納米碳纖維增韌水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能和耐久性能研究*

孫亞頗

(鄭州商學(xué)院，河南 鞏義 451200)

0 引 言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市化建設(shè)速度不斷加快，建筑業(yè)也在不斷擴(kuò)張[1]。水泥混凝土成為了建筑領(lǐng)域中應(yīng)用最多的材料[2-3]。隨著建筑物的承重和高度等要求越來(lái)越嚴(yán)格，人們對(duì)水泥混凝土材料的要求也越來(lái)越高[4-7]。很多工程及高層建筑物因?yàn)槭褂脮r(shí)間過(guò)久出現(xiàn)了開(kāi)裂、強(qiáng)度不足、破損和腐蝕等情況，嚴(yán)重威脅到了工程安全，為此，開(kāi)發(fā)出具有高強(qiáng)度、良好的耐久性能的水泥基材料對(duì)于工程建設(shè)顯得尤為重要[8-11]。納米碳纖維是有機(jī)纖維經(jīng)過(guò)高溫碳化形成的纖維狀碳化合物，自身具有高強(qiáng)度、高韌性、高彈性模量和耐腐蝕等特點(diǎn)，適量碳纖維摻雜到水泥基材料中后能夠很好地與水泥基材料結(jié)合，有效改善水泥基材料的脆性缺陷，提高材料的韌性和減少裂紋的產(chǎn)生[12-13]。在某些寒冷地區(qū)，水泥基材料在正負(fù)溫度交替循環(huán)的作用下很容易發(fā)生表面層剝落和開(kāi)裂等現(xiàn)象，從而影響到了水泥基材料的壽命。納米碳纖維的摻雜能夠顯著增強(qiáng)材料各基體之間的結(jié)合強(qiáng)度，阻礙裂紋的萌生和擴(kuò)展，從而有效改善水泥基材料的抗凍性能，以此提高材料的使用壽命[14-16]。隨著水泥基材料的發(fā)展，越來(lái)越多的學(xué)者也開(kāi)始關(guān)注水泥基材料的改性研究。李祚等[17]研究了骨料粒徑與形態(tài)對(duì)高延性纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料性能的影響，研究表明，復(fù)合材料的強(qiáng)度、彈性模量和極限拉應(yīng)變隨著砂粒直徑的減小而增大，殘余應(yīng)力降至峰值應(yīng)力的35%附近趨于穩(wěn)定，抗剪強(qiáng)度隨粒徑減小而減小。劉雁寧等[18]制備了聚乙烯醇纖維和精細(xì)鋼纖維混摻的水泥基復(fù)合材料，研究了纖維摻雜量對(duì)復(fù)合材料性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和極限拉應(yīng)變隨纖維摻雜量的增加先增大后減小，精細(xì)鋼纖維摻量為1.2%時(shí)，復(fù)合材料的立方體抗壓強(qiáng)度最大，明顯優(yōu)于單摻聚乙烯醇纖維，28 d立方體抗壓強(qiáng)度的均值提高了61.9%。趙煥起等[19]通過(guò)化學(xué)改性聚丙烯纖維、摻雜聚丙烯纖維和芳綸纖維的混雜比例及混雜效應(yīng)等，研究了混雜纖維對(duì)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，改性后的聚丙烯纖維，可以使水泥砂漿的前期抗折強(qiáng)度明顯提高，混雜后的聚丙烯纖維和芳綸纖維，可以使水泥砂漿的后期抗折強(qiáng)度明顯提高。目前有關(guān)納米碳纖維對(duì)水泥基材料耐久性能方面的研究較少，因此本文選擇以納米碳纖維為增強(qiáng)相，研究了納米碳纖維的摻雜量對(duì)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能和耐久性能的影響，為制備高強(qiáng)度和優(yōu)異耐久性能的水泥基復(fù)合材料奠定一定的研究基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料與設(shè)備

