面向混凝土舊橋加寬的改性水泥砂漿性能研究

齊永亮

(山西省交通科學(xué)研究院， 山西 太原 030000)

0 引言

對(duì)于在役的混凝土橋梁，隨著車流量不斷增多，不少早期建設(shè)的橋梁都出現(xiàn)了不能滿足交通需求的現(xiàn)象，舊橋的改造和加寬工作勢(shì)在必行。而加寬橋梁的材料選擇，特別是水泥砂漿性能的確定，是保障加寬后橋梁安全性的前提和基礎(chǔ)。

對(duì)于混凝土而言，由于其抗壓性能遠(yuǎn)優(yōu)于其抗拉性能，是較容易出現(xiàn)裂縫的材料。而裂縫對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)整體的安全性有較大的影響，裂縫會(huì)加速混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的腐蝕、混凝土的碳化等問(wèn)題，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力的降低。裂縫發(fā)展給結(jié)構(gòu)帶來(lái)的損傷和破壞可能導(dǎo)致整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的破壞。因此，及時(shí)發(fā)現(xiàn)裂縫位置及程度對(duì)橋梁安全性尤為重要。

目前已有很多裂縫監(jiān)測(cè)方法，除較受關(guān)注的聲發(fā)射法及光纖傳感器等監(jiān)測(cè)技術(shù)手段[1-2]外，還有一類是基于材料電阻的變化對(duì)結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行監(jiān)測(cè)的電阻測(cè)量[3-4]。理論上這種電阻監(jiān)測(cè)方法也可以對(duì)混凝土電阻進(jìn)行測(cè)量。但是普通混凝土自身的導(dǎo)電性、勻質(zhì)性差，電阻精確測(cè)量的難度較大，因而在裂縫方面研究較少。不少學(xué)者提出使用鋼纖維、碳納米管等導(dǎo)電材料來(lái)提高混凝土的導(dǎo)電性，發(fā)展其在大型結(jié)構(gòu)缺陷診斷的適用性[5]。也有學(xué)者對(duì)超高性能混凝土研究了不同原材料品種及摻量對(duì)常溫養(yǎng)護(hù)UHPC基體性能的影響[6]。

碳納米管(CNTs)可分為單壁碳納米管(SWCNTs)和多壁碳納米管(MWCNTs)， 其具有高電導(dǎo)率、楊氏模量、屈服強(qiáng)度、導(dǎo)熱性能等[7]，在改善水泥基材料上潛力很大。由于SWCNT與MWCNT結(jié)構(gòu)的不同，其性能也不同。力學(xué)性能上，MWCNTs的楊氏模量為1.8 TPa，抗拉強(qiáng)度可達(dá)63 GPa，而SWCNTs較小(楊氏模量1.3 TPa，抗拉強(qiáng)度可達(dá)53 GPa)；導(dǎo)電性能上，SWCNTs電導(dǎo)率為10000S/m，是銅的1000多倍[8]，約為MWCNTs的2倍。CNTs的電導(dǎo)率較高，將其加入混凝土中可以有效提高其導(dǎo)電性能[6，9]。但SWCNTs的導(dǎo)電性能的性能更為優(yōu)異，在混凝土的導(dǎo)電性改性上優(yōu)于MWCNTs，在監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用性更有前景[10]。在使用CNTs來(lái)提高混凝土導(dǎo)電性能的同時(shí)，也需要對(duì)改性混凝土材料的力學(xué)性能進(jìn)行研究。

許多學(xué)者已開(kāi)展CNTs對(duì)水泥復(fù)合材料的研究，并發(fā)現(xiàn)CNTs在改善水泥復(fù)合材料性能上有著積極作用。由于CNTs易因范德華力產(chǎn)生團(tuán)聚，對(duì)水泥基材料有不良影響。在應(yīng)用CNTs時(shí)，需要保證CNTs能均勻分散在水泥基質(zhì)中。目前常用分散方法是表面活性劑和超聲波方法。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)表面活性劑法與超聲波聯(lián)合時(shí)，CNTs的分散效果較好，水泥復(fù)合材料的強(qiáng)度性能會(huì)有20%～50%的提升[11-12]。然而當(dāng)2種方法聯(lián)合使用時(shí)也存在著改性水泥復(fù)合材料性能大幅降低的情況[13-14]。這種結(jié)果與之前的結(jié)論相矛盾。根據(jù)研究超聲波處理法在CNTs分散及砂漿強(qiáng)度上有積極作用[15]，而表面活性劑的不同會(huì)影響水泥材料的力學(xué)性能。表面活性劑能保證CNTs在水中穩(wěn)定分散，是必不可少的分散方法。選擇合適、相容性強(qiáng)的表面活性劑是很有必要的，而目前僅考慮表面活性劑對(duì)CNTs改性砂漿影響的研究較少。

