碳纳米管水泥基材料的制备及其热膨胀系数探究

吴晖剑

浙江工业大学土木工程学院 浙江 杭州 310023

引言

伴随我国工程项目的持续增加，更多的桥梁隧道等结构涌现。混凝土材料属于混合型材料，因为水化热以及不同材料热膨胀系数差异，让其内部出现不均匀的应变，此种应变让混凝土出现内应力，在其高于材料本身应力时就会出现开裂现象。水泥基是混凝土的关键构成材料，对其高温条件下热膨胀系数进行分析研究，是有效解决混凝土开裂现象的关键。水泥基水化物重点包含凝胶、氢氧化钙以及未水化水泥颗粒。有关研究显示，运营热膨胀系数低的集料能够让水泥基收缩应力降低。此材料固相组分热膨胀系数其大小是氢氧化钙＞未水化水泥颗粒＞凝胶＞碳纳米管颗粒，因此，碳纳米管能够有效降低其内部收缩应力以及开裂现象。

1 试验

1.1 原料

碳纳米管：其性能见表1所示。水泥：其成分与力学性能见表2所示。分散剂：属于性能优质的水溶性高分子产品，能够把碳纳米管充分分散在水溶液当中。消泡剂：能够把水泥生成的气泡迅速清除。

表1 碳纳米管性能参数

表2 水泥化学成分与物理力学性能

1.2 制备

1.2.1 悬浮液制备。首先把分散剂添加在含有蒸馏水的杯子中，搅拌至充分溶解，之后利用天平精准称出碳纳米管，添加在分散剂溶液当中，放置在磁力搅拌器进行搅拌20min，之后把溶液放置超声波清洗槽内进行超声处理1h，完成之后，制备成碳纳米管悬浮液[1]。

1.2.2 复合材料制备与养护。把分散的悬浮液加入到水泥浆搅拌设备中，称取一定质量的水泥，快速添加至设备中进行搅拌，搅拌设备先慢搅3min，中途停顿15s，添加一定量的消泡剂，之后迅速搅拌5min，最后把搅拌完成的混合料倒在模具当中，把模具放在振实台，根据相关标准开展振实。热膨胀实验：运用模具，各组6个试样。力学性能试验，试件尺寸40mm×40mm×160mm，各组三个试样，将全部试样均放置在相应标准恒温恒湿度养护箱内进行养护，24h拆模，标注之后放置于养护箱内养护28d[2]。

1.3 方法

1.3.1 热膨胀系数。该实验运用平均膨胀系数a代表试件由16-600℃热膨胀系数变化。首先经过热膨胀设备测量热膨胀率，之后对热膨胀率展开拟合，获得公式，经过对拟合公式得出热膨胀系数的转变趋势[3]。热膨胀设备测试设置升温速度在4℃/min，热膨胀率伴随温度转变出现变化，升温最后温度是仪器设定的600℃，之后按照10℃/min速度进行降温，直到试验完成。设原来试件长度是L，温度上升ΔT后，长度转变成ΔL，那么试件热膨胀率R与热膨胀率系数s公式：

1.3.2 孔隙率。通过甲醇法对试样孔隙率进行测试，把养护到28d的试验在养护箱中取出，切割为边长2cm的立方体，从真空到恒重测试质量WO，之后把试样放置在无水甲醇24h，对悬挂在甲醇内的质量W1与甲醇饱和质量W2进行分别测试，计算其孔隙率P，公式为

1.3.3 扫描电镜。运用扫描显微镜对试件微观处表层外观、化学成分等进行观察。

1.3.4 力学性能试验。运用液压万能试验机，根据相关标准对其抗折强度以及抗压强度进行测试。

2 试验结果分析

2.1 热膨胀系数模型构建与结果

热膨胀率体现试件体积转变，热膨胀系数能够有效体现其膨胀率变化，所以热膨胀系数能够更直接反应热膨胀性能。对于不同碳纳米管水泥基材料由16～600℃热膨胀率发展曲线展开拟合，其公式为R（t）=。相应拟合参数与精度见表3所示。通过函数拟合，获得拟合曲线以及实际膨胀率变化曲线对比见图1所示。

