碳納米管加強(qiáng)混凝土柱抗側(cè)性能試驗(yàn)研究

梁雲(yún)憑 宋曉濱 林 航 蘇 航

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海 200092)

0 引 言

已有研究表明,多壁碳納米管(Multi-walled Carbon Nanotubes,MWCT)可以顯著提升水泥基材料包括延性在內(nèi)的力學(xué)性能[1-2]。然而碳納米管尺寸小,比表面積大,易發(fā)生團(tuán)聚,因而碳納米混凝土制備工藝復(fù)雜,設(shè)備要求嚴(yán)格,制造費(fèi)用顯著高于普通混凝土。另一方面,碳納米粉劑對(duì)人體有害,制備時(shí)需特殊防護(hù)裝置。這些特點(diǎn)都阻礙了碳納米材料在混凝土領(lǐng)域的應(yīng)用。

近年來(lái)隨著碳納米管工業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展,其成本已降至試驗(yàn)室生產(chǎn)時(shí)期的1%以下,碳納米混凝土應(yīng)用于工程實(shí)踐的可行性大大提高。工業(yè)級(jí)碳納米漿料質(zhì)量穩(wěn)定,價(jià)格更為合理。然而目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究主要針對(duì)實(shí)驗(yàn)室精細(xì)化調(diào)制、分散的碳納米混凝土,缺乏對(duì)工業(yè)級(jí)碳納米漿料制成的混凝土材料和混凝土構(gòu)件力學(xué)性能的研究。

我國(guó)處于環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶的交匯處,結(jié)構(gòu)震害嚴(yán)重,需要深入了解結(jié)構(gòu)所用材料和主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度、承載力和耗能系數(shù)等性能指標(biāo)。然而目前對(duì)于碳納米混凝土構(gòu)件的研究主要集中于碳納米管的分散方法和碳納米復(fù)合材料機(jī)敏性能等方面,少有碳納米混凝土構(gòu)件抗震性能的研究成果。

綜上,本文采用工業(yè)級(jí)碳納米漿料制備碳納米混凝土,通過(guò)碳納米混凝土材料性能測(cè)試和碳納米混凝土柱低周往復(fù)側(cè)推試驗(yàn)研究碳納米管摻量對(duì)材料力學(xué)性能的影響,并基于試驗(yàn)結(jié)果分析碳納米管合理?yè)搅?為工程應(yīng)用提供研究支撐。

1 標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試塊抗壓試驗(yàn)

1.1合理碳納米摻量

Al-Rub等[3]的研究發(fā)現(xiàn),分散良好的碳納米管可在混凝土中形成許多具有橋連功能的連接鍵。連接鍵彈性好,強(qiáng)度大,在試塊受力時(shí)提高了混凝土的抗折性能和材料延性。碳納米管尺度極小,質(zhì)量很少的粉體即包含數(shù)目可觀的管單體,無(wú)需添加太多即可滿足需求。若摻入量過(guò)多,管體間會(huì)發(fā)生團(tuán)聚。團(tuán)聚物與基體間粘結(jié)差,使復(fù)合材料力學(xué)性能不升反降[4]。為保證試驗(yàn)效果,在設(shè)計(jì)試件的碳納米管摻量時(shí)應(yīng)首先確定合理?yè)搅糠秶?/p>

文獻(xiàn)顯示長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)內(nèi)外研究人員在試驗(yàn)中采用的碳納米管規(guī)格不一,參數(shù)各異,試驗(yàn)得到的增強(qiáng)效果差異很大(表1)。這也從一個(gè)側(cè)面凸顯了標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化生產(chǎn)碳納米混凝土的必要性。

相關(guān)研究者采用的材料除表1所述的參數(shù)不同外,其生產(chǎn)工藝、分散方式等對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果也有重要的影響。因而在采用不同規(guī)格的碳納米管進(jìn)行研究前,通過(guò)預(yù)試驗(yàn)確定碳納米管分散方式和合理?yè)搅糠秶欠浅１匾摹?/p>

本文首先進(jìn)行了碳納米混凝土立方體試塊的標(biāo)準(zhǔn)抗壓試驗(yàn),并參考Song等[10]對(duì)用同批次碳納米漿料制備的水泥砂漿的測(cè)試結(jié)果(表2),確定了本次試驗(yàn)所用碳納米材料的分散方式和合理?yè)搅糠秶Ｔ诖嘶A(chǔ)上進(jìn)行了半柱試件的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)材料、試件設(shè)計(jì)和試驗(yàn)依據(jù)

