納米級碳纖維混凝土材料性能分析

弋楠 晁靜

摘要：如今，隨著各種科學技術的發展，尤其是納米技術在混凝土領域中的應用，使得混凝土材料不斷朝著高性能和高功能方向發展，讓混凝土具有更加廣闊的應用，同時也促進了建筑行業的發展。作為一種新型建筑材料，納米級碳纖維混凝土逐步被國內外學者研究，試圖提高納米級碳纖維混凝土的應用效果。文章通過實驗分析，研究了幾種不同配合比納米級碳纖維的力學性能，主要包含材料的抗彎強度和劈裂強度。實驗結果表明，自密實混凝土比普通混凝土具有更好的抗彎強度和劈裂強度;納米級碳纖維的分散性越好，越有利于混凝土的力學性能;當納米級碳纖維的摻量為1.5%左右時，納米級碳纖維自密實混凝土的劈裂強度最大;當納米級碳纖維的摻入量大約為1%時，納米級碳纖維自密實混凝土的抗彎性能最好。

關鍵詞：納米級碳纖維混凝土;性能;劈裂強度;抗彎強度

中圖分類號：TU528

文獻標識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）12-0065-05

在建筑材料中，混凝土屬于一種用量最大、用途最廣的材料，并且在一定程度上決定著建筑物的質量和安全性[1]。如今，混凝土工程變得愈發復雜、大型化，混凝土材料的性能要求就不斷變高[2-3]。傳統混凝土會受到諸多因素影響，導致其應用范圍受到很大的局限，自從納米技術在混凝土中的應用，打破了傳統混凝土材料的局限性，使得混凝土具有更好的性能，并且想著智能化、多功能化不斷發展，極大的促進了混凝土的使用效果和范圍[4-5]。納米級碳纖維混凝土屬于一種新型混凝土材料，其中就應用了納米技術，文章通過對該材料在不同配合比條件下進行實驗研究，從而能夠更好的了解納米級碳纖維混凝土材料的力學性能[6]。

1 實驗部分

1.1 實驗材料和儀器

納米級碳纖維混凝土材料的主要原材料有納米級碳纖維、水泥、粗骨料、細骨料、自來水、高效減水劑、消泡劑等，其中納米級碳纖維的類型比較多，文章選擇的納米級碳纖維的平均直徑為150nm，生產過程中使用的改進壓實方法，并且是經過低溫熱處理和氧化處理的納米級碳纖維。

制作納米級碳纖維混凝土材料所用到的材料比例如表1所示，其中涉及到幾種不同的材料比例，H表示的不加入納米級碳纖維的混凝土，即普通混凝土，目的在于作為對照組。NCH代表的是加入納米級碳纖維的普通混凝土，ZH代表的是不加納米級碳纖維的自密實混凝土，NCZH其中的代表的是加入納米級碳纖維的自密實混凝土，數字代表加入納米級碳纖維的量。

實驗所需要的儀器有萬能材料試驗機、攪拌機、線性可變差動位移傳感器等。

1.2 試樣制作

1.2.1 納米級碳纖維普通混凝土試樣的制作

第1步：將自來水和減水劑進行混合為溶液;待用，第2步：再對水泥、粗骨料、細骨料放人離心混凝土攪拌機中進行攪拌均勻;第3步：將納米級碳纖維加入到溶液中進行高速攪拌，對其進行分散，攪拌時間為3min即可;第4步：將該溶液倒人攪拌機中和干料進行一起攪拌，攪拌時間設置在3 - 5min之間;第5步：對其坍塌度進行檢測，當該值處于10 - 20cm之間時才滿足試樣要求，然后將滿足坍塌度要求的混凝土倒人模具中振搗抹平;第6步：對混凝土進行拆模和養護，24h之后即可拆模，另外，需要在水中養護28d。

1.2.2 納米級碳纖維自密實混凝土試樣的制作

第2步：將自來水、減水劑和部分消泡劑進行混合為溶液，待用;第2步和第3步同上;第4步：將剩余的消泡劑和溶液加入到攪拌機中和干料進行混合攪拌，攪拌時間同上;第5步：測量混凝土的表觀穩定指標（在0 - 0.5之間）和塌落擴展度（50 - 63cm之間）;第6步同上。

1.3 實驗介紹

1.3.1 納米級碳纖維}昆凝土劈裂試驗

通過使用萬能材料試驗機進行測試，其中加載速度設置為250N/s，當試樣發生破壞之后停止加載。一共對表1中的8種混凝土進行了實驗分析，劈裂實驗裝置圖如圖1所示。

1.3.2 納米級碳纖維混凝土抗彎實驗

實驗主要針對納米級碳纖維混凝土在純彎狀態下的抗彎性能進行分析測試，目的在于能夠更好的得知混凝土內部應力分布情況。由于是進行抗彎實驗，將試樣的尺寸設置為一個長方體混凝土梁，對試樣進施壓時的受力圖如圖2所示，圖2中P表示的是荷載，M表示的是彎矩，V表示的剪力，a為荷載位置，試樣通過這種受力情況，在2個P之間的混凝土梁從理論上講之受到純彎作用。然后使用萬能材料試驗機對試樣進行實驗，其中加載位移速度首先設置為0.25mm/min，當荷載值達到IOOON之后，將其位移速度縮小至0.05mm/min，當試驗遭到荷載的破壞之后即停止加載。為了得到實驗過程中混凝土的變形，需要在支座處和中間部分安裝線性可變差動位移傳感器[7]。該實驗只對表1中的5種自密實混凝土進行了實驗。