實(shí)驗(yàn)原材料：普通硅酸鹽水泥 P.O 42.5，沈陽(yáng)賽尼歐化工有限公司，水泥的化學(xué)成分如表1所示；納米碳纖維(碳含量>99.95%)，昭和電工株式會(huì)社，其性能參數(shù)如表2所示；硅粉(純度>99.5%，300目，粒徑為0.01～0.1 μm)廣西恒邕建材有限公司；標(biāo)準(zhǔn)砂(ISO標(biāo)準(zhǔn)砂)，滄州華網(wǎng)建筑器材有限公司；羥乙基纖維素(工業(yè)級(jí)，密度為1.16 g/cm3)，山東匯舜通新材料有限公司；聚羧酸減水劑(減水率為25%～35%，pH值=6～8)，濟(jì)南浚?；び邢薰?；消泡劑(液體磷酸三丁酯，TBP，分析純)，無(wú)錫市晶科化工有限公司；NaCl(分析純)，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；水(自來(lái)水)，實(shí)驗(yàn)室自制。

表1 水泥的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of cement

表2 納米碳纖維的性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of carbon nanofibers

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：X射線衍射儀(XRD-6100X射線粉末衍射儀，波長(zhǎng)為1.54051 nm，Cu靶Kα射線源)，日本島津公司；冷場(chǎng)掃描電子顯微鏡(SU1510，加速電壓為0.3～30 kV)，日本日立公司；全自動(dòng)抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)(TYE-300D型)，河北大宏實(shí)驗(yàn)儀器有限公司；水泥砂漿攪拌機(jī)(JW350型)，鄭州磐石支護(hù)設(shè)備有限公司；凍融試驗(yàn)機(jī)(KDR-V5型)，滄州華韻實(shí)驗(yàn)儀器有限公司。

2.2 樣品的制備

表3為碳纖維水泥基復(fù)合材料的配比。根據(jù)表3中的配比稱取原材料，首先，將納米碳纖維放入燒杯中，加入水進(jìn)行超聲攪拌10 min保證分散均勻；其次，加入水泥、硅粉均勻攪拌5 min；接著，加入標(biāo)準(zhǔn)砂、減水劑、分散劑和消泡劑，分散劑摻量為水泥質(zhì)量的0.6%，消泡劑摻量為水泥質(zhì)量的0.15%，減水劑摻量為水泥質(zhì)量的1.7%，固定水灰比為0.35，加水快速攪拌3 min后倒入模具中；然后，澆筑試件在振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)處理以減少內(nèi)部氣泡，澆筑1 d后脫模，即得納米碳纖維水泥基復(fù)合材料試樣；最后，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件(溫度(20±2)℃、相對(duì)濕度90%)下養(yǎng)護(hù)7和28 d，對(duì)試樣進(jìn)行性能測(cè)試。

表3 碳纖維水泥基復(fù)合材料的配比Table 3 Proportion of carbon fiber cement-based composites

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD測(cè)試

圖1為養(yǎng)護(hù)28 d的不同納米碳纖維摻雜量的水泥基復(fù)合材料的XRD圖譜。從圖1中可以看出，所有水泥基材料的衍射峰基本一致，納米碳纖維摻雜后沒(méi)有出現(xiàn)新的衍射峰，說(shuō)明未出現(xiàn)新的水化產(chǎn)物，水泥基復(fù)合材料中檢測(cè)到了水化產(chǎn)物Ca(OH)2、鈣礬石AFt、CaCO3以及未水化的C2S和C3S。相比未摻雜納米碳纖維的水泥基材料，摻入納米碳纖維后，水泥基復(fù)合材料中C2S和C3S的衍射峰強(qiáng)度出現(xiàn)了輕微降低，Ca(OH)2和AFt的衍射峰強(qiáng)度出現(xiàn)了輕微升高，說(shuō)明摻入納米碳纖維后消耗了原材料加速了水化反應(yīng)的進(jìn)行，Ca(OH)2和AFt的結(jié)晶度得到提高。

圖1 納米碳纖維水泥基復(fù)合材料的XRD圖Fig.1 XRD patterns ofnano carbon fiber cement-based composites

2.2 微觀形貌測(cè)試

圖2為不同納米碳纖維摻雜量的水泥基復(fù)合材料的SEM圖。從圖2(a)可以看出，未摻雜納米碳纖維的水泥基材料中顆粒間距比較大，存在明顯的孔隙和裂紋。從圖2(b)可以看出，摻入納米碳纖維后，當(dāng)納米碳纖維的摻雜量為0.4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，水泥基復(fù)合材料的孔結(jié)構(gòu)變得較為致密，裂紋和孔隙明顯減少。從圖2(c)可以看出，當(dāng)納米碳纖維的摻雜量增加到0.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，水化產(chǎn)物尺寸變得較為均一，這是因?yàn)榧{米碳纖維發(fā)揮了“連接”作用，使得水化顆粒之間的結(jié)合更為緊密。從圖2(d)可以看出，當(dāng)納米碳纖維的摻雜量繼續(xù)增加到1.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，水泥基復(fù)合材料的裂紋和孔隙出現(xiàn)增加，結(jié)構(gòu)的均勻性和緊密程度變差，這是因?yàn)檫^(guò)量的納米碳纖維摻雜出現(xiàn)了團(tuán)聚現(xiàn)象，減弱了水化顆粒之間的結(jié)合。

