碳納米管混凝土抗開(kāi)裂性能試驗(yàn)研究

翁梅，王焱，王東煒

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473000；2.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院)

水泥混凝土是目前運(yùn)用最為廣泛的建筑工程材料，但其本身存在抗拉強(qiáng)度低、韌性差等缺點(diǎn)，近年來(lái)隨著超高強(qiáng)混凝土的推廣使用，工程結(jié)構(gòu)物發(fā)生裂縫是一個(gè)普遍性的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。目前世界各國(guó)因混凝土結(jié)構(gòu)物開(kāi)裂問(wèn)題帶來(lái)的維修費(fèi)用居高不下，嚴(yán)重制約了土木行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

碳納米管(Carbon Nanotube, CNT)是改善水泥混凝土力學(xué)性能的有效組分之一。1991年，Lijima首先通過(guò)透射電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)碳納米管材料，該種材料屬于一維納米材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)200 GPa，彈性模量可達(dá)1 TPa。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，碳納米管可分為單壁結(jié)構(gòu)和多壁結(jié)構(gòu)。多壁碳納米管由于制備和提純技術(shù)要求不高，且價(jià)格相對(duì)較低，目前已經(jīng)得到大規(guī)模的生產(chǎn)和運(yùn)用。自被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，碳納米管材料被廣泛地運(yùn)用于增強(qiáng)陶瓷、合金、聚合物等復(fù)合材料，取得了很多實(shí)用性的成果。但碳納米管在增強(qiáng)水泥基材料的研究中起步相對(duì)較晚。現(xiàn)有研究表明，碳納米管材料的摻入，可以不同程度地提高水泥基材料的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、斷裂韌性、抗凍性和抗?jié)B透性等。然而，當(dāng)前有關(guān)碳納米管對(duì)水泥混凝土的抗開(kāi)裂性影響的研究還相對(duì)較少。

針對(duì)水灰比為0.28的水泥混凝土，摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為水泥質(zhì)量的0%、0.2%和0.4%的多壁碳納米管，開(kāi)展抗折強(qiáng)度試驗(yàn)、收縮試驗(yàn)和環(huán)形約束收縮試驗(yàn)，分析碳納米管摻量對(duì)混凝土開(kāi)裂性能的影響規(guī)律。

1 原材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料

試驗(yàn)所用的混凝土材料配合比見(jiàn)表1，混凝土的水灰比為0.28。水泥為普通硅酸鹽水泥P.O.42.5級(jí)。粗骨料為連續(xù)級(jí)配的石灰石碎石，粒徑范圍為5～12.5 mm。細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)為2.7，屬于中砂。拌和水為自來(lái)水。為提高拌和料的工作性，采用聚羧酸鹽系高效減水劑。多壁碳納米管的摻量分別為水泥質(zhì)量的0%、0.2%和0.4%，其物理參數(shù)如表2所示。

表1 混凝土材料配合比

表2 多壁碳納米管的物理指標(biāo)

制備碳納米管混凝土的方法：稱(chēng)取所需的碳納米管材料加入拌和水中，手工初步攪拌后將碳納米管水溶液放入頻率為50 kHz的超聲儀水槽中振動(dòng)25 min，待碳納米管材料均勻分散在水溶液中，將其加入混凝土干料中進(jìn)行攪拌，攪拌時(shí)間為180 s，最后成型相應(yīng)的測(cè)試試件，放在溫度為(20±2)℃，相對(duì)濕度為95%的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

1.2 抗折強(qiáng)度試驗(yàn)

混凝土抗折強(qiáng)度試驗(yàn)的試件尺寸為400 mm×100 mm×100 mm，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至1、3、7和28 d后進(jìn)行測(cè)試，有關(guān)測(cè)試步驟根據(jù)GB/T 50081-2016《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行操作。每組試驗(yàn)進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，取平均值為抗折強(qiáng)度。

1.3 收縮試驗(yàn)

收縮試驗(yàn)的試件尺寸為400 mm×100 mm×100 mm，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)1 d后，移置恒溫恒濕條件[(20±2)℃，50%±5%]下測(cè)試收縮應(yīng)變，每組試驗(yàn)進(jìn)行3次平行試驗(yàn)，采用千分表讀取收縮應(yīng)變值，千分表精度為0.001 mm。

1.4 環(huán)形約束試驗(yàn)