在實驗過程中彎矩和彎矩比需要通過計算得到，于是梁中心處的彎矩M和最大彎矩Mmax的公式如下所示[8]：

其中a表示的是荷載距離支座的長度，f表示的是混凝土試樣的最大抗壓強度。

于是可以通過下述公式計算出梁的彎矩比：

2 實驗結果和分析

2.1 劈裂試驗結果和分析

表2和表3即為8種不同配合比混凝土的平均劈裂強度。為了更加直觀的展現出納米級碳纖維混凝土材料的劈裂強度變化趨勢，制作了如圖3和圖4所示的曲線圖，其中圖3對應的表2，圖4對應的表3。

從表2和圖3中可以看出，納米級碳纖維混凝土和H進行相比較，沒有加入纖維混凝土H的劈裂強度更大，并且明顯比另外2種納米級碳纖維混凝土的劈裂強度大，增強率甚至快接近一半，并且還可以看出，當加入的納米級碳纖維量更多時，混凝土的劈裂強度越低。出現這種現象與納米級碳纖維的分散性有關，當纖維的量加大時，分散性就會降低，于是就會降低混凝土的劈裂強度。

從表3和圖4中可以看出，對于納米級碳纖維自密實混凝土來將，當加入的納米級碳纖維量越來越多時，其劈裂強度表現出先增大后降低的趨勢，并且相較于沒有加入納米級碳纖維的自密實混凝土，其劈裂強度有所增加，但是增加效果并不顯著，最大增強率在7%左右。納米級碳纖維自密實混凝土的劈裂強度大于ZH，主要原因在于自密實混凝土具有更好的流動性，所以有助于提高納米級碳纖維的分散性。另外，從圖4中可以看出，其中劈裂強度最大時，納米級碳纖維的摻量為1.5%，所以，為了使得混凝土的劈裂強度最大，將納米級碳纖維的摻量設置為1.5%比較合適。

通過上述分析表明，自密實混凝土相較于普通混凝土具有更好的流動性，所以能夠使得納米級碳纖維具有更好的分散性，于是其劈裂強度更大，所以當納米級碳纖維具有更好的分散性時，加入到混凝土中能夠提高其劈裂強度。對于普通混凝土，加入過量的納米級碳纖維并不利于其劈裂強度，反而會適得其反。最后，子納米級碳纖維自密實混凝土中，纖維摻人量為1.5%時，自密實混凝土的劈裂強度最大。

2.2 抗彎試驗結果和分析

由于納米級碳纖維自密實混凝土材料的劈裂強度更大，于是研究材料的抗彎能力時沒有對納米級碳纖維普通混凝土材料進行實驗分析。完成納米級碳纖維自密實混凝土的抗彎實驗之后，獲得5種不同配合比下混凝土梁中心撓度的變化，圖5表示的是撓度和荷載之間的關系，圖6表示的是撓度和彎矩之間的關系。

從圖5和圖6中可以看出，在自密實混凝土中加入納米級碳纖維時，能夠提高材料的抗彎性能。當納米級碳纖維摻人量為1%時，相較于不含納米級碳纖維的自密實混凝土，其撓度增加超過了50%，并且在其他3個配合比中具有最好的抗彎強度和延展性。當納米級碳纖維摻人量增加時，材料的抗彎性能有所降低，但是相比于ZH，NCZH15、NCZH20、NCZH25的延展性還是有所增強，只是沒有NCZH10增長得明顯。所以當納米級碳纖維的摻人量比較多時，并不會有利于增強混凝土材料的性能，反而會降低混凝土自身強度。

實驗過程中獲得混凝土最大承載能力和最大撓度的值如表4所示，從中可以明顯的看出，當納米級碳纖維的摻入量為1%時，此時梁中心最大撓度最大，相較于沒有加入納米級碳纖維的自密實混凝土，提高了達到了56%左右。

通過上述對納米級碳纖維自密實混凝土材料的抗彎實驗可知，當選擇的納米級碳纖維具有很好的分散性時，加入到自密實混凝土材料中能夠提高材料的抗彎性能。另外，當納米級碳纖維摻人量較多時，會降低材料的抗彎性能。最后，當納米級碳纖維的摻入量大約為1%時，此時納米級碳纖維自密實混凝土的抗彎性能最好。

3 結語

納米級碳纖維混凝土材料包含多方面的性能分析，文章只對其力學性能中的劈裂和抗彎進行了實驗研究，由于納米級碳纖維加入到2種不同混凝土中，自密實混凝土比普通混凝土能夠讓纖維具有更好的分散性，于是能夠提高納米級碳纖維混凝土材料的劈裂強度和抗彎強度;當納米級碳纖維加入量過多時，就會導致其在混凝土中分散性降低，就會影響到混凝土的性能，所以加入的納米級碳纖維需要適量才有利于材料性能提高。從實驗結果可知，當納米級碳纖維摻入量為1.5%時，自密實混凝土的劈裂強度最大，當納米級碳纖維的摻人量大約為1%時，此時納米級碳纖維自密實混凝土的抗彎性能最好。所以，總之，納米級碳纖維混凝土材料中如果能夠提高納米級碳纖維的分散性，那么就能夠提高混凝土材料的基本物理力學性能。

參考文獻

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