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不同養(yǎng)護齡期下碳納米管水泥基復(fù)合材料抗壓強度研究
石小冬 2023/6/14 19:24:29
（泰山科技學(xué)院 建筑工程學(xué)院，山東 泰安 271000）
摘要：研究了在不同養(yǎng)護齡期下，多壁碳納米管（MWCNTs）的摻量（0wt%、0.05wt%、0.08wt%、0.10wt%、0.20wt%、0.30wt%、0.50wt%）對水泥基復(fù)合材料抗壓強度的影響。結(jié)果表明：在相同水膠比條件下，隨著養(yǎng)護齡期的增加，碳納米管水泥基復(fù)合材料（CNT/CC）的抗壓性能不斷增強。在3d、7d養(yǎng)護齡期下，摻入0.05wt%、0.08wt%的MWCNTs可以提高早期水泥凈漿的抗壓性能，隨著MWCNTs摻量的繼續(xù)增加，CNT/CC的早期抗壓強度有所降低。養(yǎng)護齡期為28d時，摻入適量的MWCNTs可以有效地提高水泥基材料的抗壓力學(xué)性能，隨著MWCNTs摻量的增加，CNT/CC的抗壓強度呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢，當(dāng)MWCNTs摻量為0.08wt%時，CNT/CC的抗壓強度達到最大值，比空白組提高了31.1%。
關(guān)鍵詞：多壁碳納米管；水泥基復(fù)合材料；抗壓強度；養(yǎng)護齡期
0 引言
水泥基復(fù)合材料是現(xiàn)代建筑中應(yīng)用最廣泛的基建材料，具有原材料來源廣、成本低、適應(yīng)性強等優(yōu)點。隨著當(dāng)代社會智能建筑技術(shù)的快速發(fā)展，水泥基復(fù)合材料正朝著高強性、功能性和智能性等方向發(fā)展。然而，傳統(tǒng)水泥基材料易出現(xiàn)裂縫，導(dǎo)致力學(xué)性能和整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性明顯下降，在實際工程應(yīng)用中易受到限制，所以如何改善水泥基材料的性能已成為材料領(lǐng)域普遍關(guān)注的問題。
許多學(xué)者研究表明，通過在水泥基材料中加入納米材料，不僅可以提高水泥基材料的力學(xué)性能，同時還可以賦予水泥基材料新的性能[1-4]，如壓敏性能、導(dǎo)熱性能和耐久性等。碳納米管作為一種新型的水泥基復(fù)合材料用材，具有極高的強度、韌性、良好的電導(dǎo)性和超高的導(dǎo)熱性能，將分散良好的碳納米管與水泥基體結(jié)合可以打破傳統(tǒng)水泥基材料的局限，不僅賦予水泥基復(fù)合材料優(yōu)異的力學(xué)特性，還獲得良好的壓阻性能和導(dǎo)熱性能[5]，因而被公認為最有前途的納米材料之一。但碳納米管作為一種具有特殊結(jié)構(gòu)的一維納米材料，表面缺陷少，缺乏活性基團，難溶于水和有機溶劑，管與管之間存在較強的范德華力加之極大的長徑比（100～1000）使其在基體中難以均勻分散，極易形成大量的團簇[6]。本文采用機械攪拌、超聲波分散和表面活性劑的方法，以此解決MWCNTs在水泥基體中的分散問題，主要研究在不同養(yǎng)護齡期下，MWCNTs摻量（0wt%、0.05wt%、0.08wt%、0.10wt%、0.20wt%、0.30wt%、0.50wt%）對水泥基復(fù)合材料抗壓性能的影響。
1 實驗
1.1 原材料
普通硅酸鹽水泥（P·O 42.5）：性能參數(shù)見表1；羥基化多壁碳納米管（MWCNTs-OH）（如圖1所示）：中國科學(xué)院成都有機化學(xué)有限公司通過化學(xué)氣相沉積（CVD）法生產(chǎn)，其物理性能見表2；表面活性劑：聚乙烯吡咯烷酮（PVP）；減水劑：聚羧酸高效減水劑；消泡劑：磷酸三丁酯（TBP）；實驗用水：去離子水。
表1 水泥的化學(xué)成分和物理性能
化學(xué)成分（%） 物理性能
SiO2 CaO Al2O3 Fe2O3 MgO SO3 燒失量 相對密度
/(g/cm3) 比表面積
/(m2/kg)
18.8 58.78 5.74 3.46 2.24 2.38 4.22 3.08 357
圖1 MWCNTs-OH的TEM圖（a）及SEM圖（b）和TPO圖（c）
表2 MWCNTs的物理性能
外直徑 長度 灰度 碳含量 比表面積 -OH含量
20-40 nm 10-30 um ﹤5 wt% ﹥95 % ﹥80 m2/g 1.63 wt%
1.2 配合比及試件制備
經(jīng)過試配，采用水膠比為0.28的水泥凈漿作為基體，分別以水泥質(zhì)量的0.05wt%、0.08wt%、0.10wt%、0.20wt%、0.30wt%和0.50wt%摻入MWCNTs制備CNT/CC凈漿試件，另成型一組純水泥凈漿試件作為空白參照樣。減水劑摻量為0.3%，消泡劑摻量為0.13%，分散劑摻量w（PVP）： w（MWCNTs）= 4：1，具體配合比見表3。
CNT/CC試件制備過程：稱量PVP并緩慢加入到部分去離子水中，磁力攪拌2-3min至PVP完全溶解，將不同摻量的MWCNTs緩慢加入到PVP溶液中，磁力攪拌15min后常溫超聲分散2h（功率120W），再通過離心分離法以2000r/min轉(zhuǎn)速離心（未完，下一頁）
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