混凝土環(huán)形約束試驗(yàn)依據(jù)ASTM C1581標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。其中鋼環(huán)的內(nèi)徑為305 mm，壁厚15 mm?；炷镰h(huán)的內(nèi)徑為320 mm，壁厚40 mm，高度150 mm?；炷镰h(huán)試件澆筑前，在鋼環(huán)內(nèi)壁距離底部75 mm，4等分點(diǎn)處貼應(yīng)變片，通過(guò)測(cè)試鋼環(huán)因混凝土擠壓作用產(chǎn)生的變形來(lái)分析混凝土的抗開(kāi)裂性能?；炷镰h(huán)試件澆筑1 d后拆掉外鋼環(huán)，并置于與收縮試驗(yàn)相同的環(huán)境進(jìn)行測(cè)試。

圖1 混凝土環(huán)形約束試驗(yàn)裝置

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 抗折強(qiáng)度

不同摻量的碳納米管混凝土的抗折強(qiáng)度隨時(shí)間發(fā)展結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同CNT摻量混凝土的抗折強(qiáng)度

由圖2可以看出：① 碳納米管摻量為0%、0.2%和0.4%試驗(yàn)組的抗折強(qiáng)度均隨著齡期的增加而增大，該現(xiàn)象主要與水泥水化反應(yīng)隨時(shí)間不斷進(jìn)行有關(guān);② 在碳納米管摻量為0～0.4%的范圍內(nèi)，不同齡期下?lián)教技{米管的混凝土的抗折強(qiáng)度均要大于素混凝土的抗折強(qiáng)度，且碳納米管的摻量越大，混凝土的抗折強(qiáng)度越高。其原因與碳納米管在混凝土中起到了預(yù)期的增強(qiáng)效果有關(guān)。此外，現(xiàn)有研究表明，碳納米管材料在混凝土中存在一個(gè)最優(yōu)摻量，一旦超過(guò)該摻量，碳納米管混凝土的強(qiáng)度隨著摻量的增加而下降。

由圖2推測(cè)可知：對(duì)于此次研究采用的混凝土，0～0.4%的碳納米管摻量仍位于最優(yōu)摻量范圍內(nèi)，且超聲振蕩方式能將碳納米管材料均勻地分散在混凝土中。

2.2 收縮應(yīng)變

不同摻量的碳納米管混凝土在相對(duì)濕度為50%環(huán)境下的收縮應(yīng)變?nèi)鐖D3所示。

由圖3可知：① 3組試驗(yàn)的收縮應(yīng)變均隨著齡期的增加而增大，其原因與混凝土的水化反應(yīng)消耗水分以及干燥失水有關(guān);② 在0～0.4%碳納米管摻量范圍內(nèi)，碳納米管的摻量越大，混凝土的收縮應(yīng)變?cè)叫　．?dāng)碳納米管摻量從0%增加至0.4%時(shí)，混凝土50 d的收縮應(yīng)變可減小18.4%，這與已有研究成果基本吻合。究其原因，混凝土的收縮應(yīng)變與混凝土內(nèi)部的微孔(直徑小于20 nm)含量有關(guān)，微孔含量越高，混凝土的收縮應(yīng)變?cè)酱?。此次研究所用的碳納米管的直徑為10～25 nm，碳納米管在混凝土中能起到填充微孔的效果，減小微孔的含量，從而減小混凝土內(nèi)部的毛細(xì)孔壓力，因此混凝土的收縮應(yīng)變減小。

圖3 不同CNT摻量混凝土收縮應(yīng)變

暴露于干燥環(huán)境下的普通混凝土可采用式(1)來(lái)表征收縮應(yīng)變的發(fā)展。研究采用該式對(duì)不同摻量混凝土的收縮應(yīng)變進(jìn)行擬合，結(jié)果如圖3所示，可以看到擬合曲線與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，說(shuō)明碳納米管的摻入并不改變混凝土的收縮機(jī)理。

εsh=a1(t-t0)a2+a3(t-td)0.5

(1)