2.3 力學(xué)性能測(cè)試

將納米碳纖維水泥基復(fù)合材料養(yǎng)護(hù)7和28 d后制備成尺寸為40 mm×40 mm×160 mm的柱狀試樣，根據(jù)GB/T 17671-1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測(cè)試，給定加載速率為1.2 mm/min，均勻連續(xù)加載直至試樣破壞，計(jì)算結(jié)果精確至0.1 MPa。

圖3為納米碳纖維水泥基復(fù)合材料7和28 d的抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。從圖3中可以看出，未摻雜納米碳纖維的水泥基材料7和28 d的抗壓強(qiáng)度均最低，分別為55.2和67.2 MPa，隨著納米碳纖維摻雜量的增加，水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)納米碳纖維的摻雜量為0.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，水泥基復(fù)合材料7和28 d的抗壓強(qiáng)度均達(dá)到了最大值，分別為66.1和82.4 MPa，相比未摻雜納米碳纖維的水泥基材料分別提高了19.75%和22.62%；當(dāng)納米碳纖維的摻雜量增加到1.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了輕微降低。

圖3 納米碳纖維水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度測(cè)試Fig.3 Compressive strength test of nano carbon fiber cement-based composites

圖4為納米碳纖維水泥基復(fù)合材料7和28 d的抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。從圖4中可以看出，與抗壓強(qiáng)度變化趨勢(shì)基本一致，未摻雜納米碳纖維的水泥基材料7和28 d的抗折強(qiáng)度均最低，分別為7.2和11.3 MPa，隨著納米碳纖維摻雜量的增加，水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)納米碳纖維的摻雜量為0.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，水泥基復(fù)合材料7和28 d的抗折強(qiáng)度均達(dá)到了最大值，分別為9.7和13.1 MPa，相比未摻雜納米碳纖維的水泥基材料分別提高了34.72%和15.93%。分析抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度的改善機(jī)理為：一方面，納米碳纖維具有較大的比表面積，摻雜到水泥基材料中后能夠較好的與基體材料結(jié)合，表面能夠吸附水泥水化產(chǎn)物；另一方面，納米碳纖維自身具有優(yōu)異的彎曲性能和拉伸性能，適量摻雜到水泥基材料中后能夠起到連接基體材料和拔出的作用，提高了水泥基材料的結(jié)構(gòu)致密性，納米碳纖維還能夠在裂紋的發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮吸收傳遞破壞能的作用；除此以外，納米碳纖維還能夠填充水泥基材料的孔結(jié)構(gòu)，細(xì)化孔徑尺寸，有效改善了水泥基材料的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度。當(dāng)納米碳纖維的摻雜量較多時(shí)，納米碳纖維在水泥基材料中容易產(chǎn)生團(tuán)聚，分散均勻性變差，導(dǎo)致力學(xué)性能變差，其次，過(guò)量的納米碳纖維摻雜還會(huì)導(dǎo)致水泥基材料攪拌時(shí)間增加，在基體中容易產(chǎn)生氣泡，導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度下降。

圖4 納米碳纖維水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度測(cè)試Fig.4 Flexural strength test ofnano carbon fiber cement-based composites

2.4 抗凍性能測(cè)試

抗凍性能是水泥基復(fù)合材料的耐久性能檢測(cè)的主要指標(biāo)。采用單面鹽凍法對(duì)納米碳纖維水泥基復(fù)合材料進(jìn)行抗凍性能測(cè)試，根據(jù)GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能》要求，將試樣制備成150 mm×150 mm×150 mm的立方體，脫模后的試件在(20±2)℃的水中養(yǎng)護(hù)7 d，然后將試樣在濃度為3%的NaCl溶液中預(yù)飽和7 d，面向下浸泡，凍融循環(huán)12 h為一次循環(huán)，在5 h內(nèi)以恒定降溫速率降至-20 ℃，在-20 ℃保持3 h，在5 h內(nèi)以恒定升溫速率升至20 ℃，在20 ℃保持1 h，完成循環(huán)后取出硬毛刷將試樣表面剝落的材料刷去并稱重，記錄n次凍融循環(huán)的剝落總質(zhì)量，剝落總質(zhì)量除以試樣面的面積即為n次循環(huán)后單位面積的材料剝落量(kg/m2)。