本次試驗(yàn)中,混凝土配合比為PO 52.5普通硅酸鹽水泥∶河砂∶碎石∶水=1∶1.5∶2.9∶0.4。碳納米管采用深圳某公司生產(chǎn)的工業(yè)級(jí)碳納米漿料NTP2021,產(chǎn)品參數(shù)見(jiàn)表3。

表1國(guó)內(nèi)外碳納米管加強(qiáng)水泥材料力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

Table 1 Former statistics on mechanical properties of CNTs reinforced cement-based materials

表2針對(duì)同批次漿料制備水泥砂漿骨料界面的力學(xué)測(cè)試結(jié)果[10]

Table 2 Mechanical properties of mortar-aggregate with the same CNTs Plaster[10]

表3碳管漿料參數(shù)

Table 3 CNTs Pastee Index

本文根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[11]的要求制作了六組試件,每組包括三個(gè)邊長(zhǎng)為150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊。除零摻量組外,其他五組試件的碳納米管摻量分別為0.05wt%,0.10wt%,0.15wt%,0.20wt%和0.25wt%,各組試件澆筑后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28天。

1.3 測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)在NYL-2000D壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,測(cè)定混凝土立方體抗壓強(qiáng)度值fcu,試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4試塊抗壓試驗(yàn)結(jié)果

Table 4 Cubic compressive strength test results

綜合表2和表4的數(shù)據(jù)可知,雖然針對(duì)不同力學(xué)性能參數(shù),碳納米管對(duì)混凝土的影響規(guī)律不完全相同,總體而言0.05wt%～0.20wt%應(yīng)屬此批次碳納米漿料的合理?yè)搅糠秶?/p>

2 鋼筋混凝土半柱低周反復(fù)荷載試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)概況

2.1.1試件設(shè)計(jì)

為研究添加碳納米漿料的鋼筋混凝土柱的抗側(cè)性能,本文制作了三個(gè)200 mm×200 mm×700 mm的半柱試件,試件底座尺寸為300 mm×300 mm×600 mm。三個(gè)試件除碳納米管摻量外,混凝土配合比、配筋等均相同,三個(gè)柱試件的碳納米漿料的摻量分別為0.00,0.05wt%和0.20wt%。

通過(guò)反復(fù)摸索,本文得到了一種較合理的、適用于工業(yè)級(jí)漿料的碳納米混凝土制備方法:先將水泥與粗細(xì)骨料混合并干拌均勻,然后將在工廠分散均勻的碳納米管漿料倒入水中充分混合,在攪拌鍋中加入一半水并慢速攪拌2 min,加入剩余水慢速攪拌1 min,停1 min,最后快速攪拌4 min,而后振搗排除氣泡。本次試驗(yàn)中所有柱試件采用立式澆筑,在自然狀態(tài)下養(yǎng)護(hù)28天,試件配筋及具體尺寸見(jiàn)圖1。

圖1 試件尺寸、配筋及應(yīng)變片位置(單位:mm)Fig.1 Specimen size,reinforcement and strain gauge arrangement (Unit:mm)

2.1.2試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料及混凝土配合比與材性試驗(yàn)相同。實(shí)測(cè)混凝土立方體抗壓強(qiáng)度49.2 MPa。半柱試件沿受力方向單側(cè)縱筋312,箍筋φ6@100。縱筋實(shí)測(cè)屈服強(qiáng)度342 MPa。

2.1.3加載制度與量測(cè)方法

本次試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室50 t反復(fù)荷載試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。加載過(guò)程中在豎向軸力保持恒定的同時(shí)施加水平反復(fù)荷載。豎向軸力116 kN由液壓千斤頂施加,試件軸壓比 0.5;水平反復(fù)荷載由液壓伺服作動(dòng)器施加并保持豎向千斤頂與水平作動(dòng)器同步移動(dòng)。

根據(jù)胡峰等的研究成果,在半柱低周反復(fù)荷載試驗(yàn)中采用銷(xiāo)絞加載裝置可使豎向加載端及水平加載端的作用點(diǎn)匯交于銷(xiāo)鉸軸,因而可有效模擬全柱試件的反彎點(diǎn)[12]。這種加載裝置由L形傳力件和連接件兩部分組成,兩者通過(guò)銷(xiāo)鉸連接。L形傳力件兩端分別連接試驗(yàn)機(jī)的水平向液壓伺服作動(dòng)器和豎向液壓千斤頂,水平伺服作動(dòng)器中心線與柱頂垂直距離為19 cm。本文采用這種加載裝置。

