多壁碳納米管的類型對(duì)水泥砂漿強(qiáng)度的影響機(jī)理

楊 凡，楊 杰，趙欣宇，楊寶森，侯文詩(shī)

(1.北京中巖大地科技股份有限公司，北京 100041;2.中鐵廣州工程局集團(tuán)港航工程有限公司，廣州 510000)

碳納米管于20世紀(jì)90年代被發(fā)現(xiàn)，具有彈性模量高，長(zhǎng)細(xì)比大等優(yōu)異的物理力學(xué)性能。碳納米管可以被氧化，使其表面嫁接多種官能團(tuán)，因此在水泥基材料領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1，2]。

許多學(xué)者研究了碳納米管增強(qiáng)不同環(huán)境下的水泥基材料的力學(xué)性能[3，4]。Sindu使用Gum Arabic(GA)分散MWCNTs，然后將分散液與水泥混合制備MWCNTs/水泥復(fù)合材料，他發(fā)現(xiàn)MWCNTs摻量為0.02%時(shí)，抗拉強(qiáng)度提高了17%[5]。張迪探究了碳納米管摻量對(duì)水泥凈漿靜態(tài)和動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的影響，他發(fā)現(xiàn)當(dāng)碳納米管摻量為0.03%時(shí)，水泥凈漿的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度最高，比空白組增加了13.5%和55.8%[6]。界面過(guò)渡區(qū)對(duì)砂漿的強(qiáng)度有重要影響，然而，目前關(guān)于碳納米管類型對(duì)界面過(guò)渡區(qū)的研究較少。因此論文探究了不同類型的碳納米管對(duì)水泥砂漿抗壓和抗折強(qiáng)度的影響，通過(guò)背散射和壓汞等方法探討碳納米管對(duì)水泥砂漿界面過(guò)渡區(qū)厚度和孔隙率的影響，分析其對(duì)強(qiáng)度的影響機(jī)理。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

試驗(yàn)所用水泥為普通硅酸鹽水泥PO42.5，比表面積350 m2/kg。試驗(yàn)所用砂的粒徑范圍0.08～2.0 mm。試驗(yàn)所用減水劑是固含量為25%的聚羧酸減水劑。試驗(yàn)所用的多壁碳納米管有兩種：原狀碳納米管(YCNT)和羧基碳納米管(SCNT)，它們的物理性質(zhì)如表1所示。

表1 原狀碳納米管和羧基碳納米管的物理性質(zhì)

1.2 試樣制備

碳納米管-水泥砂漿復(fù)合材料的配比為水∶水泥∶砂= 0.45∶1∶3，碳納米管摻量為水泥質(zhì)量的0.04%、0.08%和0.12%。制備碳納米管-水泥砂漿復(fù)合材料的過(guò)程如下：按照配比準(zhǔn)確稱量水、減水劑和碳納米管，將它們混合后放在磁力攪拌器中攪拌20 min，然后使用超聲分散裝置分散20 min，制備出碳納米管分散液。將YCNT分散液命名為Y-0.04%(0.08%/0.12%)，SCNT分散液命名為S-0.04%(0.08%/0.12%)。不摻碳納米管的砂漿命名為SJ；摻Y(jié)CNT的砂漿命名為SJ-Y-4(8/12)；相似地，摻SCNT的砂漿命名為SJ-S-4(8/12)。

1.3 試驗(yàn)方法

砂漿的抗壓和抗折強(qiáng)度采用JYW-300D抗壓抗折一體機(jī)進(jìn)行測(cè)試。

碳納米管分散液的吸光度采用SolidSpace-3700紫外可見分光光度計(jì)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試前需要將1.2節(jié)中制備的分散液稀釋15倍，使用260 nm波長(zhǎng)的光測(cè)試。

背散射的測(cè)試使用ZEISS MERLIN Compact儀器。測(cè)試前，首先將樣品使用環(huán)氧樹脂冷鑲在模具內(nèi)，然后使用400～2 500目的砂紙進(jìn)行打磨拋光，最后使用金剛石懸浮液和絲綢進(jìn)行拋光，直至試樣的平整程度滿足要求。

壓汞測(cè)試采用AutoPore Iv 9510，試樣尺寸為12 mm×12 mm×12 mm，壓力范圍為0.5～62 354.6 psi。

2 強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

碳納米管-水泥砂漿的抗折強(qiáng)度如圖1所示。SJ的抗折強(qiáng)度為5.8 MPa，摻入碳納米管后，砂漿的強(qiáng)度呈增大的趨勢(shì)。SJ-Y-4、SJ-Y-8和SJ-Y-12的抗折強(qiáng)度分別為6.1 MPa、6.5 MPa和5.7 MPa，隨著YCNT摻量的增大，砂漿抗折強(qiáng)度先增大后降低，最大增長(zhǎng)幅度為12.1%。摻入SCNT后，砂漿抗折強(qiáng)度的變化趨勢(shì)與SJ-Y相同，即先增大后降低，SCNT摻量為0.08%時(shí)最大。在相同摻量下， SJ-S均比SJ-Y的抗折強(qiáng)度更大，說(shuō)明SCNT對(duì)砂漿抗折強(qiáng)度的增強(qiáng)效果更為優(yōu)異。SJ-Y的抗壓強(qiáng)度隨著YCNT摻量的增大呈先增加后降低的趨勢(shì)。碳納米管摻量相同時(shí)，SJ-S的抗壓強(qiáng)度均高于SJ-Y，當(dāng)SCNT摻量為0.08%時(shí)，SJ-S的抗壓強(qiáng)度最大，達(dá)到48.7 MPa，比SJ和SJ-S-8分別增大了26.5%和9.9%。

