納米碳纖維混凝土抗沖耐磨性能研究

陳 嫻 白 劍

（1.銀川能源學院， 寧夏 750000；2.寧夏水務投資集團， 寧夏 750000）

混凝土的抗沖耐磨強度是一個相對指標，用以比較各類混凝土的抗沖耐磨性能。在水流或夾砂石水流的作用，混凝土表面會產生不同程度的磨損，長期作用，會降低混凝土的耐久性。目前，國內外采用的提高混凝土抗沖耐磨性能的主要措施有很多，一方面可以在設計時，改善工程的布置和工程結構，避免直接沖刷，另一方面，就是采用抗沖耐磨的優質材料，改善混凝土的性能。

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。

粉煤灰的減水作用可以一定程度的降低混凝土中水泥的用量，對于一級粉煤灰來說，它內部的微珠含量是比較高的，耐磨性也很好，因此，如果在混凝土中加入合適的粉煤灰，可以有效的削弱混凝土表面的磨損和沖蝕，能夠一定程度的提高混凝土的抗沖耐磨性能。

近年來國內外有關納米碳纖維混凝土的研究也在逐漸增多，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、極限拉應變小等缺點[4]，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 試驗原材料的選擇

本項目的試驗所用水泥選自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 ，其性能指標均符合國家相關標準規定；粉煤灰選用寧夏銀欣源熱點工貿有限公司生產的Ⅰ級粉煤灰，其性能指標均符合相關標準規定；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 試驗方法及設備

因為現有水工混凝土工程中，受到抗沖磨破壞的形式存在差異，所以在試驗方法和抗沖磨性能評定指標和標準上也有著很大的差異，就目前的方法分析，水工混凝土工程中普遍使用的試驗方法，有圓環法和氣流挾砂噴射法及水下鋼球法。

結合本項目試驗研究內容及試驗條件，此次試驗選擇國外常見方法即“水下鋼球法”進行試驗。所用儀器為天津北辰建工試驗儀器廠生產的HKS混凝土抗沖磨試驗機測定儀，各項性能指標均達到DL/T5150-2001《水工混凝土試驗規程》的相關標準和要求。在采用“水下鋼球法”進行試驗的過程中，其原理是利用筒內旋轉的水流去循壞沖擊筒內不同直徑的鋼球，再通過鋼球帶去的沖擊對預制混凝土表面進行循壞磨損，以此來測定混凝土表面抗水流沖擊磨損的能力。

3 配合比設計

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 ，因素粉煤灰、納米碳纖維的摻入量都是按試驗所用的總膠凝材料為計算基礎，采用百分比計算。

表1 因素水平表

表2 正交試驗方案表

4 抗沖耐磨試驗設計

根據正交試驗，篩選出力學性能最優的一組，進行抗沖耐磨性能的試驗研究。

優選組的配合比為：水泥：水：砂：石子：粉煤灰：CNFs：減水劑=1:0.38:1.52：2.48:0.25:0.002:0.004。

在進行抗沖耐磨試驗時，每組試驗配制三個試件，在水中至少浸泡 48小時后，取出試件后，擦干，稱量并記錄；取下容器筒，將試件放入容器筒內托盤上，擰緊螺桿，進行固定；將鋼球放入試件的表面上，在試樣容器內加水至水面高出攪拌槳上端面10～15 mm；啟動電機，每次間隔24小時，就要在鋼筒內加1至2次的水，以保證筒內水位與原水位保持一致，減少試驗誤差；取出筒內已經磨損的試件之前，一定要保證試塊在鋼筒內沖磨的時間已經累計達到了72個小時，取出后需要擦干，即可稱取磨損后的試件的重量，與初始重量作對比，記錄數據，然后分析。分析的過程中需要依據兩個指標——抗沖磨強度和磨損率，具體計算如下：

（1）抗沖磨強度：

Δ M——經時段沖磨后，試件損失的累計質量，kg；

T ——試驗累計時間，h；

A——試件受沖磨面積，m2；

（2）磨損率：

式中： L——磨損率，%；

5 試驗數據與分析

試驗數據統計如表1所示，對此混凝土試件進行28天的抗沖磨強度和磨損率數據結果比較分析，結果如圖1和圖2所示。

表1 混凝土抗沖磨性能試驗數據表

圖1 28d抗沖磨強度對比圖

圖2 28d混凝土磨損率對比圖

首先對表 1中的數據進行分析對比，能夠發現，加入粉煤灰的混凝土的抗沖耐磨強度與比基準組混凝土的抗沖耐磨強度高，這說明粉煤灰的加入可以減小混凝土表面的磨損和沖蝕，而優選組混凝土與基準組相比較，抗沖耐磨強度上升的趨勢相對更大一些，磨損率降低程度也更為明顯；與對比組相比，混凝土 28d抗沖磨強度也提高了很多，磨損率降低效果較為顯著。

由圖1、圖2分析可得，對比組與優選組組的抗沖耐磨性能均明顯高于基準組，可見粉煤灰和合理摻量且分散好的納米碳纖維的摻入可不同程度得使得混凝土的抗沖磨強度有所提高。

6 結論

（1）對正交試驗的優選組進行抗沖耐磨性能的試驗研究，可以得出本此試驗的優選組的配合比為：水泥：水：砂：石子：粉煤灰：CNFs：減水劑=1:0.38:1.52：2.48:0.25:0.002:0.004。

（2）沖耐磨性能試驗研究表明，優選組的磨損率均小于同等條件下對比組與基準組的，磨損率較基準組降低程度明顯，說明合理摻量且分散好的納米碳纖維能夠有效的削弱其表面的磨損和沖蝕，能夠一定程度的提高水工混凝土的抗沖耐磨性能。

（3）經濟效益分析：對比市場上的納米碳纖維價格，整體而言還是比較高的，這將在一定程度上會使得單方混凝土的造價有所提高，但是從另一個層面分析，我們可以看到如果采用價格很低的粉煤灰來等量代替一定比例的水泥，會使得水泥的造價有所減小，這樣的話，就可以彌補因納米碳纖維的加入而增加的投資費用，而且納米碳纖維的少量加入使得混凝土整體的性能都趨于良好，因此，從長遠角度來分析，納米碳纖維混凝土還是能帶來一定的經濟和社會效益。