纳米碳纤维混凝土抗收缩性能研究

时间：2024-07-28

甄文越陈娴

（1.银川能源学院，宁夏 750000；2.银川能源学院，宁夏 750000）

在非荷载的作用下，混凝土的收缩是开裂的最常见原因，所以收缩变形的大小也是用于对混凝土质量高低判断的重要指标，尤其是对于混凝土的耐久性，更为显著。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。分散良好的CNFs可以加速水泥的水化过程，提高水泥抗压及弯曲强度，分散良好的CNFs可以强度，提高混凝土28d龄期的弯曲强度[4]。

矿渣细粉是一种优质的矿物掺料，它的分散性较好，常作为配制生产新型矿渣水泥的原料，以对混凝土内部的微孔结构进行改善，同时，降低水化热及水泥的用量。

近年来国内有关纳米碳纤维混凝土的研究也逐渐增多，而降其与矿渣细粉结合的研究较少。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、脆性大、易开裂等缺点[6]，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 试验材料

水泥采用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。它的各项性能指标均符合国家相关标准规定；矿渣细粉采用河北石家庄灵寿县润发矿产品销售公司生产的等级为S95的矿渣细粉；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 配合比

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，其中矿渣细粉、CNFs的掺量均以总胶凝材料为基数，按百分比计算。

3 试验标准

本次收缩性能测试所使用的方法是依据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》GBT50082-2009所推荐的接触法，试块采用100mm*100mm*515mm 的棱柱体，每组试验用3个试件。

表1 因素水平表

表2 正交试验方案表

试件养护经过3d后，将标准养护室中养护的试样拿出，各试件以间距为30mm进行摆放，放置后，及时测定时间长度作为初始长度。之后的测定均按照1d、3d、7d、14d、28d、45d、60d的时间间隔测量，每个试件每次读数3次取平均值。混凝土收缩率按下式计算：

4 试验结果

在正交实验中，比较各组的砂率、水胶比，JZ-2组的和JZ组的设计一样，对这两组在各个龄期的强度进行对比，可以发现，JZ-2的早期抗压强度稍微高于JZ组的，后期也有所提高，但幅度不大，这说明在水胶比为0.3的情况下，合理适量的矿渣细粉和分散良好的CNFs的加入能够对混凝土的性能有所改善。根据试验结果最终选择最优配合比为：水：水泥：砂：石子：矿渣细粉：CNFs：减水剂=1:1.99:3.42:5.62:1.33:0.01。

本次试验通过与混凝土强度等性能测定相同的配比，研究了无纤维组及最优组对混凝土收缩性的影响。表3是JZ组、F及ZJ-Y混凝土的1d、3d、7d、14d、28d、45d、60d收缩率试验结果。

表3 JZ组、F及ZJ-Y组试样的收缩变形值

表3中的试验结果表明，1d时，收缩率JZ组的最大，比另外两组的高出很多。从整个60d的时间分析，可以发现，对收缩率增速而言，JZ组的一直是比较高的，45d后呈缓慢趋势。对于F组，整个龄期的收缩都较JZ组低，这说明加入矿渣细粉可以有效的减少混凝土的收缩值，但与最优组比较收缩率呈增大趋势。最优组1d的收缩率是最低的。大约是JZ组混凝土的1/5多一点，为F组的将近1/2，那么可以看出在本次试验条件下，CNFs的掺入对混凝土早期干缩值的降低有积极作用。45d后，对收缩率增长的速度而言，三个组都是比较缓慢。总体来说，JZ组收缩较大。

综上所述，在混凝土中加入CNFs及矿渣细粉可以一定幅度的减小混凝土的干缩值，尤其是掺入CNFs后，而从最终干缩值的整体情况来看，在高强混凝土的中复合加入合理量且分散好的CNFs和矿渣细粉的最优配比，混凝土总收缩率呈降低趋势。