試驗(yàn)加載制度參考《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》[13],采取位移荷載綜合控制法。試驗(yàn)開(kāi)始前進(jìn)行預(yù)加載,驗(yàn)證裝置安裝正確,試件對(duì)中。試驗(yàn)過(guò)程中,在采集系統(tǒng)上觀察到柱兩側(cè)中任意一側(cè)的縱筋應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn),且圖線重新進(jìn)入穩(wěn)定直線段時(shí)即判斷為試件縱筋屈服。在荷載下降段取最高荷載的85%為破壞荷載,停止試驗(yàn)。加載裝置見(jiàn)圖2。

圖2 加載裝置設(shè)計(jì)與實(shí)物Fig.2 Testing setup

試驗(yàn)布置4個(gè)線位移計(jì),柱頂柱底各兩個(gè),每個(gè)位移計(jì)距柱端部50 mm。箍筋應(yīng)變片分別貼在距柱底60 mm和柱中位置處的箍筋表面,縱筋應(yīng)變片布置在距柱底50 mm處。水平力作用平面內(nèi)豎直粘貼混凝土應(yīng)變片,水平力作用平面外水平粘貼混凝土應(yīng)變片(見(jiàn)圖1)。

2.2 試驗(yàn)現(xiàn)象描述

本文測(cè)試的三個(gè)柱試件的破壞形態(tài)如圖3所示。其中,1號(hào)試件(零摻量)在屈服前有細(xì)裂縫產(chǎn)生,屈服時(shí)裂縫數(shù)量較多,最寬裂縫約0.08 mm。屈服時(shí)刻柱頂位移為破壞位移的25%左右,混凝土縱向應(yīng)變857με。水平推力達(dá)到峰值時(shí)柱頂位移約為破壞位移的60%。在縱筋屈服后水平推力達(dá)到峰值前,柱底座以上30～200 mm范圍內(nèi)裂縫持續(xù)發(fā)展(長(zhǎng)度120～150 mm,部分裂縫寬度已超過(guò)0.2 mm的寬度限值[14])。當(dāng)柱頂位移達(dá)到極限位移的80%時(shí),柱與基礎(chǔ)相接四角處開(kāi)始剝落,同時(shí)柱正面下部2/3柱高范圍內(nèi)裂縫貫穿,寬度加大。當(dāng)柱頂位移達(dá)到20 mm時(shí),水平荷載值達(dá)到最大值的85%,柱根部混凝土大塊剝落,試件發(fā)生破壞。

圖3 試件破壞形態(tài)Fig.3 Failure patterns

2號(hào)試件(碳納米管摻量0.05wt%)屈服前無(wú)明顯可見(jiàn)裂縫,屈服時(shí)刻相比其它兩個(gè)試件裂縫數(shù)量最少,寬度最小 (0.04mm以下) 。屈服時(shí)刻柱頂位移為破壞位移的27%左右。水平推力峰值對(duì)應(yīng)的柱頂位移約為破壞位移的80%。在柱頂位移達(dá)到屈服位移兩倍時(shí),試件出現(xiàn)20～30 mm長(zhǎng)的可見(jiàn)裂縫。隨著水平荷載的不斷施加,裂縫向柱底方向傾斜,柱底50～150 mm范圍內(nèi)的試件正面裂縫變寬并逐漸貫通,大部分裂縫寬度仍在0.2 mm限值范圍內(nèi)。當(dāng)柱頂位移達(dá)到15 mm時(shí),水平荷載值達(dá)到最大值的85%,柱根部表面混凝土開(kāi)始剝落,新裂縫不再產(chǎn)生。柱整體形態(tài)完整,無(wú)明顯剪切破壞。

