碳納米材料對水泥基復合材料的自收縮影響研究

羅偉

（九江鑫路交通工程有限責任公司，江西九江 332000）

0 引言

混凝土材料在長期使用后，容易出現自收縮開裂的現象，不僅影響使用功能，還可能對安全性產生威脅。因此，必須加強相關研究，以提高混凝土的耐久性，延長建筑的使用壽命。

為此許多研究學者提出在混凝土混合料中添加碳納米材料并對其進行研究。相關研究表明[1-5]碳納米材料能有效改善水泥基復合材料的性能。現有的研究已取得一定的成果，但在對多種碳納米材料的對比研究方面還存在一些不足[6]。

1 原材料

此次試驗中所用到原材料包括水泥、碳納米材料、表面活性劑、消泡劑、減水劑和試驗用水，以下對原材料進行介紹。

1.1 水泥

試驗所采用水泥的強度等級為P·O42.5R，水泥的基本物理性能指標如表1 所示。

表1 水泥的基本性能指標表

從表1 中可以看出此次試驗所采用的水泥滿足要求。

1.2 碳納米材料

試驗所采用的多壁碳納米管是一種管狀結構的碳納米材料，納米碳纖維是一種中空管狀結構的碳納米材料，石墨烯是一種薄層片狀的碳納米材料，具體的物理性能指標如表2 所示。

表2 碳納米材料的物理參數表

1.3 表面活性劑

試驗所采用的表面活性劑包括阿拉伯膠、甲基纖維素和聚氧代乙烯壬基苯基醚，其中阿拉伯膠（GA）是一種淡黃色的粉末，用于多壁碳納米管碳納米材料；甲基纖維素（MC）外觀顏色為白色，粉末狀，用于納米碳纖維碳納米材料；聚氧代乙烯壬基苯基醚（CO890）是一種白色的蠟狀固體，用于石墨烯碳納米材料。

1.4 消泡劑

試驗所采用的消泡劑為磷酸三丁酯溶液（TBP），是一種無色黏稠液體。

1.5 減水劑和試驗用水

試驗所采用的減水劑為聚羧酸高效減水劑（PS），為淡黃色黏稠液體；試驗用水為試驗室蒸餾水。

2 配合比設計

為探究不同的碳納米材料摻量和水灰比對水泥基復合材料的自收縮影響，分別設置多組對比試驗進行研究，具體的配合比設計如表3、表4 和表5 所示。

表3 多壁碳納米管水泥基復合材料的配合比

3 試驗結果分析

3.1 多壁碳納米管水泥基復合材料自收縮結果分析

通過試驗得到不同水灰比和不同多壁碳納米管摻量的水泥基復合材料自收縮結果，如圖1 所示。

圖1 多壁碳納米管水泥基復合材料的自收縮結果圖

從圖1（a）中可以看出，當水灰比為0.25 時，不同碳納米材料摻量情況下試件的自收縮隨著齡期的延長而增加，在第一天進行測試時，試件的自收縮值增加迅速，后隨齡期的增加而緩慢增加，主要是因為水泥的水化反應為放熱反應，會使材料發生熱膨脹現象，但此時的自收縮大于熱膨脹，從而出現自收縮突增的情況；從圖1（b）和（c）中可以看出，隨著齡期的延長，試件的自收縮出現先減小后增大的變化，主要是因為在剛開始時的自收縮值小于水泥水化產生的熱膨脹，隨后隨著水化反應的進行，水泥的熱膨脹現象被削弱，使試件的自收縮增大，說明當水灰比較大時，在前期能減小水泥基復合材料的自收縮；同時，可以發現當水灰比和齡期保持不變時，多壁碳納米管摻量的增加使水泥基復合材料的自收縮呈現出先減小后增加的趨勢，說明多壁碳納米管摻量不宜過多，當摻量為0.075%時最佳[7]。

3.2 納米碳纖維水泥基復合材料自收縮結果分析

通過試驗得到不同水灰比和不同納米碳纖維摻量的水泥基復合材料自收縮結果，如圖2 所示。

圖2 納米碳纖維水泥基復合材料的自收縮結果圖

從圖2（a）中可以看出，當水灰比為0.25 時，不同納米碳纖維摻量情況下試件的自收縮隨著齡期的延長而增加，在第一天進行測試時，試件的自收縮值增加迅速，后隨齡期的增加而緩慢增加，主要是因為水泥的水化反應為放熱反應，使其材料發生熱膨脹現象，而此時的自收縮大于熱膨脹，從而出現自收縮突增的情況；從圖2（b）和（c）中可以看出，隨著齡期的延長納米碳纖維水泥基復合材料試件的自收縮表現為先降低后增大的變化，主要是因為在剛開始時自收縮值小于水泥水化產生的熱膨脹，使得自收縮下降，隨后隨著水化反應的進行，熱膨脹現象被削弱，自收縮增大，說明當水灰比較大時，在前期能減小水泥基復合材料的自收縮；同時，可以發現當水灰比和齡期一定時，隨納米碳纖維摻量的增加水泥基復合材料的自收縮表現為先減小后增加，說明納米碳纖維摻量不宜過多，當摻量為0.075%時最佳[8]。

3.3 石墨烯水泥基復合材料自收縮結果分析

通過試驗得到不同水灰比和不同石墨烯摻量的水泥基復合材料自收縮結果，如圖3 所示。

圖3 石墨烯水泥基復合材料的自收縮結果圖

從圖3（a）中可以看出，當水灰比為0.25 時，試件的自收縮隨著齡期的延長而增加，在第一天進行測試時，試件的自收縮值增加迅速，后隨齡期的增加而緩慢增加，主要是因為水泥的水化反應為放熱反應，使其材料發生熱膨脹現象，而此時的自收縮大于熱膨脹，從而出現自收縮突增的情況；當水灰比為0.30 和0.35 時，石墨烯水泥基復合材料試件的自收縮隨齡期的延長出現先減小后增大的變化，主要是因為在剛開始時水泥水化產生的熱膨脹大于自收縮值，使自收縮下降，隨后隨著水化反應的進行，熱膨脹被削弱，使試件的自收縮增大，說明當水灰比較大時，在前期能減小水泥基復合材料的自收縮；同時，可以發現當水灰比和齡期一定時，隨石墨烯摻量的增加水泥基復合材料的自收縮表現為先降后升，說明石墨烯摻量不宜過多，當摻量為0.075%時最佳[9]。

4 結語

通過研究表明：碳納米材料能在一定程度上改善水泥基復合材料的自收縮性能，但碳納米的摻量不宜過多，存在最佳摻量；水灰比對自收縮的影響也較大，工程中可適當增加水灰比。