表3 拟合参数与精度

图1 水泥净浆由16～600℃热膨胀率拟合曲线对比图

从图1能够看出，拟合曲线和膨胀率曲线几乎重叠，并且曲线有关系数临近1，标准误差近乎0，通过拟合曲线能够替代具体膨胀率变化曲线。对拟合曲线展开求导，获得热膨胀系数的温度变化曲线。能够看出，热膨胀系数在16～45.6℃是负值，伴随温度升高，系数从负值临近0，试件出现收缩情况，并且收缩速率逐渐降低，基于宏观分析能够看出，在45.6～140.6℃，热膨胀系数超过0，水泥净浆在持续膨胀状态，在82℃其系数转变为正值，这是水泥净浆膨胀率寻上升迅速，体积快速膨胀。在140.6～600℃，始终低于0，泥浆处在收缩状态，在510℃时系数在最大负值，这是泥浆收缩率最高，体积收缩明显。

2.2 孔径分布结果分析

一般情况下，密实度高的热膨胀系数更大，结构疏松的其系数较小。A3试件其空间分布基本接近0，如此说明碳纳米管在水泥基材料中互相衔接，小颗粒的材料孔隙和集体密切融合，构成良好的网络。此种状况和A3试件在负向系数的规律相同，宏观体现在收缩明显。A0试件孔径分布接近10μm，并且较为聚集，如此是因为缺少碳纳米管对其产生的填充效应，因此泥浆具有更多的孔隙，最大进泵量在6%。A6试件孔径10～100μm，较为涣散，如孔径分布均匀、孔隙率较高，在其内部会生成微孔洞等现象。因此A0、A6比A3试件孔隙率高，热膨胀系数低。

2.3 扫描电镜试验结果分析

A0试件当中具有一定的结晶相氢氧化钙，结晶水在高温作用下逐渐流失，水泥基发生水蒸发后的孔洞，因为缺少填充，因此试件内微观结构较为稀松，孔隙多，所以泥浆水化并不充分，没有明显收缩。A3试件光滑密实，因为碳纳米管其直径最大在15nm，能够对孔洞进行充分填充，并且具有衔接作用，分布均匀，熟料矿物水化反应明显，进而让水泥基更具密实性，其热膨胀系数升高，抗折与抗压强度增强。A6时间出现聚集现象，孔径增大，对凝固硬化造成不良影响，收缩性不大。

2.4 力学性能验证结果分析

其掺量在0.6%范围内，碳纳米管水泥基材料抗压强度与抗折强度与未添加时有显著提升；在掺量在0.3%时，其抗压强度与抗折强度最高，与未掺时分别提升31.27%与69.44%。碳纳米管的添加转变原有材料孔结构以及抗开裂性，进而有效提升水泥基材料力学性能。

3 热膨胀分析

3.1 热膨胀系数

碳纳米管和水泥基进行混合之后，在温度升高时，因为热膨胀系数有所区别，其形变也具有一定的差异性，可是二者粘连为一体，互相影响，无法自由拓展。因此宏观体现在碳纳米管水泥基材料其热膨胀系数绝对值要高于净浆下的数值。伴随碳纳米管数量的增添，其对于水泥基材料热膨胀性能起到更加显著的约束效用。所以，水泥基材料热膨胀率伴随掺量升高逐渐提升，在其掺量在0.3%时，热膨胀性能处于最良好状态。

3.2 微观分析

碳纳米管有着一定的物理填充效用，其重点是提升水泥基密度。伴随掺量增加，转变水泥基材料孔隙率，从而转变热膨胀系数。高密度是其获取更高性能的重点。通过孔径分布曲线能够看出，水泥基材料当中添加碳纳米管之后，其孔径量大大下降，如此是因为碳纳米管直径在15nm，能够充分添加水泥基材料孔径。所以，在当中添加相应数量的碳纳米管能够降低水泥基材料孔径与孔隙率，让热膨胀系数明显上升。可见，对碳纳米管水泥基材料热膨胀系数的关键影响因素就是其掺入数量以及孔隙结构，在此探究分析中，在碳纳米管掺入量在0.3%时，其热膨胀系数能够达到负最高值，水化与收缩性最为显著，其抗压强度与抗折强度也最大。

4 结束语

首先，碳纳米管掺入量与水泥基材料的孔隙结构是对其热膨胀系数的主要影响因素，在碳纳米管掺入量在0.3%时，水泥基材料孔隙分布处于均匀状态下。其次，碳纳米管水泥基材料热膨胀系数与净浆热膨胀系数的发展变化接近。最后，在碳纳米管的添加能够转变水泥基复合材料固相组成与相应结构，在其掺入量在0.3%时，水泥基能够充分水化，具有显著的收缩性，热膨胀系数处于负向最高值，这时能够进一步提高混凝土结构的耐久性，进而能够有效减少大体积混凝土温度应力以及开裂现象。