碳納米管增強(qiáng)水泥材料抗折性能研究

朱奎勝　許衛(wèi)華

摘 要：本文制備了摻雜不同比例碳納米管（CNT）的水泥基復(fù)合材料試件，按照《GB/T17617-1999水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》研究碳納米管對(duì)水泥材料抗折強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：碳納米管的摻入顯著改變材料的抗折力學(xué)性能，當(dāng)碳納米管摻量達(dá)到0.3% 時(shí)，水泥復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度比空白試樣有較大幅度的增強(qiáng)，隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增長，碳納米管對(duì)水泥復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度增強(qiáng)作用下降。

關(guān)鍵詞：水泥;碳納米管;抗折強(qiáng)度

0 引言

水泥材料是現(xiàn)代建筑中應(yīng)用最廣泛、使用最成功的結(jié)構(gòu)材料，在世界范圍內(nèi)大量使用。隨著建筑技術(shù)的進(jìn)步，超高層和大跨度建筑結(jié)構(gòu)越來越多地出現(xiàn)在世界各地，這些現(xiàn)代建筑對(duì)結(jié)構(gòu)材料提出了更高的要求。水泥材料也由傳統(tǒng)僅依靠其承載能力的單一功能，向復(fù)合化、高耐久性、高強(qiáng)高性能化、功能化及智能化等方向發(fā)展。

碳納米管是一種石墨結(jié)晶的管狀碳材料，其質(zhì)量輕、硬度高、強(qiáng)度高，力學(xué)性能優(yōu)異，適合作為水泥基復(fù)合材料的增強(qiáng)體。加入碳納米管的水泥材料在力學(xué)性能增強(qiáng)的同時(shí)，可賦予復(fù)合材料良好的耐久性、功能性等綜合性能。本文制備了摻雜不同比例碳納米管并養(yǎng)護(hù)不同齡期的水泥凈漿硬化體，利用液壓萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)其抗折強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試分析，探究碳納米管的加入對(duì)水泥抗折力學(xué)性能的影響，并從微觀角度對(duì)產(chǎn)生影響的原因進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

普通硅酸鹽水泥（P·O42.5）：鄭州天瑞水泥有限公司，性能參數(shù)見表1;多壁碳納米管（MCNT）：蘇州恒球石墨烯科技有限公司，參數(shù)見表2;碳納米管分散劑：聚乙烯吡咯烷酮K30;HB-03型改性有機(jī)硅液體消泡劑;脫模油。

1.1.1 試樣制備

碳納米管水泥基復(fù)合材料試驗(yàn)，采用水灰比為0.4的水泥凈漿作為基體，分別摻雜不同比例的碳納米管。摻量分別為：0、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%，試樣編號(hào)為A0-A6。分散劑摻量為0.6%，消泡劑摻量為0.2%。

碳納米管水泥基復(fù)合材料的制備過程：稱量分散劑加入到蒸餾水中，用玻璃棒攪拌至分散劑完全溶解;稱量碳納米管加入到分散劑溶液中，邊加邊攪拌，至碳納米管充分分散在溶液中;將分散好的碳納米管懸浮液倒入砂漿攪拌鍋中，并倒入蒸餾水，稱取定量水泥，加入攪拌鍋中進(jìn)行攪拌，先慢速攪拌3 min，中間停15s，加入質(zhì)量為水泥質(zhì)量的0.13%的消泡劑，快速攪拌5min、最后將攪拌好的混合料倒入刷有脫模油的試模中。試模尺寸均為40mm×40mm×160mm，每組試件制作3個(gè)試樣，將試模放到振實(shí)臺(tái)進(jìn)行振實(shí)，振搗密實(shí)后抹平放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)1天后拆模，拆模后再放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行各齡期養(yǎng)護(hù)。

1.1.2 測(cè)試方法

對(duì)制備的試樣采用液壓萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行抗折測(cè)試。按照規(guī)范《GB/T17617-1999水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》的三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試抗折強(qiáng)度。測(cè)試過程如圖1所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

采用三點(diǎn)彎曲法進(jìn)行抗折強(qiáng)度測(cè)試，得到碳納米管水泥復(fù)合材料試件的抗折強(qiáng)度與齡期的關(guān)系曲線如圖2所示，不同碳納米管摻量的試件在齡期28天時(shí)的抗折強(qiáng)度變化曲線如圖3所示。

