吳暉劍

浙江工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 浙江 杭州 310023

引言

伴隨我國(guó)工程項(xiàng)目的持續(xù)增加，更多的橋梁隧道等結(jié)構(gòu)涌現(xiàn)。混凝土材料屬于混合型材料，因?yàn)樗療嵋约安煌牧蠠崤蛎浵禂?shù)差異，讓其內(nèi)部出現(xiàn)不均勻的應(yīng)變，此種應(yīng)變讓混凝土出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力，在其高于材料本身應(yīng)力時(shí)就會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。水泥基是混凝土的關(guān)鍵構(gòu)成材料，對(duì)其高溫條件下熱膨脹系數(shù)進(jìn)行分析研究，是有效解決混凝土開(kāi)裂現(xiàn)象的關(guān)鍵。水泥基水化物重點(diǎn)包含凝膠、氫氧化鈣以及未水化水泥顆粒。有關(guān)研究顯示，運(yùn)營(yíng)熱膨脹系數(shù)低的集料能夠讓水泥基收縮應(yīng)力降低。此材料固相組分熱膨脹系數(shù)其大小是氫氧化鈣＞未水化水泥顆粒＞凝膠＞碳納米管顆粒，因此，碳納米管能夠有效降低其內(nèi)部收縮應(yīng)力以及開(kāi)裂現(xiàn)象。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

碳納米管：其性能見(jiàn)表1所示。水泥：其成分與力學(xué)性能見(jiàn)表2所示。分散劑：屬于性能優(yōu)質(zhì)的水溶性高分子產(chǎn)品，能夠把碳納米管充分分散在水溶液當(dāng)中。消泡劑：能夠把水泥生成的氣泡迅速清除。

表1 碳納米管性能參數(shù)

表2 水泥化學(xué)成分與物理力學(xué)性能

1.2 制備

1.2.1 懸浮液制備。首先把分散劑添加在含有蒸餾水的杯子中，攪拌至充分溶解，之后利用天平精準(zhǔn)稱出碳納米管，添加在分散劑溶液當(dāng)中，放置在磁力攪拌器進(jìn)行攪拌20min，之后把溶液放置超聲波清洗槽內(nèi)進(jìn)行超聲處理1h，完成之后，制備成碳納米管懸浮液[1]。

1.2.2 復(fù)合材料制備與養(yǎng)護(hù)。把分散的懸浮液加入到水泥漿攪拌設(shè)備中，稱取一定質(zhì)量的水泥，快速添加至設(shè)備中進(jìn)行攪拌，攪拌設(shè)備先慢攪3min，中途停頓15s，添加一定量的消泡劑，之后迅速攪拌5min，最后把攪拌完成的混合料倒在模具當(dāng)中，把模具放在振實(shí)臺(tái)，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展振實(shí)。熱膨脹實(shí)驗(yàn)：運(yùn)用模具，各組6個(gè)試樣。力學(xué)性能試驗(yàn)，試件尺寸40mm×40mm×160mm，各組三個(gè)試樣，將全部試樣均放置在相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕度養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，24h拆模，標(biāo)注之后放置于養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)28d[2]。

1.3 方法

1.3.1 熱膨脹系數(shù)。該實(shí)驗(yàn)運(yùn)用平均膨脹系數(shù)a代表試件由16-600℃熱膨脹系數(shù)變化。首先經(jīng)過(guò)熱膨脹設(shè)備測(cè)量熱膨脹率，之后對(duì)熱膨脹率展開(kāi)擬合，獲得公式，經(jīng)過(guò)對(duì)擬合公式得出熱膨脹系數(shù)的轉(zhuǎn)變趨勢(shì)[3]。熱膨脹設(shè)備測(cè)試設(shè)置升溫速度在4℃/min，熱膨脹率伴隨溫度轉(zhuǎn)變出現(xiàn)變化，升溫最后溫度是儀器設(shè)定的600℃，之后按照10℃/min速度進(jìn)行降溫，直到試驗(yàn)完成。設(shè)原來(lái)試件長(zhǎng)度是L，溫度上升ΔT后，長(zhǎng)度轉(zhuǎn)變成ΔL，那么試件熱膨脹率R與熱膨脹率系數(shù)s公式：

