碳納米管增強水泥材料抗折性能研究

朱奎勝　許衛華

摘 要：本文制備了摻雜不同比例碳納米管（CNT）的水泥基復合材料試件，按照《GB/T17617-1999水泥膠砂強度檢驗方法》研究碳納米管對水泥材料抗折強度的影響。結果表明：碳納米管的摻入顯著改變材料的抗折力學性能，當碳納米管摻量達到0.3% 時，水泥復合材料的抗折強度比空白試樣有較大幅度的增強，隨著養護齡期的增長，碳納米管對水泥復合材料的抗折強度增強作用下降。

關鍵詞：水泥;碳納米管;抗折強度

0 引言

水泥材料是現代建筑中應用最廣泛、使用最成功的結構材料，在世界范圍內大量使用。隨著建筑技術的進步，超高層和大跨度建筑結構越來越多地出現在世界各地，這些現代建筑對結構材料提出了更高的要求。水泥材料也由傳統僅依靠其承載能力的單一功能，向復合化、高耐久性、高強高性能化、功能化及智能化等方向發展。

碳納米管是一種石墨結晶的管狀碳材料，其質量輕、硬度高、強度高，力學性能優異，適合作為水泥基復合材料的增強體。加入碳納米管的水泥材料在力學性能增強的同時，可賦予復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護不同齡期的水泥凈漿硬化體，利用液壓萬能試驗機對其抗折強度進行測試分析，探究碳納米管的加入對水泥抗折力學性能的影響，并從微觀角度對產生影響的原因進行分析。

1 試驗

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型改性有機硅液體消泡劑;脫模油。

1.1.1 試樣制備

碳納米管水泥基復合材料試驗，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，加入攪拌鍋中進行攪拌，先慢速攪拌3 min，中間停15s，加入質量為水泥質量的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個試樣，將試模放到振實臺進行振實，振搗密實后抹平放入標準養護箱中養護，養護1天后拆模，拆模后再放入標準養護箱中進行各齡期養護。

1.1.2 測試方法

對制備的試樣采用液壓萬能試驗機進行抗折測試。按照規范《GB/T17617-1999水泥膠砂強度檢驗方法》的三點彎曲實驗方法測試抗折強度。測試過程如圖1所示。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

采用三點彎曲法進行抗折強度測試，得到碳納米管水泥復合材料試件的抗折強度與齡期的關系曲線如圖2所示，不同碳納米管摻量的試件在齡期28天時的抗折強度變化曲線如圖3所示。

由圖2 CNT摻量和齡期對抗折強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合材料，在不同的齡期時，抗折強度隨著碳納米管摻量的增加有明顯增強趨勢。由圖3不同摻量在28天齡期的抗折強度變化曲線也可以看到，當碳納米管摻量為0.1%時，碳納米管水泥基復合材料的抗折強度為7.55Mpa，與空白水泥凈漿試件相比，增長率為41.92%;當碳納米管摻量為0.2%時，碳納米管水泥基復合材料的抗折強度為7.28Mpa，增長率為36.84%;當碳納米管摻量為0.3%時，碳納米管水泥基復合材料的抗折強度最大為9.02Mpa，增長率為69.55%;當碳納米管摻量為0.4%時，碳納米管水泥基復合材料的抗折強度為6.98Mpa，增長率為23.785%。變化趨勢表明，當碳納米管參量達到0.3%時，隨著摻量的繼續增加，抗折強度增長率反而會降低，這說明碳納米管摻量的增加不會無限提高水泥材料的抗折強度，反而當摻量過大時，會影響水泥的水化反應過程，延長水化時間，影響水泥的強度。

另外從各齡期的抗折強度變化趨勢看，齡期越長，碳納米管對抗折強度的增強能力呈現下降趨勢，這說明，當水泥齡期較短時，水化反應還沒有充分進行，水泥的強度較低，碳納米管在這個階段可以提供較明顯的增強作用，隨著齡期增長，水泥自身的強度提高以后，碳納米管的增強作用反而呈下降趨勢。

2.2 結果分析

根據以上試驗結果，從微觀角度看，由于分散較好的碳納米管加入對水泥材料凝結時的橋接作用，改善了水泥復合材料的孔結構及材料的抗裂性能，進而增強水泥材料的抗折力學性能。碳納米管可以影響水泥水化反應的時間和速度，隨著摻量的增加，對水泥的化學反應速率影響更明顯，水泥的力學性能也會有明顯變化。化學反應同時改變了水泥與碳納米管之間的作用力，在與水化產物反應的過程中，碳納米管的表面發生改變，促使碳納米管水泥基復合材料的力學性能得到有效改善。

碳納米管在水泥中的分散性對強度的影響也非常明顯，當碳納米管摻量較低時，在溶液中更容易分散，而當摻量較高時，碳納米管極易纏結在一起，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，發生團聚可能性增加，使碳納米管之間形成較大網狀結構，網狀結構在水泥內部產生孔隙，降低了水泥的密實性。由此可見，適量的碳納米管摻加在水泥基復合材料中，碳納米管均勻分散于基體中，碳納米管的優越力學性能才能在水泥材料中最大限度地發揮出來。

3 結論

本文對摻雜碳納米管的水泥材料的抗折性能進行了試驗研究，得出以下結論：

3.1 碳納米管的摻入顯著改善了材料的抗折性能?？拐蹚姸入S著碳納米管摻量的增加有明顯增強趨勢，但是，碳納米管的增強作用不會隨著摻量的增加無限地提高，當摻量過大時，會影響水泥的水化反應過程，延長水化時間，反而降低水泥的強度。

3.2 碳納米管在水泥中的分散性對材料的抗折強度有較大的影響。當碳納米管分散較好時，能夠在水泥中發揮明顯的橋連作用，增強水泥的抗折強度。當碳納米管分散較差時，會產生明顯的團聚，影響水泥水化反應和硬化后的密實性，進而降低材料的抗折性能。

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