3號(hào)試件(碳納米管摻量0.2wt%)裂縫數(shù)量少于1號(hào)試件而多于2號(hào)試件。試件第一條寬度為0.02 mm的可見(jiàn)裂縫在加載達(dá)到屈服荷載前后出現(xiàn)。屈服時(shí)柱頂位移為破壞位移的24%左右。水平推力峰值對(duì)應(yīng)的柱頂位移約為破壞位移的82%。水平推力達(dá)到峰值時(shí),試件表面混凝土開(kāi)始部分剝落。當(dāng)柱頂位移達(dá)到17 mm時(shí),水平荷載值達(dá)到最大值的85%,柱底以上200～500 mm范圍內(nèi)的裂縫基本貫通,寬度超限并向柱根部發(fā)展,長(zhǎng)度達(dá)150 mm以上。此時(shí)柱與基礎(chǔ)交界四角處的混凝土開(kāi)始剝落。

總體而言,在相同的軸壓比下(軸壓比0.5),3個(gè)試件的屈服位移均在4～5 mm區(qū)間內(nèi)。碳納米管對(duì)低周反復(fù)荷載作用下混凝土柱彈性階段的結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響不大。但加入碳納米管后,試件破壞時(shí)柱頂位移減小,開(kāi)裂時(shí)刻推遲,破壞時(shí)試件形態(tài)更加完整。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.3.1滯回曲線

滯回曲線反映了構(gòu)件在反復(fù)荷載作用下的變形特征、剛度退化及能量消耗,是進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震彈塑性動(dòng)力分析的主要依據(jù),也是結(jié)構(gòu)抗震性能的綜合體現(xiàn)[13]。本文試驗(yàn)中各試件水平荷載-柱頂水平位移的滯回曲線見(jiàn)圖4。由于試件加載過(guò)程中的損傷累積以及荷載和構(gòu)件初始不對(duì)稱,試驗(yàn)結(jié)果在正反向加載階段有偏差。本次試驗(yàn)中,試件3的滯回曲線不對(duì)稱性較明顯,這可能和試件制作和加載精度有關(guān)。

圖4 荷載-位移滯回曲線Fig.4 Load-displacement hysteretic curves

分析圖4可知,碳納米管對(duì)試件彈性階段的荷載位移曲線影響不大,三個(gè)試件屈服前的圖線均為直線,且相應(yīng)側(cè)移較小。三個(gè)試件屈服后位移增大,P-Δ線呈現(xiàn)出明顯的非線性,卸載階段存在殘余變形,試件的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)小于極限強(qiáng)度。三個(gè)試件的極限承載力差異不大,加載達(dá)到峰值后,水平方向殘余變形5～10 mm。但添加適量的碳納米管可以使構(gòu)件的滯回曲線更加豐滿。其中2號(hào)試件的滯回曲線最飽滿,呈梭形,反映出試件的變形能力強(qiáng),具有良好的耗能能力。而1號(hào)試件滯回曲線形狀最不飽滿,包圍面積最小,耗能能力差。3號(hào)試件雖存在較大不對(duì)稱性,然而在較為完整的反向加載階段,荷載-位移曲線依然具有良好的形狀。

2.3.2能量耗散能力

試件的能量耗散能力是試件抗震性能評(píng)價(jià)的一個(gè)重要指標(biāo),以荷載-變形滯回曲線所包圍面積的大小來(lái)衡量。滯回環(huán)越飽滿,曲線包圍面積越大,說(shuō)明試件的耗能能力越好。能量耗散系數(shù)可按《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》[13]推薦的方法計(jì)算,本文的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5各試件能量耗散系數(shù)

Table 5 Energy dissipation coefficient

2.3.3骨架曲線

骨架曲線是低周反復(fù)荷載試驗(yàn)中每次循環(huán)的荷載-位移曲線峰值點(diǎn)連接后得到的包絡(luò)線。骨架曲線能較全面地反映試件的剛度、承載力和延性等特征,并可用于確定試件的屈服點(diǎn)、最大荷載點(diǎn)以及極限點(diǎn)等特征點(diǎn)。本試驗(yàn)各試件的骨架曲線見(jiàn)圖5,其中,2號(hào)和3號(hào)試件曲線較平緩,強(qiáng)度的衰減速率較低,損傷累積較慢。

圖5 試件骨架曲線圖Fig.5 Skeleton curve

2.3.4剛度

本文中,混凝土柱的抗側(cè)剛度(用荷載位移曲線的割線剛度表示)按式(1)計(jì)算得到:

(1)