1.3.2 孔隙率。通過(guò)甲醇法對(duì)試樣孔隙率進(jìn)行測(cè)試，把養(yǎng)護(hù)到28d的試驗(yàn)在養(yǎng)護(hù)箱中取出，切割為邊長(zhǎng)2cm的立方體，從真空到恒重測(cè)試質(zhì)量WO，之后把試樣放置在無(wú)水甲醇24h，對(duì)懸掛在甲醇內(nèi)的質(zhì)量W1與甲醇飽和質(zhì)量W2進(jìn)行分別測(cè)試，計(jì)算其孔隙率P，公式為

1.3.3 掃描電鏡。運(yùn)用掃描顯微鏡對(duì)試件微觀處表層外觀、化學(xué)成分等進(jìn)行觀察。

1.3.4 力學(xué)性能試驗(yàn)。運(yùn)用液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其抗折強(qiáng)度以及抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 熱膨脹系數(shù)模型構(gòu)建與結(jié)果

熱膨脹率體現(xiàn)試件體積轉(zhuǎn)變，熱膨脹系數(shù)能夠有效體現(xiàn)其膨脹率變化，所以熱膨脹系數(shù)能夠更直接反應(yīng)熱膨脹性能。對(duì)于不同碳納米管水泥基材料由16～600℃熱膨脹率發(fā)展曲線展開(kāi)擬合，其公式為R（t）=。相應(yīng)擬合參數(shù)與精度見(jiàn)表3所示。通過(guò)函數(shù)擬合，獲得擬合曲線以及實(shí)際膨脹率變化曲線對(duì)比見(jiàn)圖1所示。

表3 擬合參數(shù)與精度

圖1 水泥凈漿由16～600℃熱膨脹率擬合曲線對(duì)比圖

從圖1能夠看出，擬合曲線和膨脹率曲線幾乎重疊，并且曲線有關(guān)系數(shù)臨近1，標(biāo)準(zhǔn)誤差近乎0，通過(guò)擬合曲線能夠替代具體膨脹率變化曲線。對(duì)擬合曲線展開(kāi)求導(dǎo)，獲得熱膨脹系數(shù)的溫度變化曲線。能夠看出，熱膨脹系數(shù)在16～45.6℃是負(fù)值，伴隨溫度升高，系數(shù)從負(fù)值臨近0，試件出現(xiàn)收縮情況，并且收縮速率逐漸降低，基于宏觀分析能夠看出，在45.6～140.6℃，熱膨脹系數(shù)超過(guò)0，水泥凈漿在持續(xù)膨脹狀態(tài)，在82℃其系數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)檎?，這是水泥凈漿膨脹率尋上升迅速，體積快速膨脹。在140.6～600℃，始終低于0，泥漿處在收縮狀態(tài)，在510℃時(shí)系數(shù)在最大負(fù)值，這是泥漿收縮率最高，體積收縮明顯。

2.2 孔徑分布結(jié)果分析

一般情況下，密實(shí)度高的熱膨脹系數(shù)更大，結(jié)構(gòu)疏松的其系數(shù)較小。A3試件其空間分布基本接近0，如此說(shuō)明碳納米管在水泥基材料中互相銜接，小顆粒的材料孔隙和集體密切融合，構(gòu)成良好的網(wǎng)絡(luò)。此種狀況和A3試件在負(fù)向系數(shù)的規(guī)律相同，宏觀體現(xiàn)在收縮明顯。A0試件孔徑分布接近10μm，并且較為聚集，如此是因?yàn)槿鄙偬技{米管對(duì)其產(chǎn)生的填充效應(yīng)，因此泥漿具有更多的孔隙，最大進(jìn)泵量在6%。A6試件孔徑10～100μm，較為渙散，如孔徑分布均勻、孔隙率較高，在其內(nèi)部會(huì)生成微孔洞等現(xiàn)象。因此A0、A6比A3試件孔隙率高，熱膨脹系數(shù)低。

