摘要：采用低成本和高穩(wěn)定性的納米導(dǎo)電炭黑Super-P(CBSP)作為水泥混凝土的添加劑。通過設(shè)置不同的水灰比和不同的CBSP摻量，研究了CBSP的加入對混凝土各方面性能的影響(即坍落度、力學(xué)性能、抗?jié)B性能、導(dǎo)電性能和溫敏性能)。通過SEM對混凝土微觀形貌進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，摻入納米材料CBSP使得混凝土坍落度不斷降低。隨著CBSP的摻入量不斷增大，使得混凝土的力學(xué)性能先提升后降低且各齡期變化趨勢相似，且當(dāng)CBSP的摻入量為0.75wt%時力學(xué)性能達(dá)到最大。同時混凝土的力學(xué)性能隨水灰比的增加而降低。混凝土的抗?jié)B性能隨著CBSP摻量的增加而先提高后降低且當(dāng)水灰比較大時抗?jié)B性能有所降低。當(dāng)CBSP摻入量為0.75wt%～2wt%時，混凝土電阻率迅速降低。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件比室內(nèi)干燥養(yǎng)護(hù)的混凝土電阻率低。不同水灰比混凝土之間電阻率相差較小。SEM顯示了CBSP的填充孔隙和隧道導(dǎo)電作用。通過實(shí)驗(yàn)證明CBSP的加入可以改善混凝土的各項(xiàng)性能。

　　關(guān)鍵詞：導(dǎo)電炭黑Super-P(CBSP);混凝土;力學(xué)性能;抗?jié)B性能;導(dǎo)電性能

　　水泥基材料，特別是混凝土仍然是世界土木工程領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的材料，這主要是因?yàn)槠鋬?yōu)異的性能和低廉的價格。但是由于社會不斷進(jìn)步，使得現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)不斷向超高層、大跨度等方向發(fā)展，這使得傳統(tǒng)混凝土在力學(xué)性能與耐久性方面已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代工程，因此不斷推動建筑工程材料朝著高性能、多用途的方向前進(jìn)[1]。納米材料的發(fā)現(xiàn)為改善混凝土性能提供了機(jī)遇，通過添加納米摻合料改善混凝土性能已經(jīng)成為當(dāng)前研究的主要方向[1-3]。目前,石墨烯[4]、氧化石墨烯[5,6]、碳納米管[7-9]和納米炭黑[10]等納米炭基材料是制備水泥基復(fù)合材料的熱門摻合料，將它們制備成分散液均勻加入到混凝土基體中不僅可以提高混凝土的力學(xué)性能，還能應(yīng)用于各個領(lǐng)域[11,12]。

　　如今，由納米材料制備的復(fù)合材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)裂縫情況[13]、融雪化冰[14]、電磁屏蔽[15]以及電力接地工程[16]等領(lǐng)域。但是由于石墨烯、碳纖維、碳納米管等材料的生產(chǎn)工藝復(fù)雜、生產(chǎn)成本較貴，嚴(yán)重限制了它們在水泥基復(fù)合材料方面的應(yīng)用[17]。納米炭黑相比于其他納米材料不僅生產(chǎn)工藝簡單，生產(chǎn)成本也比較低，因此研究納米炭黑水泥基復(fù)合材料更具有現(xiàn)實(shí)意義。納米炭黑不僅種類繁多，不同種類炭黑的性能有著很大的差異，將其摻入混凝土中時不同種類的炭黑對混凝土的作用效果不盡相同。

　　WangYanFeng等[18]利用納米炭黑顆粒增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，結(jié)果證明在0.25～0.75wt%含量內(nèi)，抗壓性能提高6.92%，抗折強(qiáng)度提高9.69%;M.Rezania等[19]利用納米炭黑(粒徑150nm)和納米二氧化硅制備抗?jié)B混凝土，其中納米炭黑單獨(dú)摻加時使混凝土的抗折性能降低，抗壓性能先降低而后提升。納米導(dǎo)電炭黑Super-P(Conductivecarbonblacksuper-P，CBSP)屬于納米炭黑材料，因其具備高比表面積、高結(jié)構(gòu)、高純凈度和導(dǎo)電性優(yōu)異的特點(diǎn)，主要作為導(dǎo)電劑，用于電容[20]和電池[21-23]的制備。目前關(guān)于低成本的CBSP對于混凝土各方面性能的影響和機(jī)理分析的研究還比較少。因此，本文采用低成本和高穩(wěn)定性的納米CBSP作為混凝土的添加劑，系統(tǒng)的研究了不同水灰比下不同摻量的CBSP對混凝土各方面性能的影響。研究結(jié)果表明，摻入CBSP可以改善水泥混凝土的各項(xiàng)性能。