式中,Fi是荷載位移曲線第i次峰值點(diǎn)的荷載值;Xi是第i次峰值點(diǎn)的位移值。按上式計(jì)算所得結(jié)果如圖6、表6所示。

分析圖6、表6,并取K1為個(gè)試件初始割線剛度,可發(fā)現(xiàn)添加碳納米管后，2號(hào)試件的初始割線剛度較1號(hào)試件提升62.9%，3號(hào)試件較1號(hào)試件提升288.9%。結(jié)構(gòu)損傷會(huì)使試件剛度隨加載級(jí)數(shù)的上升而下降,但摻加碳納米管后剛度退化速度會(huì)變慢。比較15 mm柱頂位移時(shí)三個(gè)試件的割線剛度,1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)試件分別下降到4.23 kN/mm、4.63 kN/mm和5.09 kN/mm。相對(duì)于1號(hào)試件，2號(hào)和3號(hào)試件損傷剛度分別提高9.4%和20.3%。

圖6 試件割線剛度Fig.6 Secant rigidity of the tested specimens

表6試件剛度計(jì)算結(jié)果

Table 6 Calculation of specimens’ stiffness

試驗(yàn)還表明,碳納米管對(duì)混凝土柱剛度的提升作用會(huì)隨著試件的損傷累積而降低。從剛度位移曲線可知,當(dāng)試件柱頂水平位移超過(guò)4 mm后,三個(gè)試件剛度曲線的下降均趨于平緩,碳納米管對(duì)于混凝土柱剛度下降曲線拐點(diǎn)的位置影響不大。

2.3.5延性系數(shù)

延性一般用位移延性系數(shù)和極限層間相對(duì)位移角兩個(gè)指標(biāo)來(lái)表征。按照《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》[13]中推薦的方法計(jì)算,可得本試驗(yàn)中各試件的屈服點(diǎn)、極限點(diǎn)、延性系數(shù)和極限位移角,詳見(jiàn)表7。

由表7可知,添加碳納米管后混凝土柱延性提升,極限轉(zhuǎn)角減小。這主要是因?yàn)樘技{米管對(duì)混凝土柱剛度的提升使得試件的屈服位移和極限位移都變小,對(duì)于屈服位移影響更大。結(jié)合本文對(duì)試驗(yàn)現(xiàn)象的描述可知,采用碳納米管加強(qiáng)混凝土柱可使結(jié)構(gòu)的層間位移角和屈服位移減小,構(gòu)件破壞后的形態(tài)保持更為完整,裂縫數(shù)量也有一定的減少。

表7試件各階段荷載位移值、延性系數(shù)及極限位移角

Table 7 Loads,displacements,ductility and ultimate drift angles of diffevent specimens

注:現(xiàn)行抗震規(guī)范要求在大震(罕遇烈度地震)作用下,鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的層間位移角應(yīng)小于1/50,移延性系數(shù)大于3。

3 結(jié) 論

本文開(kāi)展了添加工業(yè)級(jí)碳納米漿料的混凝土材料力學(xué)性能和鋼筋混凝土柱抗側(cè)性能的試驗(yàn)研究,并總結(jié)了工業(yè)級(jí)碳納米漿料的最優(yōu)摻量,以及碳納米鋼筋混凝土柱的剛度、承載力、能量耗散系數(shù)和延性系數(shù)等性能指標(biāo)和碳納米管用量的關(guān)系。

研究結(jié)果表明,添加工業(yè)級(jí)碳納米漿料的混凝土柱在低周反復(fù)荷載作用下的破壞模式與普通混凝土柱基本相同,試件滯回環(huán)更加飽滿,摻量為0.05wt%～0.2wt%時(shí),能量耗散系數(shù)提升20%～30%,在同級(jí)荷載多次作用下試件的損傷累積速率明顯下降。同時(shí),添加碳納米管的混凝土柱的初始剛度有很大提升,摻量為0.05wt%～0.2wt%時(shí)相同位移對(duì)應(yīng)的剛度可提升80%左右;試件裂縫出現(xiàn)時(shí)間推后,裂縫寬度變細(xì)且長(zhǎng)度變短,試件破壞時(shí)的完整性大大提高。此外,添加碳納米管后試件的屈服強(qiáng)度略有提升,屈服位移略有下降。延性有較大提升。

由于碳納米混凝土材料及構(gòu)件的力學(xué)性能受碳納米管的分布影響較大,且試驗(yàn)中所用的混凝土質(zhì)量也有一定的變異性,因而本文的主要結(jié)論還需通過(guò)更多試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步檢驗(yàn)和修正。

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