式中：εsh為混凝土收縮應(yīng)變;a1、a2和a3分別為擬合參數(shù)；t0為混凝土的終凝時(shí)間；td為混凝土開(kāi)始干燥的齡期。

2.3 環(huán)形約束開(kāi)裂性能

不同碳納米管摻量試驗(yàn)組的鋼環(huán)應(yīng)變發(fā)展如圖4所示。當(dāng)混凝土暴露于干燥環(huán)境時(shí)，混凝土將發(fā)生收縮，該收縮變形受到鋼環(huán)的約束，混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力，而鋼環(huán)產(chǎn)生壓應(yīng)力。圖4中負(fù)的鋼環(huán)應(yīng)變值代表鋼環(huán)受到混凝土擠壓而產(chǎn)生的壓應(yīng)變。雖然環(huán)形約束試驗(yàn)不能直接測(cè)量混凝土的拉應(yīng)力發(fā)展，但是通過(guò)分析鋼環(huán)的壓應(yīng)變發(fā)展可以評(píng)估混凝土在收縮和徐變等多因素作用下的抗開(kāi)裂性能。

由圖4可以看出：3組試驗(yàn)的鋼環(huán)壓應(yīng)變隨著齡期的增加而增大，當(dāng)鋼環(huán)的壓應(yīng)變?cè)龃蟮揭欢ㄖ禃r(shí)，由于混凝土環(huán)的拉應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度，混凝土發(fā)生開(kāi)裂，作用在鋼環(huán)上的壓應(yīng)力被釋放，因此鋼環(huán)的應(yīng)變恢復(fù)為零。

圖4 鋼環(huán)應(yīng)變發(fā)展

混凝土環(huán)的抗開(kāi)裂性能可以根據(jù)ASTM C1581標(biāo)準(zhǔn)采用凈開(kāi)裂時(shí)間進(jìn)行定量表征。圖5匯總了3組試驗(yàn)的凈開(kāi)裂時(shí)間。

由圖5可以看出：混凝土的凈開(kāi)裂時(shí)間隨著碳納米管摻量增加而增大，當(dāng)摻量從0%增大至0.4%時(shí)，凈開(kāi)裂時(shí)間從10.3 d增加至14.8 d，提高了43.2%，該結(jié)果表明：碳納米管的摻入有助提高了混凝土的抗開(kāi)裂性能。其原因與碳納米管在混凝土中起到橋聯(lián)作用有關(guān)。這種橋聯(lián)作用能夠使均勻分散在混凝土中的碳納米管承受一定的荷載，減小混凝土的受力，因此能有效地延緩混凝土的凈開(kāi)裂時(shí)間，提高混凝土的抗開(kāi)裂性能。

圖5 混凝土開(kāi)裂時(shí)間與CNT摻量關(guān)系

研究還對(duì)混凝土環(huán)開(kāi)裂后的裂縫寬度進(jìn)行了分析。采用讀數(shù)顯微鏡測(cè)量裂縫的寬度，3組試驗(yàn)裂縫寬度的測(cè)試均在混凝土齡期達(dá)到20 d時(shí)進(jìn)行。測(cè)點(diǎn)共計(jì)5個(gè)，沿高度方向等距分布，如圖6所示，取平均值作為裂縫寬度，3組試驗(yàn)的裂縫寬度如圖7所示。

圖6 混凝土環(huán)裂縫寬度測(cè)試點(diǎn)

圖7 混凝土環(huán)裂縫寬度與CNT摻量關(guān)系

由圖7可以看出：混凝土的裂縫寬度隨著碳納米管摻量的增加而減小。當(dāng)碳納米管摻量從0%增大至0.4%時(shí)，裂縫寬度從0.27 mm降低至0.19 mm。該現(xiàn)象表明：碳納米管不僅可以提高混凝土的抗開(kāi)裂性能，還有利于減小裂縫寬度。

3 結(jié)論

(1)在0～0.4%摻量范圍內(nèi)，混凝土的抗折強(qiáng)度隨著碳納米管摻量的增加而增大，當(dāng)碳納米管摻量為0.4%時(shí)，28 d抗折強(qiáng)度可提高21.3%。

(2)混凝土的收縮應(yīng)變隨著碳納米管摻量的增加而減小，50 d收縮應(yīng)變可減小約18.4%，其原因與碳納米管的摻入填充混凝土中的微孔，降低混凝土內(nèi)部的毛細(xì)孔壓力有關(guān)。

(3)碳納米管的摻入有助于提高混凝土的抗開(kāi)裂性能，碳納米管的摻量越大，混凝土的抗開(kāi)裂性能越好，其原因與碳納米管的橋聯(lián)作用有關(guān)。