石墨納米材料對混凝土性能影響研究

王 軍

（廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院，福建 龍海 3636105）

混凝土廣泛用于各種建筑物當(dāng)中，而瀝青混凝土又廣泛用于路面、橋面、機場道路及相關(guān)結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)往往對于自身自重，耐久性，較低的成本有一定的要求。近年來對于一些環(huán)境的瀝青混凝土更是提出了智能結(jié)構(gòu)的需求，但是包括瀝青混凝土在內(nèi)的混凝土材料被認為是絕緣聚合物。因此在絕緣聚合物基體中加入導(dǎo)電粉末是提高復(fù)合材料導(dǎo)電性的一種理想方法。在瀝青路面中加入一定的導(dǎo)電粉末或者一定的復(fù)合材料對于導(dǎo)電除雪也被認為是理論可行的，導(dǎo)電的石墨納米材料的出現(xiàn)使得這一想法變的更加可行。

碳納米管（CNT）、碳納米纖維（CNF）和石墨納米板（GNP）等石墨納米材料提供了與水泥水合物相互作用的大比表面積。石墨納米材料的加入將顆粒物的尺寸范圍擴大到納米尺度，有利于顆粒在新拌混凝土中的堆積和硬化混凝土材料的工程性能。本文介紹了近期石墨納米材料的加入對混凝土的相關(guān)性能提高的一些研究進展。

R Rao,J Fu 等[1]研究了一種具有一定導(dǎo)電性能的混凝土。電加熱混凝土是一種含有導(dǎo)電成分的特殊混凝土，可實現(xiàn)穩(wěn)定的導(dǎo)電。由于其電阻，一個薄的電熱混凝土覆蓋層可以產(chǎn)生熱量，以防止混凝土路面上的結(jié)冰時，連接到電源。這種電加熱混凝土除冰技術(shù)首次在中國大規(guī)模實施。鋼纖維和石墨被用于導(dǎo)電填料制造，實驗中在哈爾濱市進行，利用現(xiàn)有兩個停車坡道頂部現(xiàn)澆9 cm 厚電熱混凝土層。東坡長41m，寬5.6m，北坡長41m，寬7.6m，均為15%的陡坡。每個停車坡道上的臨時設(shè)施分為20 個部分。電熱混凝土覆蓋層現(xiàn)澆。電源采用220 伏交流電轉(zhuǎn)換為48 伏交流電的變壓器。在電熱混凝土中嵌入了角鋼作為電極。施工期間，從電極上拔下了一些電線。結(jié)果，每個匝道上幾個區(qū)域的電力都被切斷了。手持磁場計用于排除斷開位置的故障。根據(jù)磁場強度的測量，檢測硬化混凝土中所有斷開的電線，并將其重新連接到電極上。鉆孔用碳水泥漿修補。隨后的測試表明，良好的加熱性能得到了成功的恢復(fù)。

RuiRao 等[2]對室外融雪和室內(nèi)輻射采暖專用混凝土鋼纖維石墨（SGEHC）電加熱專用混凝土的熱性能進行了試驗研究。實驗測定了該混凝土的密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)。結(jié)果表明，鋼纖維石墨混凝土是一種孔隙率為11.7%的多孔材料，鋼纖維石墨的加入對密度、導(dǎo)熱系數(shù)有很大影響，但對其比熱容的影響有限。因此，提出以鋼纖維、石墨、普通混凝土和空氣四相復(fù)合材料，同時進行平行和串聯(lián)傳熱的密度模型和熱導(dǎo)率模型。結(jié)果表明，預(yù)測結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好。

Liu,Xiaoming 等[3]通過間接拉伸試驗，測定了石墨和碳纖維改性瀝青混凝土的力學(xué)性能和電學(xué)性能。試驗結(jié)果表明，瀝青混合料的力學(xué)性能受石墨、碳纖維等導(dǎo)電組分的加入影響，當(dāng)石墨含量從0%提高到22%時，穩(wěn)定度從12.8 kn 下降到9.43 kn，殘余應(yīng)力從12.8 kn 下降到9.43 kn。能力從91.1%到87.2%。車轍動力穩(wěn)定性由3318 次/mm 降至2619 次/mm。加入碳纖維后，當(dāng)碳纖維含量從0%增加到2%時，其穩(wěn)定性和殘余穩(wěn)定性從12.8 kn 增加到13.5 kn，殘余穩(wěn)定性從91.1%增加到92.7%。動力穩(wěn)定性由3318 次/mm 提高到3403 次/mm。通過石墨與碳纖維混合填料的復(fù)合改性，使其力學(xué)性能和電學(xué)性能有了很大的提高，穩(wěn)定性和殘余穩(wěn)定性由9.43 kn 提高到12.1 kn，殘余穩(wěn)定性由87.2%提高到89.2%。車轍動力穩(wěn)定性由2619 次/mm 提高到3292 次/mm。另外，彈性模量受石墨加入量的影響，彈性模量值與原材料相當(dāng)，石墨體積分數(shù)為30%時為90%，石墨體積分數(shù)為45%時為70%。無論是在動態(tài)間接拉伸試驗還是靜態(tài)間接拉伸試驗中，隨著拉伸應(yīng)變的增大，電阻都會可逆地增大，石墨和碳纖維改性瀝青混凝土是應(yīng)變自監(jiān)測的有效材料?？梢灶A(yù)見，應(yīng)變-應(yīng)力自監(jiān)測對于稱重、交通監(jiān)測、邊界監(jiān)測和結(jié)構(gòu)振動控制都具有重要的應(yīng)用價值。

AmirpashaPeyvandi 等[4]認為：石墨納米材料增強水泥基材料是建立在用微尺度纖維增強水泥基材料的既定實踐基礎(chǔ)上的，并且是對這些實踐的補充。在已達到工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的石墨納米材料中，石墨納米板為混凝土的應(yīng)用提供了良好的經(jīng)濟性。石墨納米板的平面幾何結(jié)構(gòu)是這種納米材料的另一個顯著特征，有利于增強混凝土的運輸和耐久性。為了確定石墨納米板對侵蝕性生活污水管道耐久性的影響，進行了一項實驗研究。隨后進行了實驗室研究，以工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)含有石墨納米板和/或微型聚乙烯醇（PVA）纖維的混凝土管道。特別關(guān)注了石墨納米板在混凝土中的分散和界面作用。為此，用聚電解質(zhì)對納米表面進行改性，在加入混凝土之前，首先將改性納米板分散在一定比例的混合水中。通過添加改性石墨納米板，顯著改善了混凝土管道的輸送性能和耐久性。這些改進可歸因于石墨納米板的緊密間距和高比表面積，這有效地阻礙了水分和侵蝕性化學(xué)物質(zhì)在混凝土中的吸附，并控制了侵蝕性暴露下微裂紋的生長。

WeinaMeng 等[5]研究了石墨納米板和碳納米纖維對超高性能混凝土力學(xué)性能的影響。采用0.5%鋼微纖維、5%硅灰和40%粉煤灰組成的非專利超高性能混凝土混合物。納米材料的含量為膠凝材料的0-0.3%（按重量計）。采用優(yōu)化的表面活性劑含量和超聲波技術(shù)對納米材料進行分散，以確保在超高分子量聚乙烯混合物中均勻分散。隨著納米材料含量從0%提高到0.3%，拉伸強度和吸能能力分別提高56%和187%，彎曲強度和韌性分別提高59%和276%。在0.2%的GNPS 條件下，UHPC 在拉伸和彎曲方面表現(xiàn)出“應(yīng)變硬化”。