碳納米纖維改性水泥基材料的變形及抗裂性能

葛 楠，胡卓君，劉艷明，施 韜，2，*，徐錦皓

（1.浙江工業大學 土木工程學院，浙江 杭州 310023；2.浙江工業大學浙江省工程結構與防災減災技術研究重點實驗室，浙江杭州 310023）

水泥基材料因其具有抗壓強度大、經濟性高等優點而被廣泛應用于土木工程領域，但其韌性差、易斷裂、抗拉強度低等因素造成的諸多問題同樣需要引起關注［1-3］.納米材料往往具有填充效應和橋接效應，可以抑制水泥基材料微裂紋的產生，減少收縮，提升材料的韌性［4-7］.在水泥基材料中摻入納米級材料來改善上述問題是目前采用的方法之一，應用較多的納米材料包括納米SiO2、納米MgO、納米碳材料等［8-16］.

碳納米纖維（CNFs）是一種非連續的納米級石墨纖維，具有優異的力學、導電、導熱性能.將CNFs摻入水泥基材料中，能夠改善其缺陷.Gdoutos 等［17］研究發現CNFs 能夠顯著提升水泥砂漿的力學性能，摻量為0.1%的CNFs 能使水泥砂漿彈性模量提高95%，斷裂韌性提升119%.Wang 等［18］研究發現在水泥凈漿中摻入0.2%的CNFs，能夠降低其孔隙率，通過SEM 觀察可見CNFs 表面有大量的鈣礬石包裹，表明CNFs與水泥基體之間黏結性較好.

目前針對CNFs 改性水泥基材料的研究主要集中在分散方法［19］、力學性能［20］和導電性能［21］等方面，但是對其變形及抗裂性能方面的研究較為缺乏.本文研究了CNFs 改性水泥基材料的變形及抗裂性能，利用圓環法評價了CNFs 對水泥砂漿抗裂性能的影響，并通過微觀試驗揭示CNFs對水泥基材料的改性機理.

1 試驗

1.1 原材料

水泥為海螺P·Ⅱ52.5 級水泥，其標準稠度用水量為26.5%（質量分數，文中涉及的摻量、比值等均為質量分數或質量比），初凝、終凝時間分別為123、160 min，7、28 d 抗彎強度分別為7.5、8.3 MPa，7、28 d抗壓強度分別為44.8、52.9 MPa，其化學組成見表1.試驗砂采用ISO 標準砂.CNFs 為南京先豐納米科技有限公司生產的XFM60 碳納米纖維，其物理性能見表2.CNFs 分散劑為吉龍化學建材有限公司生產的LonS-P 型聚羧酸高性能減水劑（RA）.

表1 水泥的化學組成Table 1 Chemical composition of cement

表2 CNFs 的物理性能Table 2 Physical properties of CNFs

1.2 試驗方法

1.2.1 CNFs摻量的確定及其分散

當CNFs 摻量w＞0.05%時，經超聲波分散后無法得到相對穩定的分散液［9，19-20］，因此，設定w=0%（對照組）、0.01%、0.03%、0.05%（以水泥的質量計）.

采用超聲波分散和表面修飾法對CNFs 進行分散.先將分散劑滴入蒸餾水中并充分攪拌，接著將CNFs 加入溶液并置于磁力攪拌器中攪拌5 min，隨后用FS-750T 型超聲波分散儀對混合溶液進行分散，且全程在冰水浴條件下進行，分散30 min 后得到CNFs分散液.

1.2.2 自收縮試驗

根 據ASTM C1698-09《Standard test method for autogenous strain of cement paste and mortar》，采用波紋管法進行自收縮試驗.首先將CNFs 分散液與水泥混合并用攪拌機攪拌后，得到CNFs 改性水泥凈漿，接著把凈漿裝入波紋管內，置于測試裝置上進行測試.選擇凈漿的終凝時間作為起測時間，測試條件為（23±2）℃、相對濕度RH=（50±4）%，每組3 個平行試件，結果取平均值.自收縮試驗試件的減水劑用量為0.2%，水灰比mW/mC=0.28、0.30、0.32.將自收縮試驗試件命名為PC-X，其中X=10 000w.

