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文 花椒

编辑 花椒

摘要

在注浆材料中加入碳纳米管，能够形成横竖交错的组织形状，产生絮凝结构在一定程度上增加了注浆材料试样的剪切应力；

提高了 注浆材料的流变性碳纳米管的掺入，能够有效提升注浆材料试样的抗氯离子渗透能力、耐久性和抗裂性能，降低注浆材料试样 的 析水率 。

碳纳米管增强水泥基注浆材料的各项性能符合实际施工应用需求，适合推广使用。

碳纳米管增强水泥基注浆材料

近年来，自然灾害频发，传统的水泥材料 已经不能 满足大多数建筑应用 的 需求，因此新型水泥基注浆材 料成为广大学者的研究重点 。

常见 的研 究方法是 将碳纤维、钢纤维等宏观尺度纤维引入水泥机体，有效改善其裂缝和空洞间载荷，提升水泥复合材料的强度、 韧性、抗裂等力学性能。

或者使用桥连作用等方式 改变水泥基材料 的微观和宏观结构, 但这种 改变 只 是从毫米尺度上改善机体性 能，并没有对纳米级 的水 泥基发挥作用。

受到自身收缩以及温度等自然因素的影响，细微裂缝容易扩展为宏观裂缝，导致整体结构 出现 危险隐患。

常用 的改善方式是使用膨胀剂、减缩剂或者减水剂, 膨胀剂虽然能够发挥减缩效果，但会 降低水泥基材料 的强度，减水剂和减缩剂 只 能维持早 期减缩效果；

维持时间较短，有学者尝试将纳米合成纤 维混入水泥基材料 中，发现能够有效降低裂缝 出现 的 几率 , 可见纤维类材料在抑制水泥基材料裂缝的作用上具有良好的效果。

对于 碳纳米管的研究主要集中在开发纳米器件 以及制作纳 米机械等领域，由于碳纳米管具有中空结构以及 较大的 比 表 面 积，常常应用于储氢材料或催化剂载体。

在微观领域使用方面较单一，推广存在 困难， 而在宏 观层面则广泛应用于复合材料的制备等方面。

通过在异丙醇 中用超 声波降解法对 CNT进行分散处理，制备了碳纳米管包裹的水泥颗粒；

碳纳米管增强 水泥基注浆材料的耐久性、电学性能和水化过程等，但 对其注浆性能的研究却并不完善。

碳纳米管增强水泥基注浆材料的制备过程

首先，使用微分析天平准确称取 0 , 1.2 , 2.4 , 3.6 , 4.8和 6.0g的碳纳米管分散剂，在容量为 250 mL的烧杯 中 分别加入 150 mL的无水 乙醇和碳纳米 管分散剂；

使 用恒温磁力搅拌器将混合液搅拌均匀，取 出后使用超 声波清洗剂对其实行超声波分散，处理 1h , 获得碳纳 米管分散液 。

其 次，使 用微 分 析 天平 分 别称 取 155 g 硅灰、1550g水泥 以及一定量的粗细骨料，水灰 比为 0.4 ，在烧杯 内将这些材料混合后均匀搅拌，添加一定 量的水；

混合均匀后加入 15g减水剂，放入水泥净浆 搅拌机 中均匀搅拌 60s , 取 出后将制备好 的碳纳米管分散液加入其中，重置于水泥净浆搅拌机中，搅拌 180s后停止并取出。

然 后，将 干 燥 箱 温 度 设 置 为 65 , 把注浆材料放置于恰当 的容器 内，置于干燥箱 内 120min , 排除注浆材料 中 的气泡，同时挥发其 中 的无水 乙醇和有机物。

最 后，取 一 个 规 格 为 40 mm× 40mm×160mm 的模 具 并刷油，把注浆材料注入模 具并抹平覆膜，静置于标准养护室 24h , 拆膜后放置于 适当大小的水桶中水养 7d ；

运用圆环装置检测注浆材料试样 的抗裂性 能，该圆环装置直径为 30cm , 使用数据采集仪、应变片和导线组成实验数据采集系统。

在内环内壁将每片应变片 以相对状态粘贴，每两片相邻的应变片角度呈现 90°关系 ，将液体状态的注浆材料试样分层浇筑到 圆环 内， 对每层实行插捣，均匀混合实验试样 。

