弋楠 晁靜

摘要：如今，隨著各種科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，尤其是納米技術(shù)在混凝土領(lǐng)域中的應(yīng)用，使得混凝土材料不斷朝著高性能和高功能方向發(fā)展，讓混凝土具有更加廣闊的應(yīng)用，同時(shí)也促進(jìn)了建筑行業(yè)的發(fā)展。作為一種新型建筑材料，納米級碳纖維混凝土逐步被國內(nèi)外學(xué)者研究，試圖提高納米級碳纖維混凝土的應(yīng)用效果。文章通過實(shí)驗(yàn)分析，研究了幾種不同配合比納米級碳纖維的力學(xué)性能，主要包含材料的抗彎強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，自密實(shí)混凝土比普通混凝土具有更好的抗彎強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度;納米級碳纖維的分散性越好，越有利于混凝土的力學(xué)性能;當(dāng)納米級碳纖維的摻量為1.5%左右時(shí)，納米級碳纖維自密實(shí)混凝土的劈裂強(qiáng)度最大;當(dāng)納米級碳纖維的摻入量大約為1%時(shí)，納米級碳纖維自密實(shí)混凝土的抗彎性能最好。

關(guān)鍵詞：納米級碳纖維混凝土;性能;劈裂強(qiáng)度;抗彎強(qiáng)度

中圖分類號：TU528

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-5922（2020）12-0065-05

在建筑材料中，混凝土屬于一種用量最大、用途最廣的材料，并且在一定程度上決定著建筑物的質(zhì)量和安全性[1]。如今，混凝土工程變得愈發(fā)復(fù)雜、大型化，混凝土材料的性能要求就不斷變高[2-3]。傳統(tǒng)混凝土?xí)艿街T多因素影響，導(dǎo)致其應(yīng)用范圍受到很大的局限，自從納米技術(shù)在混凝土中的應(yīng)用，打破了傳統(tǒng)混凝土材料的局限性，使得混凝土具有更好的性能，并且想著智能化、多功能化不斷發(fā)展，極大的促進(jìn)了混凝土的使用效果和范圍[4-5]。納米級碳纖維混凝土屬于一種新型混凝土材料，其中就應(yīng)用了納米技術(shù)，文章通過對該材料在不同配合比條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，從而能夠更好的了解納米級碳纖維混凝土材料的力學(xué)性能[6]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料和儀器

納米級碳纖維混凝土材料的主要原材料有納米級碳纖維、水泥、粗骨料、細(xì)骨料、自來水、高效減水劑、消泡劑等，其中納米級碳纖維的類型比較多，文章選擇的納米級碳纖維的平均直徑為150nm，生產(chǎn)過程中使用的改進(jìn)壓實(shí)方法，并且是經(jīng)過低溫?zé)崽幚砗脱趸幚淼募{米級碳纖維。

制作納米級碳纖維混凝土材料所用到的材料比例如表1所示，其中涉及到幾種不同的材料比例，H表示的不加入納米級碳纖維的混凝土，即普通混凝土，目的在于作為對照組。NCH代表的是加入納米級碳纖維的普通混凝土，ZH代表的是不加納米級碳纖維的自密實(shí)混凝土，NCZH其中的代表的是加入納米級碳纖維的自密實(shí)混凝土，數(shù)字代表加入納米級碳纖維的量。

實(shí)驗(yàn)所需要的儀器有萬能材料試驗(yàn)機(jī)、攪拌機(jī)、線性可變差動位移傳感器等。

1.2 試樣制作

1.2.1 納米級碳纖維普通混凝土試樣的制作

第1步：將自來水和減水劑進(jìn)行混合為溶液;待用，第2步：再對水泥、粗骨料、細(xì)骨料放人離心混凝土攪拌機(jī)中進(jìn)行攪拌均勻;第3步：將納米級碳纖維加入到溶液中進(jìn)行高速攪拌，對其進(jìn)行分散，攪拌時(shí)間為3min即可;第4步：將該溶液倒人攪拌機(jī)中和干料進(jìn)行一起攪拌，攪拌時(shí)間設(shè)置在3 - 5min之間;第5步：對其坍塌度進(jìn)行檢測，當(dāng)該值處于10 - 20cm之間時(shí)才滿足試樣要求，然后將滿足坍塌度要求的混凝土倒人模具中振搗抹平;第6步：對混凝土進(jìn)行拆模和養(yǎng)護(hù)，24h之后即可拆模，另外，需要在水中養(yǎng)護(hù)28d。