1.2.3 干燥收縮試驗

根據JC/T 603—2004《水泥膠砂干縮試驗方法》進行干燥收縮試驗，試件尺寸為25 mm×25 mm×280 mm.首先將CNFs 分散液與水泥混合后攪拌制得CNFs 改性水泥凈漿，接著將其裝入模具中，24 h后拆模，置于水中養護2 d，再取出試件并用濕布擦去表面及釘頭上的污垢，用比長儀測量試件的初始長度，測完后放入干縮養護箱養護，到達相應齡期t后從養護箱內取出，再次測量其長度.干燥收縮試驗試件的水灰比mW/mC=0.30，其余配合比同自收縮試驗.

1.2.4 圓環抗裂試驗

圓環抗裂試驗的裝置尺寸參考文獻［22］，將CNFs 分散液與水泥、標準砂充分混合，接著經膠砂攪拌機攪拌后裝入圓環裝置，分2 層振實，每次振實30 s；澆筑完畢后，通過應變片與導線接入TDS-303數據采集儀，并在試件上表面覆膜，1 d 后拆去鋼制外環，開始測試試件收縮應變值.整個圓環試驗過程保持在（23±2）℃、RH=（50±4）%下進行，每組3 個平行試件，結果取平均值.圓環抗裂試驗的試件水灰比mW/mC=0.50，灰砂比mC/mS=1∶3，其他配合比同自收縮試驗.將圓環抗裂試驗的試件記為MC-X.

2 結果與討論

2.1 自收縮

CNFs 改性水泥凈漿的自收縮曲線見圖1.由圖1可見，整個CNFs 改性水泥凈漿自收縮過程大致可以分成3 個階段：第1 個階段為水泥凈漿終凝后的10 h之內，該階段隨著水泥水化而快速收縮，此階段接近完成整體收縮量的40%；第2 個階段為終凝后的10～20 h，該階段水泥凈漿的收縮放緩，甚至有略微膨脹現象，可能是因為早期水泥水化放熱量較大，溫度升高導致膨脹，此外水化產物鈣礬石的生成也可能導致凈漿的體積膨脹［23］；第3 個階段為平穩收縮階段，在到達終凝后的150～160 h，水泥凈漿收縮值基本趨于穩定.

圖1 CNFs 改性水泥凈漿的自收縮曲線Fig.1 Autogenous shrinkage curves of CNFs modified cement pastes

由圖1 還可見：水灰比對水泥凈漿的自收縮也有一定影響，當CNFs 的摻量為0.05%時，隨著水灰比的增大，水泥凈漿的自收縮降低，當mW/mC=0.28、0.30、0.32 時，PC-5 的自收縮穩定值相較于對照組分別減少了4.6%、6.3%、10.5%；CNFs 的摻入，對水泥凈漿自收縮產生一定的抑制效果，且在達到終凝后（150～160 h 內）其自收縮基本趨向穩定；隨著CNFs摻量的增加，其對水泥凈漿自收縮的抑制效果更好.這是因為CNFs 具有較高的長徑比，能夠橋連漿體內部的微裂縫，對水泥凈漿自收縮產生約束作用，從而減少其收縮值［24］.另外，CNFs 的納米尺寸能夠填充水泥漿體的毛細孔隙［25］，減少毛細孔中的水分消耗，降低毛細壓力，能夠一定程度地解決水泥漿體的自收縮應力問題，從而抑制其自收縮變形［26］.

