碳基摻雜水泥基復(fù)合材料導(dǎo)熱性能及機(jī)理研究

王永林

(中鐵十七局集團(tuán)第一工程有限公司，運(yùn)城 044000)

混凝土因其原料來(lái)源廣泛、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉而被廣泛應(yīng)用。但混凝土存在抗拉強(qiáng)度低、易開(kāi)裂等問(wèn)題，尤其是大體積混凝土因內(nèi)外部較大溫度應(yīng)力更易開(kāi)裂[1-3]。碳纖維、碳納米管、石墨和炭黑等材料具有較高的導(dǎo)熱系數(shù)[4,5],已有大量學(xué)者研究碳基材料增強(qiáng)復(fù)合材料，特別是碳纖維、石墨和炭黑作為添加劑來(lái)改善其力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能[6,7]。向超等[8,9]研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于碳纖維、碳納米管等比表面積較大的材料如果摻量過(guò)高會(huì)在砂漿中引入大量氣泡，也可能發(fā)生團(tuán)聚，無(wú)法單絲狀均勻分布，不僅無(wú)法改善性能，還會(huì)導(dǎo)致材料的力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能變差。結(jié)合現(xiàn)有文獻(xiàn)和研究方法，該文采用碳纖維、石墨和炭黑研究碳基摻雜水泥基復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能及作用機(jī)理。通過(guò)全自動(dòng)壓汞儀(MIP)測(cè)定了孔徑分布并表征孔體積，采用掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，闡明力學(xué)、導(dǎo)熱性能的提升機(jī)理。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：江南-小野田水泥有限公司生產(chǎn)的PⅡ52.5硅酸鹽水泥，化學(xué)組成見(jiàn)表1。粉煤灰：南京某電廠I級(jí)粉煤灰。石墨：青島富雷克石墨新材料有限公司生產(chǎn)的200目鱗片狀石墨，碳含量95%。炭黑：棗莊華龍?zhí)亢谟邢薰旧a(chǎn)的N660炭黑。碳纖維：東麗碳纖維(廣東)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的3 mmT800短切碳纖維，碳含量95%，抗拉強(qiáng)度5 490 MPa。細(xì)骨料：采用天然河砂，細(xì)度模數(shù)2.5，表觀密度2.6 g/cm3。減水劑：西卡建筑材料有限公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑，固含量40%，減水率≥30%。水：南京市自來(lái)水。

表1 膠凝材料的化學(xué)組成 w/%

1.2 測(cè)試方法

采用DYB-300/10抗折抗壓恒應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行不同齡期抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測(cè)試。采用IMDRY3001-Ⅱ雙平板導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)定儀對(duì)試件進(jìn)行導(dǎo)熱性能測(cè)試，試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d，105 ℃烘干至恒重，參照GB/T 10294—2008執(zhí)行，其中設(shè)置冷板為15 ℃、熱板為35 ℃。采用AutoPoreⅣ 9510全自動(dòng)壓汞儀(MIP)對(duì)試件進(jìn)行孔隙率測(cè)試，試驗(yàn)參照GB/T 21650.1—2008；采用Sirion場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析，選取烘干的樣品中表面較為平整的樣品，進(jìn)行360 s噴金。

1.3 樣品制備

在基準(zhǔn)配合比B0的基礎(chǔ)上，分別摻雜不同比例的碳基材料，實(shí)驗(yàn)配合比見(jiàn)表2。采用水泥膠砂攪拌機(jī)進(jìn)行樣品制備，參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》執(zhí)行，模具尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，養(yǎng)護(hù)溫度為(20±2)℃，相對(duì)濕度≥95%。

表2 水泥基復(fù)合材料的配合比

2 結(jié)果與分析

2.1 碳基材料摻雜水泥基復(fù)合材料性能研究

2.1.1 不同摻量碳基材料對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能的影響

不同碳纖維摻量復(fù)合材料的力學(xué)性能如圖1所示。CF0.1組28 d的抗折、抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)組提高25%、20%。碳纖維摻量達(dá)到0.5%時(shí)，CF0.5組各齡期的抗折、抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)組已有降低。隨著石墨摻量的增加，抗壓、抗折強(qiáng)度逐漸提高。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低摻量石墨的早期抗折強(qiáng)度發(fā)展基本一致，G2.5組較基準(zhǔn)組的28 d抗折強(qiáng)度提高41%。抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)出隨摻量增加先下降后上升的趨勢(shì)，G2.5的抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)組提高18%。隨著炭黑摻量的增加，抗壓、抗折強(qiáng)度逐漸提高，當(dāng)炭黑摻量超過(guò)2.5%時(shí)力學(xué)性能降低。