由于MWCNTs的力學(xué)性能比SWCNTs高，成本及制作難度更低，大多學(xué)者使用的均是MWCNTs。但SWCNTs具有較高的導(dǎo)電性能，在混凝土導(dǎo)電性能提高上更有潛力[10]，但與SWCNTs力學(xué)相關(guān)的研究較少。如果以提高混凝土導(dǎo)電性能為目的，研究電阻測(cè)量在橋梁工程裂縫監(jiān)測(cè)的可行性需要研究SWCNTs對(duì)混凝土改性影響。本文所研究的內(nèi)容是基于SWCNTs旨在提高水泥復(fù)合材料的導(dǎo)電性能上優(yōu)于MWCNTs，對(duì)SWCNTs在水泥復(fù)合材料強(qiáng)度性能改性研究上進(jìn)行探討。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 材料

SWCNTs和MWCNTs來(lái)自RheinChemie的Rhenofit?CNT3和Rhenofit?CNT2，前者為0.2%水基懸浮液，后者為2%水基懸浮液。

水泥選用的是CEMⅠ32.5R快硬普通波特蘭水泥，主要粒度5～30 μm。沙子取用的是粒徑小于600μm普通河沙。

表面活性劑法是本文使用的主要CNTs分散方法，所選用的表面活性劑是TX10。TX10有良好的SWCNTs分散效果。要充分在水中分散1g的SWCNTs，需要0.004 mol的TX10，超過(guò)該比例不會(huì)對(duì)分散效果產(chǎn)生影響[16]。1 mol TX10的質(zhì)量約625g，即分散1g SWCNTs需要2.5g TX10。選用SWCNTs的濃度為水泥用量的0.02%，0.04%及0.06%。選取最大CNTs濃度來(lái)確定TX10的用量。

1.2 砂漿配合比

試驗(yàn)選的水泥和沙的質(zhì)量比為1∶3。未加TX10的砂漿水灰比為0.7；由于TX10表現(xiàn)出減水劑的效果，提高了砂漿的流動(dòng)性，為保證2種砂漿配比的坍落度相同，加入TX10的砂漿的水灰比為0.55。2種配比坍落度均為52mm。

根據(jù)配合比，確定砂漿制備所需要材料的用量。對(duì)于無(wú)TX10砂漿，水泥∶沙∶水的配合比為1∶3∶0.7。在加入CNT3/CNT2時(shí)，由于其是水基懸浮液，水的外加入量應(yīng)該減去水基懸浮液中已經(jīng)存在的水。命名方式為SXN，S代表SWCNTs，X為代表SWCNTs的濃度(取0，2，4，6)，N代表無(wú)TX10。MXN中M代表MWCNTs，其他同上。

對(duì)于加TX10的砂漿，水泥∶沙∶水配合比為1∶3∶0.55，水的外加量需要減去懸浮液中存在的水。命名方式為SXT，T代表有TX10加入，其他同上。

1.3 制備方法

砂漿試樣的簡(jiǎn)要制備過(guò)程如下:

a.將水和Rhenofit?CNT3/CNT2懸浮液(對(duì)于TX10改性的需考慮TX10)混合并攪拌形成溶液A。

b.將所有沙子和半量溶液A倒入攪拌機(jī)中攪拌。

c.倒入所有的水泥并繼續(xù)攪拌。

d.倒入剩余溶液A進(jìn)行攪拌。

原材料混合后，倒入模具。立方體試塊尺寸為100 mm×100 mm×100 mm用于抗壓強(qiáng)度測(cè)量，棱柱試塊尺寸為40 mm×40 mm×160 mm用于抗折強(qiáng)度測(cè)量。24 h后將砂漿取出放入養(yǎng)護(hù)容器，恒溫(23±1)℃，相對(duì)濕度100%。選取的養(yǎng)護(hù)時(shí)間為3、7、28 d。

2 結(jié)果及討論

2.1 SWCNTs和MWCNTs改性砂漿的強(qiáng)度性能對(duì)比

MWCNTs比SWCNTs表現(xiàn)出更好的力學(xué)性能，但是SWCNTs在提高水泥復(fù)合材料的導(dǎo)電性能方面更有優(yōu)勢(shì)和潛力。本節(jié)的目的是比較SWCNTs和MWCNTs改性砂漿在相同方法制備時(shí)的強(qiáng)度性能差異。表1給出了兩種砂漿28 d的抗壓和抗折強(qiáng)度。

