纳米碳纤维混凝土抗冲耐磨性能研究

陈 娴 白 剑

（1.银川能源学院， 宁夏 750000；2.宁夏水务投资集团， 宁夏 750000）

混凝土的抗冲耐磨强度是一个相对指标，用以比较各类混凝土的抗冲耐磨性能。在水流或夹砂石水流的作用，混凝土表面会产生不同程度的磨损，长期作用，会降低混凝土的耐久性。目前，国内外采用的提高混凝土抗冲耐磨性能的主要措施有很多，一方面可以在设计时，改善工程的布置和工程结构，避免直接冲刷，另一方面，就是采用抗冲耐磨的优质材料，改善混凝土的性能。

纳米碳纤维（CNFs）是化学气相生长碳纤维的一种形式，它通过裂解气相碳氢化合物而制备出的非连续石墨纤维[1]，是一种新型碳材料，除了具有普通碳纤维低密度、高比模量、高比强度、高导电、热稳定性等特性外，还具有缺陷数量非常少、长径比大、比表面积大、结构致密等优点[2]。理论研究[3]认为，CNFs的加入使裂缝的初生需要更大的外，所以可以延缓其形成，由此增强水泥基材料的抗拉性能。

粉煤灰的减水作用可以一定程度的降低混凝土中水泥的用量，对于一级粉煤灰来说，它内部的微珠含量是比较高的，耐磨性也很好，因此，如果在混凝土中加入合适的粉煤灰，可以有效的削弱混凝土表面的磨损和冲蚀，能够一定程度的提高混凝土的抗冲耐磨性能。

近年来国内外有关纳米碳纤维混凝土的研究也在逐渐增多，本文主要通过试验研究纳米碳纤维混凝土，在混凝土中掺入纳米碳纤维以改善普通混凝土抗拉强度低、极限拉应变小等缺点[4]，对它的研讨可以作为发展新型的高强高性能混凝土的理论基础。

1 试验原材料的选择

本项目的试验所用水泥选自宁夏某水泥厂生产的强度等级为 42.5R的普通硅酸盐早强水泥 ，其性能指标均符合国家相关标准规定；粉煤灰选用宁夏银欣源热点工贸有限公司生产的Ⅰ级粉煤灰，其性能指标均符合相关标准规定；粗骨料采用天然粗骨料人工碎石，粒径为5～25mm、9.5～20mm、4.75～16mm等三种颗粒级配，按照9:3:1比例混掺，表观密度2698（kg/m3），级配合格；细骨料采用人工水洗山砂，细度模数=2.60，属中砂；减水剂采用宁夏某公司生产的聚羧酸系高效减水剂（FDN型萘系），掺量为胶凝材料质量的0.15%～0.45%；纳米碳纤维采用南京先丰纳米材料科技有限公司生产的型号为XFM60的纳米碳纤维产品。

2 试验方法及设备

因为现有水工混凝土工程中，受到抗冲磨破坏的形式存在差异，所以在试验方法和抗冲磨性能评定指标和标准上也有着很大的差异，就目前的方法分析，水工混凝土工程中普遍使用的试验方法，有圆环法和气流挟砂喷射法及水下钢球法。

结合本项目试验研究内容及试验条件，此次试验选择国外常见方法即“水下钢球法”进行试验。所用仪器为天津北辰建工试验仪器厂生产的HKS混凝土抗冲磨试验机测定仪，各项性能指标均达到DL/T5150-2001《水工混凝土试验规程》的相关标准和要求。在采用“水下钢球法”进行试验的过程中，其原理是利用筒内旋转的水流去循坏冲击筒内不同直径的钢球，再通过钢球带去的冲击对预制混凝土表面进行循坏磨损，以此来测定混凝土表面抗水流冲击磨损的能力。

3 配合比设计

本项目在设计试验时，以C60作为混凝土的强度设计标准值。根据有关要求和规程确定相关配合比。以4因素3水平L9（34）去设计正交实验，详见表1、2所示 ，因素粉煤灰、纳米碳纤维的掺入量都是按试验所用的总胶凝材料为计算基础，采用百分比计算。

表1 因素水平表

表2 正交试验方案表

4 抗冲耐磨试验设计

根据正交试验，筛选出力学性能最优的一组，进行抗冲耐磨性能的试验研究。

优选组的配合比为：水泥：水：砂：石子：粉煤灰：CNFs：减水剂=1:0.38:1.52：2.48:0.25:0.002:0.004。

在进行抗冲耐磨试验时，每组试验配制三个试件，在水中至少浸泡 48小时后，取出试件后，擦干，称量并记录；取下容器筒，将试件放入容器筒内托盘上，拧紧螺杆，进行固定；将钢球放入试件的表面上，在试样容器内加水至水面高出搅拌桨上端面10～15 mm；启动电机，每次间隔24小时，就要在钢筒内加1至2次的水，以保证筒内水位与原水位保持一致，减少试验误差；取出筒内已经磨损的试件之前，一定要保证试块在钢筒内冲磨的时间已经累计达到了72个小时，取出后需要擦干，即可称取磨损后的试件的重量，与初始重量作对比，记录数据，然后分析。分析的过程中需要依据两个指标——抗冲磨强度和磨损率，具体计算如下：

（1）抗冲磨强度：

Δ M——经时段冲磨后，试件损失的累计质量，kg；

T ——试验累计时间，h；

A——试件受冲磨面积，m2；

（2）磨损率：

式中： L——磨损率，%；

5 试验数据与分析

试验数据统计如表1所示，对此混凝土试件进行28天的抗冲磨强度和磨损率数据结果比较分析，结果如图1和图2所示。

表1 混凝土抗冲磨性能试验数据表

图1 28d抗冲磨强度对比图

图2 28d混凝土磨损率对比图

首先对表 1中的数据进行分析对比，能够发现，加入粉煤灰的混凝土的抗冲耐磨强度与比基准组混凝土的抗冲耐磨强度高，这说明粉煤灰的加入可以减小混凝土表面的磨损和冲蚀，而优选组混凝土与基准组相比较，抗冲耐磨强度上升的趋势相对更大一些，磨损率降低程度也更为明显；与对比组相比，混凝土 28d抗冲磨强度也提高了很多，磨损率降低效果较为显著。

由图1、图2分析可得，对比组与优选组组的抗冲耐磨性能均明显高于基准组，可见粉煤灰和合理掺量且分散好的纳米碳纤维的掺入可不同程度得使得混凝土的抗冲磨强度有所提高。

6 结论

（1）对正交试验的优选组进行抗冲耐磨性能的试验研究，可以得出本此试验的优选组的配合比为：水泥：水：砂：石子：粉煤灰：CNFs：减水剂=1:0.38:1.52：2.48:0.25:0.002:0.004。

（2）冲耐磨性能试验研究表明，优选组的磨损率均小于同等条件下对比组与基准组的，磨损率较基准组降低程度明显，说明合理掺量且分散好的纳米碳纤维能够有效的削弱其表面的磨损和冲蚀，能够一定程度的提高水工混凝土的抗冲耐磨性能。

（3）经济效益分析：对比市场上的纳米碳纤维价格，整体而言还是比较高的，这将在一定程度上会使得单方混凝土的造价有所提高，但是从另一个层面分析，我们可以看到如果采用价格很低的粉煤灰来等量代替一定比例的水泥，会使得水泥的造价有所减小，这样的话，就可以弥补因纳米碳纤维的加入而增加的投资费用，而且纳米碳纤维的少量加入使得混凝土整体的性能都趋于良好，因此，从长远角度来分析，纳米碳纤维混凝土还是能带来一定的经济和社会效益。