2.1.2 不同摻量碳基材料對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的影響

不同碳纖維摻量下的水泥基復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)如圖2所示，導(dǎo)熱系數(shù)隨著碳纖維摻量的增加先提高后降低。當(dāng)碳纖維的摻量小于0.3%時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)隨著碳纖維摻量的提高而增大，CF0.1組較基準(zhǔn)組提高7.5%；當(dāng)碳纖維摻量進(jìn)一步提高，導(dǎo)熱系數(shù)隨之增大，并在摻量為0.3%時(shí)達(dá)到峰值，較基準(zhǔn)組提高14.5%。進(jìn)一步提高碳纖維摻量，導(dǎo)熱系數(shù)開(kāi)始減小，CF0.5組較CF0.3組降低19.9%，且低于基準(zhǔn)組。隨著石墨摻量的提高，導(dǎo)熱系數(shù)也不斷增大。分析這是由于石墨的高導(dǎo)熱性，在基體中提供多條導(dǎo)熱通道；另一方面，石墨的摻入使水泥水化產(chǎn)物更加密實(shí)，增強(qiáng)了基體的導(dǎo)熱能力。隨著炭黑摻量的提高，各組導(dǎo)熱系數(shù)不斷提高。CB2.5組導(dǎo)熱系數(shù)較基準(zhǔn)組提高36%。分析因?yàn)樘亢诘母邔?dǎo)熱性，此外炭黑的摻入為水泥水化提供更多成核點(diǎn)，水化產(chǎn)物更加密實(shí)，增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的導(dǎo)熱能力。

2.2 碳基材料影響水泥基復(fù)合材料導(dǎo)熱性能機(jī)理研究

2.2.1 孔隙率

通過(guò)圖3可知，四組不同碳纖維摻量的水泥基復(fù)合材料總孔體積從小到大依次為：B0、CF0.1、CF0.3、CF0.5。B0組孔徑集中在10 nm附近，屬于無(wú)害孔或少害孔；CF0.1、CF0.3、CF0.5組孔徑集中在10 nm附近，在10～100 nm分布增加，即無(wú)害孔總體積變小，少害孔、有害孔總體積增大；CF0.5組孔體積分布曲線(xiàn)在1 μm處出現(xiàn)峰值，即CF0.5組出現(xiàn)一定量的多害孔。證明碳纖維的摻入會(huì)引入氣泡，從而造成水泥基材料力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能的劣化。

由圖3(a)可知，四組不同石墨摻量的水泥基復(fù)合材料總孔體積由小到大依次為：G2.5、G0.5、G1.5、B0。四種石墨摻量的水泥基材料孔徑都集中在10 nm附近，但摻入石墨的水泥基材料孔徑分布向右偏移，說(shuō)明摻入石墨引起水泥基材料孔隙尺寸增加，但孔隙尺寸仍處于無(wú)害孔及少害孔范圍內(nèi)；G2.5、G1.5組峰值較小且整體孔隙率小于基準(zhǔn)組B0，說(shuō)明石墨的摻入一定程度上能夠起到密實(shí)水泥基材料的作用，提升基體力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能。根據(jù)圖3，三組不同炭黑摻量的水泥基復(fù)合材料總孔體積由小到大依次為：B0、CB2.5、CB1.5、CB0.5。三組炭黑摻量的水泥基復(fù)合材料孔徑集中在10 nm附近，CB1.5組在10～1 000 nm之間的孔隙數(shù)量明顯高于其他三組，CB2.5孔徑向左略微偏移多且集中于10 nm附近。CB2.5組總孔體積較基準(zhǔn)組大，但是少害孔數(shù)量減少，無(wú)害孔數(shù)量增多，力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能有所提高。

2.2.2 微觀結(jié)構(gòu)

由圖4 (a)可見(jiàn)，基準(zhǔn)組中分布著部分孔隙，缺陷較少。由圖4(b)可見(jiàn)，水泥基體中出現(xiàn)裂紋且相比于基準(zhǔn)組較寬，結(jié)合前文中孔結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，CF0.5組平均孔徑也大于B0組。CF0.5組加入碳纖維的同時(shí)，引入較多的氣泡，并且空氣的導(dǎo)熱系數(shù)非常小，所以抗折、抗壓強(qiáng)度有所下降以及導(dǎo)熱性能方面也較基準(zhǔn)組的提升有限。

在圖4(c)中石墨顆粒不均勻分布并且在圖中很難觀察到明顯的孔隙以及裂紋，整體結(jié)構(gòu)非常致密，石墨搭接形成導(dǎo)熱通道，有助于提高石墨摻雜水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能。圖4(d)中裂紋數(shù)量較少，孔隙孔徑小，且炭黑顆粒較為均勻的分布在基體中。炭黑粒徑較小、吸水率高的特性影響水泥水化進(jìn)而影響基體的微觀結(jié)構(gòu)，同時(shí)炭黑為水化產(chǎn)物提供更多成核點(diǎn)，產(chǎn)物更加密實(shí)，增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能。

3 結(jié) 語(yǔ)

碳纖維組抗折、抗壓強(qiáng)度和導(dǎo)熱性能隨著碳纖維摻量增加先提高后降低，石墨組和炭黑組隨著石墨和炭黑摻量增加而提高；摻碳纖維水泥基復(fù)合材料孔徑增大、孔隙率不斷提高，摻石墨、炭黑孔徑減小、孔隙率降低。水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能和導(dǎo)熱性能提高的原因是石墨和炭黑充當(dāng)基體的微集料和成核點(diǎn)以及碳纖維的橋接作用引起的。