　　1實(shí)驗(yàn)材料及方法

　　1.1實(shí)驗(yàn)材料

　　膠凝材料采用P∙O42.5型普通硅酸鹽水泥，產(chǎn)自秦皇島淺野水泥有限公司，為水泥的化學(xué)成分，為P∙O42.5水泥的物理性能檢測結(jié)果;細(xì)骨料采用中砂，細(xì)度模數(shù)為2.78;粗骨料采用公稱粒徑為5~20mm的石灰?guī)r碎石，其中5~10mm占80wt%，10~20mm占20wt%，水為秦皇島市自來水。從中可以更清晰的看出納米粒子呈現(xiàn)復(fù)雜的支鏈狀和孔洞結(jié)構(gòu)，納米粒子直徑為20~50nm，并且都相互纏繞在一起，且由右上角局部納米顆粒圖可以看出CBSP的結(jié)構(gòu)較高。

　　1.2材料制備與實(shí)驗(yàn)方法

　　1.2.1CBSP分散液的制備

　　CBSP的結(jié)構(gòu)較高、比表面積較大，表明其具有較好的分散性。導(dǎo)電炭黑的分散過程包括了CBSP顆粒的附聚物被破壞為較小顆粒的過程和被破壞的顆粒在水中隨機(jī)分布的過程。而被分散的顆粒會由于顆粒間的范德華力而重新聚集為較大顆粒，為了避免此現(xiàn)象的發(fā)生，則應(yīng)該使CBSP在水中形成穩(wěn)定的分散狀態(tài)[24]。CBSP的分散方法有物理分散和分散劑分散兩種方法。物理分散有球磨法、機(jī)械攪拌法和超聲分散法，分散劑分散法則是在水中加入分散劑經(jīng)過攪拌使其分散的方法[25]。

　　超聲分散法能降低納米粒子的團(tuán)聚[26]，常用于CBSP漿料的制備。采用機(jī)械攪拌加超聲分散的方法來制備CBSP分散液。在室溫(20±3)℃下稱好所需CBSP和水的質(zhì)量，將水倒入燒杯中，再將CBSP倒入燒杯中，用電動攪拌器以12000r/min的轉(zhuǎn)速攪拌5min，最后用KQ-250DE型數(shù)控超聲波清洗器在40kHz下超聲分散10min，然后將燒杯取出，將以上步驟重復(fù)操作一次，如此將CBSP均勻分散在水中，最終制得CBSP分散液。

　　1.2.2CBSP復(fù)合混凝土配合比設(shè)置

　　設(shè)置了2種水灰比(0.53、0.63)、7種CBSP質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0wt%、0.25wt%、0.5wt%，0.75wt%、1wt%、2wt%、3wt%)，砂率為38wt%，對應(yīng)設(shè)置編號0.00wt%CBSP/C-0.53wt%~3.00wt%CBSP/C-0.53，0.00wt%CBSP/C-0.63wt%~3.00wt%CBSP/C-0.63(以下簡稱C0~C6,B0~B6)，分別對應(yīng)0.53、0.63兩種水灰比各摻量的混凝土試驗(yàn)組，共制備14組混凝土試塊。研究了不同水灰比、不同CBSP質(zhì)量分?jǐn)?shù)對混凝土坍落度、力學(xué)性能、導(dǎo)電性能和溫敏性能的影響。通過改變混凝土的用水量達(dá)到改變水灰比的目的。

　　1.2.3CBSP混凝土試塊的制備與養(yǎng)護(hù)

　　混凝土試驗(yàn)材料及環(huán)境溫度保持在溫度(20±2)℃、濕度20%。為了排除砂子含水率的影響，用101-5電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱預(yù)先將砂子烘干。隨后將石子、砂、水泥先后投入到攪拌機(jī)中攪拌2min，干拌均勻，然后加入CBSP分散液以及拌合水再攪拌3min，使各組料混合均勻。攪拌完成后測試拌合料的坍落度并將其倒入模具中。導(dǎo)電試驗(yàn)的試塊在入模時插入不銹鋼網(wǎng)電極[27]。