表1 SWCNT改性砂漿和MWCNT改性砂漿的28 d強(qiáng)度性能Table 1 28-day strength of SWCNTs/MWCNTs-mortarsMPaSWCNT濃度無(wú)TX10含TX10抗壓抗折抗壓抗折0.00%30.157.1218.774.730.02%28.216.6617.644.260.04%25.796.2018.944.950.06%25.585.6422.715.31SWCNT濃度無(wú)TX10含TX10抗壓抗折抗壓抗折0.00%30.577.0818.124.590.02%29.266.9618.464.790.04%27.466.9421.714.910.06%24.866.6221.655.06

從表1可以看出，S0N和M0N普通砂漿，其抗壓強(qiáng)度均在30.5 MPa左右，抗折強(qiáng)度在7 MPa左右。在相同MWCNTs和SWCNTs濃度下，MWCNTs改性砂漿的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均高于SWCNTs改性砂漿。這是因?yàn)镸WCNTs比SWCNTs表現(xiàn)出更好的力學(xué)性能，但CNTs材料使用的不同所帶來(lái)的砂漿強(qiáng)度的差異仍相對(duì)較小。當(dāng)CNTs經(jīng)TX10分散處理后，SWCNTs改性砂漿的強(qiáng)度性能與MWCNTs改性砂漿相差不大。當(dāng)CNTs濃度為0.04%時(shí)，其抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別為18.94和4.95 MPa，分別比MWCNTs改性砂漿的抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度高2.6%和3.2%。這是因?yàn)門X10對(duì)SWCNTs[17]的分散能力最強(qiáng)，但不適合MWCNTs的分散[12]。由于兩者強(qiáng)度差異不大，應(yīng)用SWCNTs對(duì)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響是有潛力的。

2.2 砂漿試塊強(qiáng)度性能

砂漿試塊的抗壓和抗折強(qiáng)度代表值選取的是同批次3個(gè)砂漿試塊的強(qiáng)度平均值，表2是SWCNTs改性砂漿不同齡期強(qiáng)度值。

表2 改性砂漿強(qiáng)度Table 2 Strength of SWCNTs-mortarMPa組別3 d7 d28 d抗壓強(qiáng)度抗折強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度抗折強(qiáng)度抗壓強(qiáng)度抗折強(qiáng)度S0N19.885.2425.156.6730.157.12S2N20.185.2425.596.6328.216.66S4N19.985.3424.256.1125.796.20S6N19.664.7622.255.5225.585.64S0T14.294.2316.214.4618.774.73S2T13.994.0216.094.1817.644.26S4T16.154.3318.624.6618.944.95S6T19.034.4621.435.0122.715.31

2.2.1SXN強(qiáng)度性能

SXN的抗壓和抗折強(qiáng)度隨齡期的變化如圖1所示。

(a) 抗壓強(qiáng)度

圖1是不同SWCNTs濃度下，不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間下砂漿強(qiáng)度的變化?？梢钥闯?，在不加TX10的情況下，SWCNTs濃度越高，砂漿試塊的強(qiáng)度越低。普通砂漿經(jīng)28d養(yǎng)護(hù)后抗壓強(qiáng)度為30.15 MPa，抗折強(qiáng)度為7.12 MPa，當(dāng)CNTs濃度增加到0.06%時(shí)，抗壓和抗折強(qiáng)度降低了15%～20%。未分散SWCNTs會(huì)由于其范德華力造成團(tuán)聚，不能良好地分散在水泥基體，弱化與水化產(chǎn)物間的粘結(jié)，導(dǎo)致砂漿強(qiáng)度降低。

此外，在7 d養(yǎng)護(hù)后，繼續(xù)養(yǎng)護(hù)，砂漿試塊抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)率大于抗折強(qiáng)度的增長(zhǎng)率，這可能是與CNTs在復(fù)合材料中產(chǎn)生的橋接效應(yīng)有關(guān)。CNTs會(huì)與水化反應(yīng)物及骨料結(jié)合，阻止裂縫發(fā)展[18]。

通過(guò)對(duì)不同濃度SWCNTs改性砂漿的強(qiáng)度發(fā)展圖進(jìn)行分析，如圖2。添加SWCNTs后，改性砂漿能在短時(shí)間養(yǎng)護(hù)下較快獲得強(qiáng)度。3 d養(yǎng)護(hù)后，普通砂漿S0N的強(qiáng)度達(dá)到28 d強(qiáng)度的66%左右。隨著SWCNTs濃度的增加，砂漿中水化反應(yīng)速率有所提高。7d養(yǎng)護(hù)后，抗壓強(qiáng)度百分比有明顯差異，SWCNTs改性砂漿可達(dá)到28 d強(qiáng)度的85%以上，當(dāng)SWCNTs濃度在0.02%和0.04%時(shí)，其強(qiáng)度發(fā)展到90%以上，高于S0N的83.4%。因此，添加SWCNTs可以使砂漿在早期更快獲得強(qiáng)度。