1.2.2 納米級碳纖維自密實(shí)混凝土試樣的制作

第2步：將自來水、減水劑和部分消泡劑進(jìn)行混合為溶液，待用;第2步和第3步同上;第4步：將剩余的消泡劑和溶液加入到攪拌機(jī)中和干料進(jìn)行混合攪拌，攪拌時(shí)間同上;第5步：測量混凝土的表觀穩(wěn)定指標(biāo)（在0 - 0.5之間）和塌落擴(kuò)展度（50 - 63cm之間）;第6步同上。

1.3 實(shí)驗(yàn)介紹

1.3.1 納米級碳纖維}昆凝土劈裂試驗(yàn)

通過使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測試，其中加載速度設(shè)置為250N/s，當(dāng)試樣發(fā)生破壞之后停止加載。一共對表1中的8種混凝土進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，劈裂實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1所示。

1.3.2 納米級碳纖維混凝土抗彎實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)主要針對納米級碳纖維混凝土在純彎狀態(tài)下的抗彎性能進(jìn)行分析測試，目的在于能夠更好的得知混凝土內(nèi)部應(yīng)力分布情況。由于是進(jìn)行抗彎實(shí)驗(yàn)，將試樣的尺寸設(shè)置為一個(gè)長方體混凝土梁，對試樣進(jìn)施壓時(shí)的受力圖如圖2所示，圖2中P表示的是荷載，M表示的是彎矩，V表示的剪力，a為荷載位置，試樣通過這種受力情況，在2個(gè)P之間的混凝土梁從理論上講之受到純彎作用。然后使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)對試樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中加載位移速度首先設(shè)置為0.25mm/min，當(dāng)荷載值達(dá)到IOOON之后，將其位移速度縮小至0.05mm/min，當(dāng)試驗(yàn)遭到荷載的破壞之后即停止加載。為了得到實(shí)驗(yàn)過程中混凝土的變形，需要在支座處和中間部分安裝線性可變差動位移傳感器[7]。該實(shí)驗(yàn)只對表1中的5種自密實(shí)混凝土進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

在實(shí)驗(yàn)過程中彎矩和彎矩比需要通過計(jì)算得到，于是梁中心處的彎矩M和最大彎矩Mmax的公式如下所示[8]：

其中a表示的是荷載距離支座的長度，f表示的是混凝土試樣的最大抗壓強(qiáng)度。

于是可以通過下述公式計(jì)算出梁的彎矩比：

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 劈裂試驗(yàn)結(jié)果和分析

表2和表3即為8種不同配合比混凝土的平均劈裂強(qiáng)度。為了更加直觀的展現(xiàn)出納米級碳纖維混凝土材料的劈裂強(qiáng)度變化趨勢，制作了如圖3和圖4所示的曲線圖，其中圖3對應(yīng)的表2，圖4對應(yīng)的表3。

從表2和圖3中可以看出，納米級碳纖維混凝土和H進(jìn)行相比較，沒有加入纖維混凝土H的劈裂強(qiáng)度更大，并且明顯比另外2種納米級碳纖維混凝土的劈裂強(qiáng)度大，增強(qiáng)率甚至快接近一半，并且還可以看出，當(dāng)加入的納米級碳纖維量更多時(shí)，混凝土的劈裂強(qiáng)度越低。出現(xiàn)這種現(xiàn)象與納米級碳纖維的分散性有關(guān)，當(dāng)纖維的量加大時(shí)，分散性就會降低，于是就會降低混凝土的劈裂強(qiáng)度。

從表3和圖4中可以看出，對于納米級碳纖維自密實(shí)混凝土來將，當(dāng)加入的納米級碳纖維量越來越多時(shí)，其劈裂強(qiáng)度表現(xiàn)出先增大后降低的趨勢，并且相較于沒有加入納米級碳纖維的自密實(shí)混凝土，其劈裂強(qiáng)度有所增加，但是增加效果并不顯著，最大增強(qiáng)率在7%左右。納米級碳纖維自密實(shí)混凝土的劈裂強(qiáng)度大于ZH，主要原因在于自密實(shí)混凝土具有更好的流動性，所以有助于提高納米級碳纖維的分散性。另外，從圖4中可以看出，其中劈裂強(qiáng)度最大時(shí)，納米級碳纖維的摻量為1.5%，所以，為了使得混凝土的劈裂強(qiáng)度最大，將納米級碳纖維的摻量設(shè)置為1.5%比較合適。