连接数据采集仪与应变片，获取应变数据，静置 24h后拆 除外环， 在半封闭环境下为注浆材料试样表面涂石蜡，检测总收缩量；

在全封 闭环境下为注浆材料试样表面涂抹石 蜡，检测自收缩量， 在整个实验过程 中使用 空调和加 湿器 调 整 温 度 和 湿 度，将 温 度 与 湿 度 分 别 控 制 在 (22±2) 和(55±5) %；

当应变采集仪的结果均为负 值，同时注浆材料试样全部开裂时停止实验。

碳纳米管掺量对试样力学性能的影响

当碳纳米管掺量 为 0.4%（质量分数）时，注浆材料试样的抗压强度与抗 折强度升至最高，分别可达 22.6和 5.2 MPa,相比未掺 碳纳米管试件 的 16.2和 3.2 MPa,分别提高 了 39.5% 和 62.5% 。

此外，孔结构与孔隙率也是影响注浆材料试样性 能 的 关键影响因素，存在大孔径孔过多或孔隙率过大；

都会导致注浆材料试样 的力学性能变差，在水泥基体 中掺 加碳纳米管，可有效改善水泥基体的孔结构。

当碳纳米管掺量较低时，注浆材料试样 内 的空 间较 充足，分散剂有足够的活动空间，碳纳米管不容 易 出现 团聚现象，因此能够均匀地分布于注浆材料试样 中；

但 当碳纳米管掺量逐渐增加时，碳纳米管无法均匀分散， 搅拌过程中产生 团 聚现象，注浆材料试样 中混入大量 气泡，水泥基体中重新出现微孔洞以及蜂窝，导致注浆 材料试样的力学性 能 降低 。

综上所述，若要 改善水泥 基体的力学性能，需要合理掺量 的碳纳米管均匀分布 于水泥基体中 时，才 能充分发挥碳纳米管 的作用 。

当 碳纳米管掺量为 0.4%（质量分数）时，注浆材料试样 的 力学性能最佳。

碳纳米管掺量对试样稳定性影响

将注浆材料试样静置一段 时 间后，试样 中有水分 析出，水分析出后，用剩余注浆材料试样 的体积来描述 注浆材料的稳定性 。

水分越少，所剩余的注浆材料试样体积越大，稳定性也越大，碳纳米管增强水 泥基注浆材料的稳定性越好，工程质量也越好 。

本文 实验水灰比为 0.4,碳纳米管的掺量对注浆材料试样稳 定性的影响如图 3所示 。 从 图 3可以看出；

随着碳纳 米管掺量的增加，注浆材料试样达到最终稳定 的 时 间 逐渐缩短，水分析出量逐渐降低，浆状物剩余体积不断 增加 。

当碳纳米管掺量为 0和 0.5%（质量分数）时，达 到稳定的时间分别为 160和 100min,浆状物剩余体积 分别为 854和 912 mL, 分别提升 了 60.0%和 6.8% 。

这说明随着碳纳米管掺量的增加，注浆材料试样 的稳 定性逐步提升。

为分析注浆材料试样的流变性受碳纳米管掺量的影响，本文测试了在剪切变化情况下，注浆材料试样 的 表观粘度变化情况。

具体步骤为：首先，在 30s内，将 不同掺量的碳纳米管剪切速率自 0上升至 100s -1 ; 然 后，在 30s内，再次从 100s -1 迅速下降至 0,这个过程 中仔细观察剪切应力的变化 。

不 同碳纳米管掺 量下注浆材料试样 的表观粘度 与剪切速 率 之 间 的 关系。

可以看 出，当剪切速率三60s -1 时，碳纳米 管掺量越大，注浆材料试样的粘度越高；当剪切速率 ≥ 70s -1 时，注浆材料试样 的粘度与碳纳米管掺量无关， 始终保持恒定的 26Pa · s。