2.3 掃描電鏡試驗(yàn)結(jié)果分析

A0試件當(dāng)中具有一定的結(jié)晶相氫氧化鈣，結(jié)晶水在高溫作用下逐漸流失，水泥基發(fā)生水蒸發(fā)后的孔洞，因?yàn)槿鄙偬畛?，因此試件?nèi)微觀結(jié)構(gòu)較為稀松，孔隙多，所以泥漿水化并不充分，沒(méi)有明顯收縮。A3試件光滑密實(shí)，因?yàn)樘技{米管其直徑最大在15nm，能夠?qū)锥催M(jìn)行充分填充，并且具有銜接作用，分布均勻，熟料礦物水化反應(yīng)明顯，進(jìn)而讓水泥基更具密實(shí)性，其熱膨脹系數(shù)升高，抗折與抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)。A6時(shí)間出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，孔徑增大，對(duì)凝固硬化造成不良影響，收縮性不大。

2.4 力學(xué)性能驗(yàn)證結(jié)果分析

其摻量在0.6%范圍內(nèi)，碳納米管水泥基材料抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度與未添加時(shí)有顯著提升；在摻量在0.3%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度最高，與未摻時(shí)分別提升31.27%與69.44%。碳納米管的添加轉(zhuǎn)變?cè)胁牧峡捉Y(jié)構(gòu)以及抗開(kāi)裂性，進(jìn)而有效提升水泥基材料力學(xué)性能。

3 熱膨脹分析

3.1 熱膨脹系數(shù)

碳納米管和水泥基進(jìn)行混合之后，在溫度升高時(shí)，因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)有所區(qū)別，其形變也具有一定的差異性，可是二者粘連為一體，互相影響，無(wú)法自由拓展。因此宏觀體現(xiàn)在碳納米管水泥基材料其熱膨脹系數(shù)絕對(duì)值要高于凈漿下的數(shù)值。伴隨碳納米管數(shù)量的增添，其對(duì)于水泥基材料熱膨脹性能起到更加顯著的約束效用。所以，水泥基材料熱膨脹率伴隨摻量升高逐漸提升，在其摻量在0.3%時(shí)，熱膨脹性能處于最良好狀態(tài)。

3.2 微觀分析

碳納米管有著一定的物理填充效用，其重點(diǎn)是提升水泥基密度。伴隨摻量增加，轉(zhuǎn)變水泥基材料孔隙率，從而轉(zhuǎn)變熱膨脹系數(shù)。高密度是其獲取更高性能的重點(diǎn)。通過(guò)孔徑分布曲線能夠看出，水泥基材料當(dāng)中添加碳納米管之后，其孔徑量大大下降，如此是因?yàn)樘技{米管直徑在15nm，能夠充分添加水泥基材料孔徑。所以，在當(dāng)中添加相應(yīng)數(shù)量的碳納米管能夠降低水泥基材料孔徑與孔隙率，讓熱膨脹系數(shù)明顯上升?？梢?jiàn)，對(duì)碳納米管水泥基材料熱膨脹系數(shù)的關(guān)鍵影響因素就是其摻入數(shù)量以及孔隙結(jié)構(gòu)，在此探究分析中，在碳納米管摻入量在0.3%時(shí)，其熱膨脹系數(shù)能夠達(dá)到負(fù)最高值，水化與收縮性最為顯著，其抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度也最大。

4 結(jié)束語(yǔ)

首先，碳納米管摻入量與水泥基材料的孔隙結(jié)構(gòu)是對(duì)其熱膨脹系數(shù)的主要影響因素，在碳納米管摻入量在0.3%時(shí)，水泥基材料孔隙分布處于均勻狀態(tài)下。其次，碳納米管水泥基材料熱膨脹系數(shù)與凈漿熱膨脹系數(shù)的發(fā)展變化接近。最后，在碳納米管的添加能夠轉(zhuǎn)變水泥基復(fù)合材料固相組成與相應(yīng)結(jié)構(gòu)，在其摻入量在0.3%時(shí)，水泥基能夠充分水化，具有顯著的收縮性，熱膨脹系數(shù)處于負(fù)向最高值，這時(shí)能夠進(jìn)一步提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，進(jìn)而能夠有效減少大體積混凝土溫度應(yīng)力以及開(kāi)裂現(xiàn)象。