圖5為納米碳纖維水泥基復(fù)合材料進(jìn)行了28次凍融循環(huán)后的單位面積質(zhì)量損失量測(cè)試。從圖5中可以看出，所有材料隨著凍融次數(shù)的增加單位面積質(zhì)量損失量均逐漸增大，未摻雜納米碳纖維的水泥基材料在0～28次凍融循環(huán)測(cè)試中單位面積質(zhì)量損失量最大，在凍融循環(huán)28次時(shí)單位面積質(zhì)量損失量達(dá)到了1.021 kg/m2。摻入納米碳纖維后顯著改善了水泥基復(fù)合材料抵抗表面脫落的能力，隨著納米碳纖維摻雜量的增加，水泥基復(fù)合材料的抗鹽凍性能先增大后減小，當(dāng)納米碳纖維的摻雜量為0.4%，0.8%和1.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，水泥基復(fù)合材料在28次凍融循環(huán)單位面積質(zhì)量損失量分別為0.533，0.114 和0.132 kg/m2。由此可知，當(dāng)納米碳纖維的摻雜量為0.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，水泥基復(fù)合材料在整個(gè)循環(huán)階段的單位面積質(zhì)量損失量均最小，抗鹽凍性能最優(yōu)。當(dāng)納米碳纖維的摻雜量增加到1.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，水泥基復(fù)合材料的抗鹽凍性能出現(xiàn)了降低。分析改善機(jī)理為：首先，摻入的納米碳纖維能夠較好地與水泥基體結(jié)合，增強(qiáng)了水泥基材料結(jié)構(gòu)致密性和結(jié)合強(qiáng)度，有效抑制了水泥基復(fù)合材料裂紋的擴(kuò)展，降低了材料結(jié)構(gòu)生成通縫的可能性；其次，納米碳纖維材料具有良好的韌性和抗拉強(qiáng)度，能夠?qū)λ嗷牧袭a(chǎn)生約束作用，抵抗了再凍融循環(huán)過(guò)程中產(chǎn)生的膨脹壓力，從而改善了材料的抗凍性能；而當(dāng)納米碳纖維摻雜量過(guò)多時(shí)，碳纖維會(huì)在水泥基體中產(chǎn)生團(tuán)聚，且容易在水泥基材料中產(chǎn)生氣泡，導(dǎo)致抗凍性能降低。

圖5 納米碳纖維水泥基復(fù)合材料的凍融循環(huán)測(cè)試Fig.5 Freeze-thaw cycle test of nano carbon fiber cement-based composites

3 結(jié) 論

(1)納米碳纖維的摻雜在水泥基復(fù)合材料中未出現(xiàn)新的水化產(chǎn)物，但加速了水化反應(yīng)的進(jìn)行；納米碳纖維發(fā)揮了“連接”作用，使得水泥基復(fù)合材料的孔結(jié)構(gòu)變得更為致密，裂紋和孔隙明顯減少。

(2)隨著納米碳纖維摻雜量的增加，水泥基復(fù)合材料7和28 d的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)納米碳纖維的摻雜量為0.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，水泥基復(fù)合材料28 d的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均達(dá)到了最大值，分別82.4和13.1 MPa，相比未摻雜納米碳纖維的水泥基材料，分別提高了22.62%、15.93%。

(3)水泥基復(fù)合材料隨著凍融次數(shù)的增加單位面積質(zhì)量損失量均逐漸增大，未摻雜納米碳纖維的水泥基材料單位面積質(zhì)量損失量最大，隨著納米碳纖維摻雜量的增加，水泥基復(fù)合材料的抗鹽凍性能先增大后減小，當(dāng)納米碳纖維的摻雜量為0.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，水泥基復(fù)合材料在28次凍融循環(huán)單位面積質(zhì)量損失量最小為0.114 kg/m2，抗鹽凍性能最優(yōu)。綜合分析可知，納米碳纖維的最佳摻雜量為0.8%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。