由圖2 CNT摻量和齡期對(duì)抗折強(qiáng)度的影響曲線可以看出，在相同水灰比的條件下，摻量不同的碳納米管水泥復(fù)合材料，在不同的齡期時(shí)，抗折強(qiáng)度隨著碳納米管摻量的增加有明顯增強(qiáng)趨勢(shì)。由圖3不同摻量在28天齡期的抗折強(qiáng)度變化曲線也可以看到，當(dāng)碳納米管摻量為0.1%時(shí)，碳納米管水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度為7.55Mpa，與空白水泥凈漿試件相比，增長率為41.92%;當(dāng)碳納米管摻量為0.2%時(shí)，碳納米管水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度為7.28Mpa，增長率為36.84%;當(dāng)碳納米管摻量為0.3%時(shí)，碳納米管水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度最大為9.02Mpa，增長率為69.55%;當(dāng)碳納米管摻量為0.4%時(shí)，碳納米管水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度為6.98Mpa，增長率為23.785%。變化趨勢(shì)表明，當(dāng)碳納米管參量達(dá)到0.3%時(shí)，隨著摻量的繼續(xù)增加，抗折強(qiáng)度增長率反而會(huì)降低，這說明碳納米管摻量的增加不會(huì)無限提高水泥材料的抗折強(qiáng)度，反而當(dāng)摻量過大時(shí)，會(huì)影響水泥的水化反應(yīng)過程，延長水化時(shí)間，影響水泥的強(qiáng)度。

另外從各齡期的抗折強(qiáng)度變化趨勢(shì)看，齡期越長，碳納米管對(duì)抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)能力呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，這說明，當(dāng)水泥齡期較短時(shí)，水化反應(yīng)還沒有充分進(jìn)行，水泥的強(qiáng)度較低，碳納米管在這個(gè)階段可以提供較明顯的增強(qiáng)作用，隨著齡期增長，水泥自身的強(qiáng)度提高以后，碳納米管的增強(qiáng)作用反而呈下降趨勢(shì)。

2.2 結(jié)果分析

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，從微觀角度看，由于分散較好的碳納米管加入對(duì)水泥材料凝結(jié)時(shí)的橋接作用，改善了水泥復(fù)合材料的孔結(jié)構(gòu)及材料的抗裂性能，進(jìn)而增強(qiáng)水泥材料的抗折力學(xué)性能。碳納米管可以影響水泥水化反應(yīng)的時(shí)間和速度，隨著摻量的增加，對(duì)水泥的化學(xué)反應(yīng)速率影響更明顯，水泥的力學(xué)性能也會(huì)有明顯變化?；瘜W(xué)反應(yīng)同時(shí)改變了水泥與碳納米管之間的作用力，在與水化產(chǎn)物反應(yīng)的過程中，碳納米管的表面發(fā)生改變，促使碳納米管水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能得到有效改善。

碳納米管在水泥中的分散性對(duì)強(qiáng)度的影響也非常明顯，當(dāng)碳納米管摻量較低時(shí)，在溶液中更容易分散，而當(dāng)摻量較高時(shí)，碳納米管極易纏結(jié)在一起，并且碳納米管溶液與水泥在攪拌的過程中，碳納米管摻雜比例較高時(shí)，發(fā)生團(tuán)聚可能性增加，使碳納米管之間形成較大網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在水泥內(nèi)部產(chǎn)生孔隙，降低了水泥的密實(shí)性。由此可見，適量的碳納米管摻加在水泥基復(fù)合材料中，碳納米管均勻分散于基體中，碳納米管的優(yōu)越力學(xué)性能才能在水泥材料中最大限度地發(fā)揮出來。

3 結(jié)論

本文對(duì)摻雜碳納米管的水泥材料的抗折性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

3.1 碳納米管的摻入顯著改善了材料的抗折性能?？拐蹚?qiáng)度隨著碳納米管摻量的增加有明顯增強(qiáng)趨勢(shì)，但是，碳納米管的增強(qiáng)作用不會(huì)隨著摻量的增加無限地提高，當(dāng)摻量過大時(shí)，會(huì)影響水泥的水化反應(yīng)過程，延長水化時(shí)間，反而降低水泥的強(qiáng)度。

3.2 碳納米管在水泥中的分散性對(duì)材料的抗折強(qiáng)度有較大的影響。當(dāng)碳納米管分散較好時(shí)，能夠在水泥中發(fā)揮明顯的橋連作用，增強(qiáng)水泥的抗折強(qiáng)度。當(dāng)碳納米管分散較差時(shí)，會(huì)產(chǎn)生明顯的團(tuán)聚，影響水泥水化反應(yīng)和硬化后的密實(shí)性，進(jìn)而降低材料的抗折性能。

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