圖2 SXN抗壓強(qiáng)度發(fā)展Figure 2 Evolution of SXN compressive strength

2.2.2SXT強(qiáng)度性能

當(dāng)SWCNTs經(jīng)TX10進(jìn)行分散后，砂漿強(qiáng)度發(fā)展的趨勢(shì)發(fā)生變化。從表2中可以看出，加入TX10的砂漿強(qiáng)度明顯低于未加TX10的砂漿的強(qiáng)度。這是由于TX10對(duì)水泥復(fù)合材料的不良作用，TX10除了能起到減水劑的作用，還會(huì)在攪拌過(guò)程中產(chǎn)生氣泡，增大了砂漿試塊的孔隙率，降低其密度，導(dǎo)致砂漿的強(qiáng)度性能受到影響。在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)制備砂漿試塊以研究分散后的SWCNTs對(duì)砂漿強(qiáng)度的影響。

從圖3中可以看出，SWCNTs濃度越高，抗壓、抗折強(qiáng)度越高，0.06%時(shí)，砂漿試塊強(qiáng)度最高，S6T的28 d抗壓和抗折強(qiáng)度較S0T分別提高了21%和12.26%。TX10改變了SWCNTs間的表面能，使其能得到較好的分散，使CNTs優(yōu)異性能得以展現(xiàn)。對(duì)比圖2和圖4可以看出，TX10對(duì)SWCNTs進(jìn)行分散后，SWCNTs對(duì)砂漿早強(qiáng)更加明顯。

(a) 抗壓強(qiáng)度

圖4 SXT抗壓強(qiáng)度發(fā)展Figure 4 Evolution of SXT compressive strength

2.3 TX10對(duì)砂漿強(qiáng)度和密度的影響

TX10對(duì)SWCNTs的分散起到關(guān)鍵作用。然而在砂漿拌合過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生氣泡，造成試塊孔隙率增大，密度和強(qiáng)度降低。SXN密度在2.1 g/cm3，而SXT為1.88～1.99 g/cm3。圖5對(duì)比SXN和SXT抗壓強(qiáng)度差異。

圖5 SXN與SXT砂漿試塊組的抗壓強(qiáng)度Figure 5 Compressive strength of SXN and SXT

從圖5可以看出，SXN的抗壓強(qiáng)度比SXT高。而加入TX10對(duì)SWCNTs進(jìn)行分散后，由于TX10的不良影響，抗壓強(qiáng)度均減小。但隨CNTs濃度的增加，兩者強(qiáng)度差值從11.38 MPa逐漸減小到2.87 MPa，SXT強(qiáng)度的提高抵消TX10對(duì)砂漿的影響。說(shuō)明分散良好的SWCNTs對(duì)砂漿的強(qiáng)度有積極影響。

綜上，目前亟待解決的是削弱TX10對(duì)砂漿性能的負(fù)面作用。針對(duì)拌合中的氣泡，可以使用消泡劑處理，但仍需要大量試驗(yàn)以保證消泡劑的種類等來(lái)保證其不會(huì)影響SWCNTs的分散效果。

3 結(jié)論

本文對(duì)舊橋加寬技術(shù)中水泥砂漿材料性能進(jìn)行研究，通過(guò)SWCNTs在提高水泥復(fù)合材料導(dǎo)電性的可行性基礎(chǔ)上，對(duì)SWCNTs改性砂漿強(qiáng)度的影響進(jìn)行分析。

a.由于CNTs的團(tuán)聚現(xiàn)象，直接使用未分散的CNTs會(huì)降低砂漿的強(qiáng)度。CNTs濃度越高，砂漿強(qiáng)度越低。

b.MXN比SXN表現(xiàn)出更好的強(qiáng)度性能。而MXT與SXT差距不大。

c.TX10處理后的砂漿由于拌合中氣泡的產(chǎn)生，強(qiáng)度和密度均有顯著降低。

d.分散良好的SWCNTs能一定程度抵消TX10對(duì)砂漿強(qiáng)度的不良影響。

e. SWCNTs影響水泥的早期硬化過(guò)程。在7 d養(yǎng)護(hù)后，強(qiáng)度發(fā)展可達(dá)28 d強(qiáng)度的90%以上。