通過上述分析表明，自密實(shí)混凝土相較于普通混凝土具有更好的流動性，所以能夠使得納米級碳纖維具有更好的分散性，于是其劈裂強(qiáng)度更大，所以當(dāng)納米級碳纖維具有更好的分散性時(shí)，加入到混凝土中能夠提高其劈裂強(qiáng)度。對于普通混凝土，加入過量的納米級碳纖維并不利于其劈裂強(qiáng)度，反而會適得其反。最后，子納米級碳纖維自密實(shí)混凝土中，纖維摻人量為1.5%時(shí)，自密實(shí)混凝土的劈裂強(qiáng)度最大。

2.2 抗彎試驗(yàn)結(jié)果和分析

由于納米級碳纖維自密實(shí)混凝土材料的劈裂強(qiáng)度更大，于是研究材料的抗彎能力時(shí)沒有對納米級碳纖維普通混凝土材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。完成納米級碳纖維自密實(shí)混凝土的抗彎實(shí)驗(yàn)之后，獲得5種不同配合比下混凝土梁中心撓度的變化，圖5表示的是撓度和荷載之間的關(guān)系，圖6表示的是撓度和彎矩之間的關(guān)系。

從圖5和圖6中可以看出，在自密實(shí)混凝土中加入納米級碳纖維時(shí)，能夠提高材料的抗彎性能。當(dāng)納米級碳纖維摻人量為1%時(shí)，相較于不含納米級碳纖維的自密實(shí)混凝土，其撓度增加超過了50%，并且在其他3個(gè)配合比中具有最好的抗彎強(qiáng)度和延展性。當(dāng)納米級碳纖維摻人量增加時(shí)，材料的抗彎性能有所降低，但是相比于ZH，NCZH15、NCZH20、NCZH25的延展性還是有所增強(qiáng)，只是沒有NCZH10增長得明顯。所以當(dāng)納米級碳纖維的摻人量比較多時(shí)，并不會有利于增強(qiáng)混凝土材料的性能，反而會降低混凝土自身強(qiáng)度。

實(shí)驗(yàn)過程中獲得混凝土最大承載能力和最大撓度的值如表4所示，從中可以明顯的看出，當(dāng)納米級碳纖維的摻入量為1%時(shí)，此時(shí)梁中心最大撓度最大，相較于沒有加入納米級碳纖維的自密實(shí)混凝土，提高了達(dá)到了56%左右。

通過上述對納米級碳纖維自密實(shí)混凝土材料的抗彎實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)選擇的納米級碳纖維具有很好的分散性時(shí)，加入到自密實(shí)混凝土材料中能夠提高材料的抗彎性能。另外，當(dāng)納米級碳纖維摻人量較多時(shí)，會降低材料的抗彎性能。最后，當(dāng)納米級碳纖維的摻入量大約為1%時(shí)，此時(shí)納米級碳纖維自密實(shí)混凝土的抗彎性能最好。

3 結(jié)語

納米級碳纖維混凝土材料包含多方面的性能分析，文章只對其力學(xué)性能中的劈裂和抗彎進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，由于納米級碳纖維加入到2種不同混凝土中，自密實(shí)混凝土比普通混凝土能夠讓纖維具有更好的分散性，于是能夠提高納米級碳纖維混凝土材料的劈裂強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度;當(dāng)納米級碳纖維加入量過多時(shí)，就會導(dǎo)致其在混凝土中分散性降低，就會影響到混凝土的性能，所以加入的納米級碳纖維需要適量才有利于材料性能提高。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)納米級碳纖維摻入量為1.5%時(shí)，自密實(shí)混凝土的劈裂強(qiáng)度最大，當(dāng)納米級碳纖維的摻人量大約為1%時(shí)，此時(shí)納米級碳纖維自密實(shí)混凝土的抗彎性能最好。所以，總之，納米級碳纖維混凝土材料中如果能夠提高納米級碳纖維的分散性，那么就能夠提高混凝土材料的基本物理力學(xué)性能。

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