摘要：采用低成本和高穩定性的納米導電炭黑Super-P(CBSP)作為水泥混凝土的添加劑。通過設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、力學性能、抗滲性能、導電性能和溫敏性能)。通過SEM對混凝土微觀形貌進行分析。實驗結果顯示，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，使得混凝土的力學性能先提升后降低且各齡期變化趨勢相似，且當CBSP的摻入量為0.75wt%時力學性能達到最大。同時混凝土的力學性能隨水灰比的增加而降低。混凝土的抗滲性能隨著CBSP摻量的增加而先提高后降低且當水灰比較大時抗滲性能有所降低。當CBSP摻入量為0.75wt%～2wt%時，混凝土電阻率迅速降低。標準養護條件比室內干燥養護的混凝土電阻率低。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電作用。通過實驗證明CBSP的加入可以改善混凝土的各項性能。

　　關鍵詞：導電炭黑Super-P(CBSP);混凝土;力學性能;抗滲性能;導電性能

　　水泥基材料，特別是混凝土仍然是世界土木工程領域應用最廣泛的材料，這主要是因為其優異的性能和低廉的價格。但是由于社會不斷進步，使得現代工程結構不斷向超高層、大跨度等方向發展，這使得傳統混凝土在力學性能與耐久性方面已經不能適應現代工程，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[1]。納米材料的發現為改善混凝土性能提供了機遇，通過添加納米摻合料改善混凝土性能已經成為當前研究的主要方向[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性能，還能應用于各個領域[11,12]。

　　如今，由納米材料制備的復合材料已經被廣泛應用于監測結構裂縫情況[13]、融雪化冰[14]、電磁屏蔽[15]以及電力接地工程[16]等領域。但是由于石墨烯、碳纖維、碳納米管等材料的生產工藝復雜、生產成本較貴，嚴重限制了它們在水泥基復合材料方面的應用[17]。納米炭黑相比于其他納米材料不僅生產工藝簡單，生產成本也比較低，因此研究納米炭黑水泥基復合材料更具有現實意義。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水泥基復合材料，結果證明在0.25～0.75wt%含量內，抗壓性能提高6.92%，抗折強度提高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滲混凝土，其中納米炭黑單獨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、高結構、高純凈度和導電性優異的特點，主要作為導電劑，用于電容[20]和電池[21-23]的制備。目前關于低成本的CBSP對于混凝土各方面性能的影響和機理分析的研究還比較少。因此，本文采用低成本和高穩定性的納米CBSP作為混凝土的添加劑，系統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。研究結果表明，摻入CBSP可以改善水泥混凝土的各項性能。

　　1實驗材料及方法

　　1.1實驗材料

　　膠凝材料采用P∙O42.5型普通硅酸鹽水泥，產自秦皇島淺野水泥有限公司，為水泥的化學成分，為P∙O42.5水泥的物理性能檢測結果;細骨料采用中砂，細度模數為2.78;粗骨料采用公稱粒徑為5~20mm的石灰巖碎石，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復雜的支鏈狀和孔洞結構，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的結構較高。

　　1.2材料制備與實驗方法

　　1.2.1CBSP分散液的制備

　　CBSP的結構較高、比表面積較大，表明其具有較好的分散性。導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，為了避免此現象的發生，則應該使CBSP在水中形成穩定的分散狀態[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聚[26]，常用于CBSP漿料的制備。采用機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的轉速攪拌5min，最后用KQ-250DE型數控超聲波清洗器在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復合混凝土配合比設置

　　設置了2種水灰比(0.53、0.63)、7種CBSP質量分數(0wt%、0.25wt%、0.5wt%，0.75wt%、1wt%、2wt%、3wt%)，砂率為38wt%，對應設置編號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0.53、0.63兩種水灰比各摻量的混凝土試驗組，共制備14組混凝土試塊。研究了不同水灰比、不同CBSP質量分數對混凝土坍落度、力學性能、導電性能和溫敏性能的影響。通過改變混凝土的用水量達到改變水灰比的目的。

　　1.2.3CBSP混凝土試塊的制備與養護

　　混凝土試驗材料及環境溫度保持在溫度(20±2)℃、濕度20%。為了排除砂子含水率的影響，用101-5電熱鼓風恒溫干燥箱預先將砂子烘干。隨后將石子、砂、水泥先后投入到攪拌機中攪拌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。導電試驗的試塊在入模時插入不銹鋼網電極[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%的室內養護1天后拆模，拆模后將試塊立即放入溫度為(20±2)℃和濕度≥95%的標準養護室中養護。配制CBSP混凝土的流程。每組試塊包括抗壓、抗折、抗滲及導電試驗所需試塊，其中導電與抗壓試驗所需試塊的尺寸相同，為100mm×100mm×100mm，抗折試塊為100mm×100mm×400mm，抗滲試塊為185mm×175mm×150mm。