3 微觀機(jī)理分析

3.1 碳納米管分散液的吸光度

圖2為YCNT和SCNT分散液的吸光度。碳納米管摻量越高，吸光度越大。碳納米管摻量相同時(shí)，SCNT的吸光度均大于YCNT，最大增加幅度為14.8%(碳納米管摻量為0.08%時(shí))。吸光度越大，碳納米管的分散程度越高，試驗(yàn)結(jié)果表明，相同摻量下，SCNT的分散程度更高，這是因?yàn)镾CNT嫁接有羧基，羧基具有親水性，在超聲分散的作用下，羧基可以與水形成氫鍵，在水中分散的更為均勻，并且其穩(wěn)定性更高。一般情況下，分散程度越大，性能提升效果越明顯。吸光度的結(jié)果也說(shuō)明了SJ-S的抗壓和抗折強(qiáng)度要高于SJ-Y的原因。

3.2 孔結(jié)構(gòu)

孔結(jié)構(gòu)對(duì)水泥砂漿的力學(xué)性能有重要影響。表2展示了碳納米管-水泥砂漿的最可幾孔徑和孔隙率。對(duì)于最可幾孔徑，摻入碳納米管后，與SJ相比，總體呈降低趨勢(shì)，其中SJ-S-8的最可幾孔徑最小，為83 nm，比SJ的最可幾孔徑(95 nm)降低了12.6%。對(duì)于相同類型的碳納米管，最可幾孔徑隨著摻量的增大呈先降低后增大的趨勢(shì)；碳納米管摻量相同時(shí)，摻入SCNT的砂漿的最可幾孔徑更小。最可幾孔徑和孔隙率的結(jié)果表明，適量碳納米管可以降低水泥砂漿的孔隙率，這是由于碳納米管摻入后堵住了較大的孔隙，降低了孔體積。但是當(dāng)碳納米管摻量過(guò)多時(shí)，由于分散不充分，碳納米管聚集成團(tuán)，在其周圍形成了較大的孔隙，反而增加了水泥砂漿的孔隙率。相同摻量下的碳納米管相比，SCNT對(duì)孔隙率的降低效果更優(yōu)異，這是因?yàn)镾CNT上的羧基可以吸附Ca2+，從而在碳納米管表面生成C-S-H，進(jìn)一步降低了孔隙的體積[7]。

表2 碳納米管-水泥砂漿的最可幾孔徑和孔隙率

3.3 界面過(guò)渡區(qū)

除了孔隙率，水泥砂漿界面過(guò)渡區(qū)的厚度對(duì)其力學(xué)性能也有重要影響。對(duì)于界面過(guò)渡區(qū)厚度的確定，通常采用條帶法，具體過(guò)程如圖3所示。各組的界面過(guò)渡區(qū)厚度如圖4所示。摻入碳納米管后，界面過(guò)渡區(qū)厚度呈降低趨勢(shì)，但是SJ-Y-12的界面過(guò)渡區(qū)厚度增大。碳納米管摻量相同時(shí)，摻入SCNT的砂漿的界面過(guò)渡區(qū)厚度更小，其中SJ-S-8的界面過(guò)渡區(qū)厚度最小，為27.2 μm，比SJ降低了11.1%，比SJ-Y-8降低了4.6%。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是碳納米管的摻入可以在漿體中形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增加漿體的密實(shí)性，降低了其厚度。對(duì)于不同類型的碳納米管，由于SCNT上的羧基吸附Ca2+，使其表面生成C-S-H，密實(shí)程度進(jìn)一步增大，界面過(guò)渡區(qū)厚度更小。界面過(guò)渡區(qū)厚度的變化規(guī)律與砂漿的抗壓抗折強(qiáng)度相一致，這闡述了SJ-S-8的抗壓和抗折強(qiáng)度最大的原因。

4 結(jié) 論

a.碳納米管可以增強(qiáng)水泥砂漿的抗壓和抗折強(qiáng)度，最佳摻量為0.08%，并且SCNT的增強(qiáng)效果更為明顯。

b.碳納米管摻量相同時(shí)，SCNT的吸光度大于YCNT，說(shuō)明SCNT的分散程度更大。

c.碳納米管可以降低砂漿的最可幾孔徑、孔隙率和界面過(guò)渡區(qū)厚度，摻量為0.08%時(shí)降低效果最佳。