这可能是因为碳纳米管在 注浆材料试样中横竖交错，构成一种良好 的絮凝结构， 这种结构随碳纳米管在转子转动注浆材料试样时遭受到破坏，具体表现为表观粘度迅速降低；

随着转子加快 旋转，剪切速率不断升高，使得注浆材料试样 中 的絮凝 结构完全被破坏，这个过程中注浆材料试样 的粘度不 断下降直至趋于稳定。

碳纳米管掺量对试样耐久性和析水率的影响

注浆材料试样的耐久性主要表现在抗氯离子渗透上，氯离子的侵蚀会严重影响注浆材料试样 的性能，使 注浆材料试样 的锈蚀速度加快，缩短注浆材料试样 的 使用寿命 。

因此，本文对注浆材料试样进行 了耐久性 实验，着重分析 了不同掺量碳纳米管试样的抗氯离子 渗透性能。

而注浆材料试样的析水 率越低性能越好，析水率过高，则固定成型后试样 的孔 隙率与含水量都较高。

如果通过提升注浆材料 的浓度 来降低析水率，则会导致加固效果与流动度受到影响， 因此本文使用碳纳米管来均衡析水率与注浆材料试样 的浓度；

随着碳纳米管掺量 的增加，注浆 材料试样的氯离子渗透深度先降低后升高，但一直低 于未使用碳纳米管的对照组 。

由此可知，碳纳米管 的 掺入能够有 效提 升注浆材料试样 的抗 氯离子渗透 能 力，具有良好 的耐久性能 。

这主要是 由于碳纳米管 能 够有效发挥阻裂作用，裂缝的扩展行为受到 限制，新裂 缝的产生受到制约；

注浆材料试样 的界面过渡 区结构 与孔结构都得到了一定程度的改善，提升 了注浆材料 试样的抗渗性能，增强了注浆材料试样的耐久性能。

未掺入碳纳米管 的对 照组析水率较 高，随着碳纳米管掺量的不断增加，注浆材料试样 的析 水率不断降低 。

当碳纳米管掺量为 0.5%（质量分数） 时，析水率仅为 8.01%, 试样 的性 能最好 。

由此说明， 碳纳米管的掺入能够有 效 降低注浆材料试样 的 析 水 率，对试样的性能存在正面影响 。

在实 际使用 中，注浆 材料必须具备较大的扩散半径和流动性，以保证注浆 材料能很好地融入路基或建筑框架中，因此，对注浆材 料的析水率要求较高，一般不能超过 12% 。

可以看出，当碳纳米管掺量＞0.3%时，注浆材料试样的 析水率保持在 12%以下，符合实际应用要求。

水灰比一定时，不 同碳纳米管掺量下注浆 材料试样的开裂应力，本文实验中，各试样的起始点 均为注浆材料初凝时间，内钢环应变也就是 圆环应变。

实验初期由于水化产物体积膨胀作用和 早期水化温升作用导致注浆材料试样出现一段时 间 的 膨胀现象，处理 100h以后才出现收缩。

碳纳米管的使用能够使圆环压应变缩小，与未使 用碳纳米管的对照组相 比，添加碳纳米管 的实验试样圆环压应变更小，且随着碳纳米管掺量 的增加，圆环压 应变逐渐减小 。

当碳 纳米管掺量达到 0.5%（质量 分 数）时，圆环压应变与总收缩量均最小。比，随着碳纳米管掺量的增加，开裂应变都得到有 降低 。

说明碳纳米管 的掺入，可 以有效提高注浆材料试 样的抗裂性能。

结 论

注浆材料试样 的 力学性能最佳，其抗压强度与抗折强度升至最高，分别 可达 22.6和 5.2 MPa , 相 比未掺碳纳米管试件 的 16.2 和 3.2 MPa , 分别提高了 39.5%和 62.5% 。

当碳纳米管掺量为 0和 0.5%（质量分数）时， 达到稳定的时间分别为 160和 100min , 浆状物剩余体 积分别为 854和 912mL ,分别提升了 60.0%和 6.8% 。

这说明随着碳纳米管掺量的增加，注浆材料试样达到 最终稳定的时间逐渐缩短，水分析出量逐渐 降低，浆状 物剩余体积不断增加，其稳定性逐步提升。

在注浆材料中加入碳纳米管，能够形成横竖交 错的组织形状，产生絮凝结构，在一定程度上增加 了注 浆材料试样的剪切应力，且碳纳米管的掺量越高，注浆 材料试样的流变性能越高。

在注浆材料中加入碳纳米管，能够有效发挥 阻 裂作用，裂缝的扩展行为受到限制，新裂缝 的产生受到 制约，注浆材料试样的界面过渡 区结构与孔结构都得 到了一定程度 的改善；

从而提升 了注浆材料试样 的抗 氯离子渗透能力、耐久性和抗裂性能，降低 了注浆材料 试样的析水率。

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