　　1.2.4實驗方法

　　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天抗滲性能。利用數字萬用表進行導電性能試驗，采用二電極法測量不同養護齡期(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電試塊升溫，然后放入室內自然降溫，測試混凝土試塊隨溫度變化的電阻率。力學性能試驗后，從混凝土試塊的斷面之中選取碎塊試樣，利用掃描電鏡儀進行微觀成像對混凝土內部結構進行微觀形貌分析。

　　2結果與討論

　　2.1CBSP復合混凝土的坍落度

　　試驗進行過程中攪拌機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，進行坍落度試驗。試驗得出的坍落度結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復合混凝土的力學性能

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

　　隨著CBSP摻量的增大，混凝土的力學性能先提高后降低，且當CBSP摻量為0.75wt%(C3、B3組)時力學性能最高。7天齡期時，對照組C0、B0混凝土抗壓強度分別達到26.8MPa、21.6MPa。當混凝土力學性能達到最高時，C3、B3混凝土抗壓強度分別達到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，本試驗采用SEM對標準養護條件下28天后的W/C=0.53的CBSP摻量為0wt%、0.75wt%、2wt%的混凝土進行微觀成像。水泥水化而產生的水化產物形成致密的C-S-H，還有一些顆粒狀的未水化完全的產物零散分布在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，對混凝土的力學性能、抗滲性能和導電性能有較大的影響。

　　水泥的水化產物聯結在一起，基體內部的微孔結構得到了明顯的改善。CBSP嵌入到水化產物中，通過水化產物使得CBSP與水泥顆粒進行有效結合，從而使得基體內部連接成一個整體。水泥與CBSP混合后水化產物呈現出立體片層狀結構，該結構起聯結水化產物改善空洞結構的作用，同時納米顆粒填充到微孔中。有效的提高了混凝土的力學性能和抗滲性能。CBSP的摻量較大時，納米顆粒間的間距減小，形成穩定的導電通路，通電時主要是CBSP隧道導電起作用，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，形成較大的未水化完全顆粒，減低混凝土的力學性能。

　　3結論

　　通過設置不同水灰比，不同納米導電炭黑Super-P(CBSP)摻量，研究了CBSP對混凝土性能的影響。試驗結果表明：

　　(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性能的影響為：隨著CBSP摻量的增加混凝土的力學性能先提升后降低，并在摻量為0.75wt%時達到最大。不同水灰比，不同齡期的趨勢都有很強的相似性。W/C=0.53、W/C=0.63時，混凝土的力學性能達到最大時，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的摻入對混凝土抗滲性能的影響為：隨著摻量的增加，混凝土的抗滲性能不斷提高，在CBSP摻量為2wt%時達到最高。W/C=0.53、W/C=0.63時，最高抗滲性能較未摻入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，抗滲性能降低。(4)CBSP的摻入對混凝土導電性的提升非常明顯。當摻量小于0.75wt%或大于2wt%時，混凝土電阻率變化較小。當摻量為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CBSP摻量較大時，主要由CBSP導電，不同養護條件對電阻率的影響較小，導電性能較為穩定。

　　(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，呈現出NTC。隨著CBSP摻量的增大，混凝土電阻率的變化幅度越小。當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摻量的混凝土進行了微觀形貌分析，發現水泥與CBSP混合后水化產物呈現出立體片層狀結構，可以改善混凝土內部結構，提高混凝土的密實性。當摻量較大時，納米顆粒的間距降低，逐漸包裹水泥顆粒阻止水化正常進行，并且形成導電網絡進行隧道導電作用。

　　參考文獻：

　　[1]DAHLANAS.Impactofnanotechnologyonhighperformancecementandconcrete[J].JournalofMolecularStructure,2020,1223.

　　[2]LIUDJ,CHENMJ,XUEL,etal.TheEffectoftheCarbonFiberonConcreteCompressiveStrength[J].AdvancedMaterialsResearch,2018,1145:106-111.

　　[3]JANGSH,HOCHSTEINDP,KAWASHIMAS,etal.Experimentsandmicromechanicalmodelingofelectricalconductivityofcarbonnanotube/cementcompositeswithmoisture[J].CementandConcreteComposites,2017,77(Complete):49-59.

　　[4]DIMITARDIMOV,IDDOAMIT,OLIVIERGORRIE,etal.UltrahighPerformanceNanoengineeredGraphene–ConcreteCompositesforMultifunctionalApplications[J].AdvancedFunctionalMaterials,2018,28(23).

　　[5]ZHUP,LIH,LINGQ,etal.Mechanicalpropertiesandmicrostructureofagrapheneoxide–cementcomposite[J].CementandConcreteComposites,2015,58.

　　[6]CHUAHS,ZHUP,SANJAYANJG,etal.Nanoreinforcedcementandconcretecompositesandnewperspectivefromgrapheneoxide[J].ConstructionandBuildingMaterials,2014,73:113-124.

　　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