(xiàn)出先減小后增加的趨勢(shì)，說(shuō)明多壁碳納米管摻量不宜過(guò)多，當(dāng)摻量為0.075%時(shí)最佳[7]。

3.2 納米碳纖維水泥基復(fù)合材料自收縮結(jié)果分析

通過(guò)試驗(yàn)得到不同水灰比和不同納米碳纖維摻量的水泥基復(fù)合材料自收縮結(jié)果，如圖2 所示。

圖2 納米碳纖維水泥基復(fù)合材料的自收縮結(jié)果圖

從圖2（a）中可以看出，當(dāng)水灰比為0.25 時(shí)，不同納米碳纖維摻量情況下試件的自收縮隨著齡期的延長(zhǎng)而增加，在第一天進(jìn)行測(cè)試時(shí)，試件的自收縮值增加迅速，后隨齡期的增加而緩慢增加，主要是因?yàn)樗嗟乃磻?yīng)為放熱反應(yīng)，使其材料發(fā)生熱膨脹現(xiàn)象，而此時(shí)的自收縮大于熱膨脹，從而出現(xiàn)自收縮突增的情況；從圖2（b）和（c）中可以看出，隨著齡期的延長(zhǎng)納米碳纖維水泥基復(fù)合材料試件的自收縮表現(xiàn)為先降低后增大的變化，主要是因?yàn)樵趧傞_(kāi)始時(shí)自收縮值小于水泥水化產(chǎn)生的熱膨脹，使得自收縮下降，隨后隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，熱膨脹現(xiàn)象被削弱，自收縮增大，說(shuō)明當(dāng)水灰比較大時(shí)，在前期能減小水泥基復(fù)合材料的自收縮；同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)水灰比和齡期一定時(shí)，隨納米碳纖維摻量的增加水泥基復(fù)合材料的自收縮表現(xiàn)為先減小后增加，說(shuō)明納米碳纖維摻量不宜過(guò)多，當(dāng)摻量為0.075%時(shí)最佳[8]。

3.3 石墨烯水泥基復(fù)合材料自收縮結(jié)果分析

通過(guò)試驗(yàn)得到不同水灰比和不同石墨烯摻量的水泥基復(fù)合材料自收縮結(jié)果，如圖3 所示。

圖3 石墨烯水泥基復(fù)合材料的自收縮結(jié)果圖

從圖3（a）中可以看出，當(dāng)水灰比為0.25 時(shí)，試件的自收縮隨著齡期的延長(zhǎng)而增加，在第一天進(jìn)行測(cè)試時(shí)，試件的自收縮值增加迅速，后隨齡期的增加而緩慢增加，主要是因?yàn)樗嗟乃磻?yīng)為放熱反應(yīng)，使其材料發(fā)生熱膨脹現(xiàn)象，而此時(shí)的自收縮大于熱膨脹，從而出現(xiàn)自收縮突增的情況；當(dāng)水灰比為0.30 和0.35 時(shí)，石墨烯水泥基復(fù)合材料試件的自收縮隨齡期的延長(zhǎng)出現(xiàn)先減小后增大的變化，主要是因?yàn)樵趧傞_(kāi)始時(shí)水泥水化產(chǎn)生的熱膨脹大于自收縮值，使自收縮下降，隨后隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行，熱膨脹被削弱，使試件的自收縮增大，說(shuō)明當(dāng)水灰比較大時(shí)，在前期能減小水泥基復(fù)合材料的自收縮；同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)水灰比和齡期一定時(shí)，隨石墨烯摻量的增加水泥基復(fù)合材料的自收縮表現(xiàn)為先降后升，說(shuō)明石墨烯摻量不宜過(guò)多，當(dāng)摻量為0.075%時(shí)最佳[9]。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究表明：碳納米材料能在一定程度上改善水泥基復(fù)合材料的自收縮性能，但碳納米的摻量不宜過(guò)多，存在最佳摻量；水灰比對(duì)自收縮的影響也較大，工程中可適當(dāng)增加水灰比。