　　在混凝土拌合料裝模后，利用ZH·DG80型混凝土振動臺將其振實(shí)到出漿為止，使無氣孔的混凝土拌合料沉入模具中。最后將裝有混凝土試塊的模具放置在溫度為(20±2)℃和濕度為20%的室內(nèi)養(yǎng)護(hù)1天后拆模，拆模后將試塊立即放入溫度為(20±2)℃和濕度≥95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)。配制CBSP混凝土的流程。每組試塊包括抗壓、抗折、抗?jié)B及導(dǎo)電試驗(yàn)所需試塊，其中導(dǎo)電與抗壓試驗(yàn)所需試塊的尺寸相同，為100mm×100mm×100mm，抗折試塊為100mm×100mm×400mm，抗?jié)B試塊為185mm×175mm×150mm。

　　1.2.4實(shí)驗(yàn)方法

　　參照GB/T50080-2016[28]，測定混凝土拌合物的坍落度。參照GB/T50081-2002[29]，檢測各組混凝土7天、28天抗壓性能和28天抗折性能。參照GB/T50082-2009[30]，采用劈裂法，檢測各組混凝土28天抗?jié)B性能。利用數(shù)字萬用表進(jìn)行導(dǎo)電性能試驗(yàn)，采用二電極法測量不同養(yǎng)護(hù)齡期(1天、3天、7天、14天、28天)檢測各組混凝土試塊的電阻率。利用電熱烘干箱將混凝土導(dǎo)電試塊升溫，然后放入室內(nèi)自然降溫，測試混凝土試塊隨溫度變化的電阻率。力學(xué)性能試驗(yàn)后，從混凝土試塊的斷面之中選取碎塊試樣，利用掃描電鏡儀進(jìn)行微觀成像對混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行微觀形貌分析。

　　2結(jié)果與討論

　　2.1CBSP復(fù)合混凝土的坍落度

　　試驗(yàn)進(jìn)行過程中攪拌機(jī)中每組的混凝土稠度有明顯差異。為了評估CBSP加入混凝土后對混凝土工作性能的影響，進(jìn)行坍落度試驗(yàn)。試驗(yàn)得出的坍落度結(jié)果和坍落度降低百分比。可以得出，隨著CBSP摻量的增大使混凝土坍落度不斷下降。C0、B0的坍落度分別為47mm、92mm，下降至C6、B6組的12mm、25mm。當(dāng)水灰比較大時，水泥漿體增加，潤滑效果提高，致使坍落度提高。由于CBSP顆粒的粒徑極小，比表面積大且粗糙，吸附力強(qiáng)且CBSP的親水性很差，各組料混合后會吸附在水泥顆粒表面，起鎖緊作用，阻止與水的接觸，使包裹骨料的水泥漿體的量減少，使得混凝土坍落度逐漸降低。

　　2.2CBSP復(fù)合混凝土的力學(xué)性能

　　混凝土立方體和長方體的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)是測試混凝土基本力學(xué)性能最常用的方法。為探究CBSP的摻加對混凝土力學(xué)性能的影響，本研究測定了養(yǎng)護(hù)時間為7天、28天的抗壓強(qiáng)度和養(yǎng)護(hù)時間為28天的抗折強(qiáng)度。可以看出，不同水灰比下CBSP的加入對混凝土的力學(xué)性能產(chǎn)生相似的影響。當(dāng)水灰比增大時，混凝土試塊的力學(xué)性能總體較低，這是因?yàn)榛炷�土用水量較大，稀釋了水泥漿體，使水泥的膠結(jié)力降低，從而降低了混凝土的力學(xué)性能。

　　隨著CBSP摻量的增大，混凝土的力學(xué)性能先提高后降低，且當(dāng)CBSP摻量為0.75wt%(C3、B3組)時力學(xué)性能最高。7天齡期時，對照組C0、B0混凝土抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到26.8MPa、21.6MPa。當(dāng)混凝土力學(xué)性能達(dá)到最高時，C3、B3混凝土抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到30.8MPa、27.3MPa，較對照組分別提高了14.9%、26.6%。

　　為了研究CBSP的摻入對混凝土微觀形貌的影響，本試驗(yàn)采用SEM對標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下28天后的W/C=0.53的CBSP摻量為0wt%、0.75wt%、2wt%的混凝土進(jìn)行微觀成像。水泥水化而產(chǎn)生的水化產(chǎn)物形成致密的C-S-H，還有一些顆粒狀的未水化完全的產(chǎn)物零散分布在C-S-H上，連接不緊密。致密的基體中有少量的孔洞和一條較大的裂縫，對混凝土的力學(xué)性能、抗?jié)B性能和導(dǎo)電性能有較大的影響。

