关键词：纳米碳纤维；抗压强度；劈裂强度；微观机理；
本文拟制备纳米碳纤维增强水泥混凝土试件，从抗压强度、劈拉强度等强度指标入手，探索纳米碳纤维对混凝土基础力学性能的影响规律和作用机理。最后，从微观层次探究纳米碳纤维对混凝土的改性作用。研究成果为高耐久性防护材料的研究和应用提供了理论依据和应用基础，弥补了现有纳米碳纤维改性混凝土研究的不足。
1、试验
1.1原材料与试件制备
水泥：P.O 42.5R普通硅酸盐水泥；砂：表观密度2620 kg/m3，细度模数为2.9，含泥量1.1%的中砂；石灰岩碎石：大碎石（表观密度2730 kg/m3）、小碎石（表观密度2644 kg/m3）以7:3的比例混掺；减水剂：聚羧酸高性能减水剂，性能见表1；消泡剂：磷酸三丁酯消泡剂（含量为99.6%，密度为0.974～0.980）；纤维：纳米碳纤维，技术参数见表2。
本试验共制备两种试件，分别为100mm×100mm×100mm的立方体试件和100mm×100mm×400mm的棱柱体试件，表3为试件配合比，制备步骤为：（1）制备纳米碳纤维分散液：将减水剂掺入水中搅拌均匀，掺入纳米碳纤维和半分消泡剂并高速搅拌2 min，掺入剩余半分消泡剂，手动低速搅拌5 min至分散液中无明显气泡；（2）制备混凝土拌合物：采用干拌法将水泥、砂、石搅拌均匀，之后边搅拌边加入纳米碳纤维分散液，最后搅拌2 min；（3）浇筑养护：浇筑成型后，在标准条件下养护28d。
2、结果与讨论
纳米碳纤维是一种具有高长径比的纳米材料，所以它兼具纳米材料和纤维材料的性能特点，同时纳米碳纤维本身具备极高的断裂强度和韧性。纳米碳纤维对混凝土力学性能的改善作用从宏观上可以从抗压强度和劈裂强度两个方面讨论。
2.1抗压强度
图3为纳米碳纤维掺量变化对混凝土抗压强度的影响，从图中可以看出：（1）纳米碳纤维掺量为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%时，混凝土的抗压强度相比于普通混凝土分别提高了2.5%、6.1%、9.2%、6.8%，这说明适量的掺入纳米碳纤维可以有效改善混凝土的抗压强度，且当掺量为3 %时的改善效果最明显；（2）当纳米碳纤维掺量为0.5%时，抗压强度相比于普通混凝土降低了1%；（3）随着纳米碳纤维掺量的增加，混凝土的抗压强度先增大后减小，说明不能一味的增加纳米碳纤维的掺量，过多的纳米碳纤维不仅会降低改善效果，还会造成浪费。
2.2劈拉强度
图4为纳米碳纤维掺量变化对混凝土劈拉强度的影响，从图中可以看出：（1）纳米碳纤维掺量小于0.3%时，随着掺量的增大，纳米碳纤维增强水泥混凝土的劈拉强度不断提高，掺量超过0.3%后，随着掺量的增大，纳米碳纤维增强水泥混凝土的劈拉强度急剧降低，当纳米碳纤维掺量为0.1%、0.2%、0.3%、0.4%时，纳米碳纤维增强水泥混凝土的劈拉强度相比于普通混凝土分别提高了2.8%、10.8%、17.5%、9.5%，可以看出掺量为0.2%~0.3%时的改善效果相对明显（2）当掺量为0.5%时，纳米碳纤维增强水泥混凝土的劈拉强度相比于普通混凝土降低了6.3%，说明过多的掺入纳米碳纤维不仅不会对混凝土的劈拉强度起到改善作用，甚至会劣化其劈拉强度。
2.4微观机理
根据上述结果与讨论，纳米碳纤维改性混凝土的各项力学性能均相对较好，但追本溯源，其改善机理最终都可以归结为对混凝土材料微观组分、微观形貌和微观结构的改变。为了进一步探索纳米碳纤维对混凝土力学性能的改性机理，本节分别对PC、CNFC01～ CNFC05共6组试样进行场发射扫描电子显微镜观测（SEM）试验，分析其微观形貌，在微观层次上解释纳米碳纤维对混凝土的改性机理。
2.4.1纳米碳纤维在混凝土中的分布情况