2.2 干燥收縮

CNFs 改性水泥凈漿的干燥收縮曲線見圖2.由圖2 可見：早期隨著測試齡期的增長，水泥凈漿干燥收縮值不斷增大，15 d 之后其干燥收縮值增速降低，并逐漸趨于穩定；隨著CNFs 摻量的增加，水泥凈漿的干燥收縮值逐漸減小，PC-5 在50 d 時收縮值相較于對照組減少了6.8%，其抑制干燥收縮的效果優于PC-1 和PC-3.CNFs 對水泥凈漿干燥收縮的抑制效果可能與2 個方面的因素有關：一方面，干燥收縮值與毛細孔中毛細表面張力密切相關，CNFs 能夠填充漿體中的微孔，減少孔隙率，使水泥凈漿結構更為致密，整體剛度提升，降低了毛細張力，從而減少了干燥收縮［25，27］；另一方面，CNFs 表面具有豐富的細孔、邊緣以及石墨層間距，使其具有很大的比表面積，在水化早期吸水浸潤其表面，并在其中儲存部分水分，隨著水化的進行，CNFs 早期的吸附水釋放出來，使水泥基內部保持較高的相對濕度，從而降低了干燥收縮值［28］.

圖2 CNFs 改性水泥凈漿的干燥收縮曲線Fig.2 Drying shrinkage curves of CNFs modified cement pastes

2.3 圓環應變

CNFs 改性水泥砂漿的圓環應變曲線見圖3（時間起始點為拆去外環后的時間點）.由圖3 可見：0～10 h，CNFs 改性水泥砂漿的圓環應變快速增大，隨后應變增長速率趨于平穩；摻CNFs 的水泥砂漿圓環應變小于對照組，且MC-5 的圓環應變最小；隨著CNFs摻量的增大，水泥砂漿的開裂時間依次延長，MC-1與MC-3 開裂時間較為接近，分別比對照組延長了11.5%、13.8%，MC-5 的開裂時間為96.5 h，比對照組延長了48.5%；MC-1、MC-3、MC-5 的開裂圓環壓應變較對照組分別減少了8.8%、10.4%、10.2%.CNFs能夠延緩水泥砂漿的開裂，主要原因可能在于CNFs能夠橋連砂漿基體中的微裂紋，對水泥砂漿的收縮產生一定的約束，同時CNFs 能夠填充內部的孔隙，使結構變得更加致密，從而減少由于毛細孔中水分消耗引起的收縮，延長開裂時間.

圖3 CNFs 改性水泥砂漿的圓環應變曲線Fig.3 Ring strain curves of CNFs modified cement mortars

2.4 CNFs改性水泥基材料增韌機制

28 d 水泥凈漿的SEM 圖見圖4.由圖4 可見：未摻CNFs 的凈漿在裂紋處無纖維連接，斷裂韌性相對較差；摻CNFs 凈漿時，CNFs 錨固在基體之中，并且有纖維被拔出.當界面出現剪切應力時，導致裂紋發生一定的偏轉，此過程消耗了額外應變能，CNFs 充當微裂縫與水化產物之間的橋梁，起到較好的橋接作用［1，18］，能夠有效抑制水泥基材料內部微裂縫的擴展，限制水泥基材料的收縮變形，增強水泥基材料的抗裂性能［7，29-30］.因此，在水泥基材料中加入適量CNFs，能夠抑制其自收縮和干燥收縮，延緩水泥 基材料的開裂時間［19，25，27］.Wang 等［31］發現水泥基材料中嵌入的CNFs，可以充當跨越基體中空隙和裂縫的橋梁和網絡，保證載荷在張力下的傳遞.

圖4 28 d 水泥凈漿的微觀形貌圖Fig.4 SEM images of cement pastes at 28 d

3 結論

（1）碳納米纖維（CNFs）能抑制水泥凈漿的自收縮和干燥收縮，且隨著CNFs 摻量的增大，其抑制效果更為明顯.相比于對照組，水灰比為0.28、0.30、0.32 時，CNFs 摻量為0.05%的水泥凈漿自收縮穩定值分別減少4.6%、6.3%、10.5%.

（2）CNFs 能夠延緩水泥砂漿的開裂時間，且隨著CNFs 摻量的增加，水泥砂漿的開裂時間延長，當CNFs 摻量為0.01%～0.05%時，水泥砂漿的開裂時間相比對照組分別延長11.5%、13.8%、48.5%.

（3）CNFs 在水泥基材料中產生的橋連和拔出效應，延緩了裂紋的擴展，從而減少了CNFs 改性水泥砂漿的收縮變形，并提高了材料的抗裂性能.