　　水泥的水化產(chǎn)物聯(lián)結(jié)在一起，基體內(nèi)部的微孔結(jié)構(gòu)得到了明顯的改善。CBSP嵌入到水化產(chǎn)物中，通過水化產(chǎn)物使得CBSP與水泥顆粒進(jìn)行有效結(jié)合，從而使得基體內(nèi)部連接成一個整體。水泥與CBSP混合后水化產(chǎn)物呈現(xiàn)出立體片層狀結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)起聯(lián)結(jié)水化產(chǎn)物改善空洞結(jié)構(gòu)的作用，同時納米顆粒填充到微孔中。有效的提高了混凝土的力學(xué)性能和抗?jié)B性能。CBSP的摻量較大時，納米顆粒間的間距減小，形成穩(wěn)定的導(dǎo)電通路，通電時主要是CBSP隧道導(dǎo)電起作用，使混凝土電阻率大大降低。CBSP會包裹水泥顆粒，阻隔水化反應(yīng)，形成較大的未水化完全顆粒，減低混凝土的力學(xué)性能。

　　3結(jié)論

　　通過設(shè)置不同水灰比，不同納米導(dǎo)電炭黑Super-P(CBSP)摻量，研究了CBSP對混凝土性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：

　　(1)CBSP的摻入對混凝土坍落度的影響為：隨著摻量的增加，CBSP顆粒會裹緊水泥達(dá)到鎖固作用，使得混凝土坍落度不斷降低。水灰比提高會增加混凝土的坍落度。(2)CBSP的摻入對混凝土力學(xué)性能的影響為：隨著CBSP摻量的增加混凝土的力學(xué)性能先提升后降低，并在摻量為0.75wt%時達(dá)到最大。不同水灰比，不同齡期的趨勢都有很強(qiáng)的相似性。W/C=0.53、W/C=0.63時，混凝土的力學(xué)性能達(dá)到最大時，其抗壓性能分別較未摻入CBSP混凝土提高12.16%、20.19%，抗折性能分別較CBSP提高8.8%、15.36%。

　　(3)CBSP的摻入對混凝土抗?jié)B性能的影響為：隨著摻量的增加，混凝土的抗?jié)B性能不斷提高，在CBSP摻量為2wt%時達(dá)到最高。W/C=0.53、W/C=0.63時，最高抗?jié)B性能較未摻入CBSP混凝土提高了55.52%、53.26%。隨著水灰比增加，混凝土孔隙率增大，抗?jié)B性能降低。(4)CBSP的摻入對混凝土導(dǎo)電性的提升非常明顯。當(dāng)摻量小于0.75wt%或大于2wt%時，混凝土電阻率變化較小。當(dāng)摻量為0.75wt%～2wt%時，混凝土電阻率迅速降低。不同水灰比間的混凝土電阻率相差較小。當(dāng)CBSP摻量較大時，主要由CBSP導(dǎo)電，不同養(yǎng)護(hù)條件對電阻率的影響較小，導(dǎo)電性能較為穩(wěn)定。

　　(5)CBSP的摻入對混凝土的溫敏性能有較大的影響。隨著溫度的升高，電阻率降低，呈現(xiàn)出NTC。隨著CBSP摻量的增大，混凝土電阻率的變化幅度越小。當(dāng)CBSP摻量較小時(≤1wt%)，混凝土電阻率的變化幅度較大。CBSP摻量較大時(≥2wt%)，混凝土電阻率的變化幅度很小。不同水灰比間，混凝土溫敏性能相似。(6)利用SEM微觀成像，對不同CBSP摻量的混凝土進(jìn)行了微觀形貌分析，發(fā)現(xiàn)水泥與CBSP混合后水化產(chǎn)物呈現(xiàn)出立體片層狀結(jié)構(gòu)，可以改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高混凝土的密實(shí)性。當(dāng)摻量較大時，納米顆粒的間距降低，逐漸包裹水泥顆粒阻止水化正常進(jìn)行，并且形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隧道導(dǎo)電作用。

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　　作者：何威*1,2,3，李世磊1,2,3，王亞偉1,2,3，焦志男1,2,3，李桂峰1,2,3