图5为纳米碳纤维在混凝土中分布的SEM图，从图5a可以看出，普通混凝土中存在大量孔洞，水化产物呈松散状态，整体性较差；掺量为0.1%时（图5b），纳米碳纤维在混凝土中分布很稀疏，扫描电镜下只能看到零星的几根穿插在凝胶物质中，对混凝土的改性意义不大；继续增大掺量（图5c、d），纳米碳纤维在混凝土中分布越来越广泛，并在水化产物中纵横交织、相互搭接成立体网状结构，使材料整体性逐渐加强，同时可以看到，水化产物的晶型相较于普通混凝土更加细小；当掺量为0.3%时，纳米碳纤维在混凝土中分布改性效果更好，由于纳米碳纤维颗粒具有很高的表面活性，掺入混凝土中可以加速水泥水化作用，并且由于纳米材料的晶核作用和吸附作用，水化产物逐渐形成了以纳米颗粒为核心的网状结构，抑制了大晶体的形成，降低了晶体的取向程度，从而改善了水泥石与骨料的界面结构，提高混凝土的强度；掺量为0.4%时（图5e），强大的范德瓦尔斯力使纳米碳纤维出现小面积的团聚现象；掺量为0.5%时（图5f），可以清晰的看到，团聚现象更加明显，纳米碳纤维在团聚体周围水化产物中的分布明显减少，使纳米碳纤维难以发挥其改性作用，甚至会使混凝土内部产生薄弱区，导致其强度甚至不如不掺纳米碳纤维的素混凝土，从而对混凝土的力学性能和耐久性造成不良影响，导致纳米碳纤维增强水泥混凝土的强度会随着纳米碳纤维掺量的提高表现出先增大后减小的趋势。
2.4.2纳米碳纤维的分子链作用
图6展示了纳米碳纤维在C-S-H胶凝体中的分子链作用，纳米碳纤维单丝被C-S-H胶凝颗粒包裹，如同分子链一样将胶凝颗粒连接在一起，从而增强了胶凝体的韧性和整体性。
2.4.3纳米碳纤维的桥接作用及混凝土破坏时的拔出、断裂作用
从图7a可以看出纳米碳纤维的纤维状结构对混凝土结构内部的微孔隙，微裂缝起到桥接作用，限制了其进一步发展，同时纳米碳纤维在胶凝材料中如同一种分子链，均匀分散的纳米碳纤维在混凝土中形成了立体网状结构，加强了各组分之间的联系，增强了混凝土的整体性，进而提高混凝土的强度。纳米碳纤维像一座座桥搭接在微裂缝之间，并与水泥浆体紧密结合，有效阻止了微裂缝的进一步发展和扩大，随着混凝土在外界作用下不断发生破坏，微裂缝逐渐扩展，纳米碳纤维在裂缝发展过程中受到的拉应力逐渐增大，并最终从水泥浆体中拔出或直接断裂（如图7b所示），拔出和断裂过程中，纳米碳纤维挣脱水泥浆体的束缚或自身发生破坏时，消耗掉了部分断裂破坏能，从而对混凝土微裂缝的发展起抑制作用。
3、结论
（1）适量的掺入纳米碳纤维能提高混凝土的力学性能，当掺量为0.3%时，材料的基本力学强度指标改善效果最好，抗压强度和劈拉强度相较于素混凝土分别提高了9.2%、13.2%和17.5%。
（2）适量的纳米碳纤维在混凝土中分散良好，可以形成立体网状结构，减小了水化产物的晶型。
（3）改性混凝土中的纳米碳纤维如同分子链一样将胶凝颗粒连接在一起，增强了胶凝体的韧性和整体性。
（4）纳米碳纤维桥接在改性混凝土的微裂缝之间，在混凝土破坏时可以消耗掉部分断裂破坏能。
参考文献：
[1]沈曾民. 新型碳材料[M]. 化学工业出版社,2003.
[2]赵稼祥. 纳米碳纤维及其应用[J]. 高科技纤维与应用,2003,20(2):48-50.
[3]高迪. 新型建筑材料--纳米级碳纤维混凝土性能研究[D].中南大学,2011.
[4]庄国方. 纳米碳纤维混凝土在劈裂及抗弯试验中的压敏特性研究[J].世界桥梁, 2012,40(4):69-72.
[5]陈娴. 纳米碳纤维高强混凝土抗腐蚀性能试验研究[D]. 宁夏大学,2014.
论文作者:张强
论文发表刊物:《建筑实践》2019年第38卷18期
论文发表时间:2019/12/19
标签：碳纤维论文; 纳米论文; 混凝土论文; 强度论文; 抗压强度论文; 微观论文; 量为论文; 《建筑实践》2019年第38卷18期论文;