碳納米管增強RPC彎曲疲勞性能

王 鈞， 白雪石， 趙金友， 高琢雅

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150040)

活性粉末混凝土(RPC)自發(fā)明以來，被廣泛應(yīng)用于橋梁、鐵路及公路等工程結(jié)構(gòu)，相關(guān)資料統(tǒng)計[1]，采用RPC建造的橋梁已超過400座.這些結(jié)構(gòu)在整個生命周期內(nèi)承受交通、海浪甚至偶然地震等反復(fù)荷載作用，可能發(fā)生疲勞破壞.因此，明確RPC材料在反復(fù)荷載作用下的疲勞特性，提升RPC材料的抗疲勞性能，就顯得尤為重要.

在過去相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，眾多學(xué)者相繼開展了粉煤灰、硅灰、礦渣、鋼纖維、聚丙烯纖維和碳纖維等摻和料對普通混凝土彎曲強度和疲勞性能的影響研究[2-7].近年來，隨著納米材料的興起，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在普通混凝土中摻入碳納米管后，其抗壓強度與斷裂韌性顯著增強[8-9]，但關(guān)于碳納米管增強RPC拉伸韌性以及彎曲強度的研究尚不多見[10]，特別是關(guān)于碳納米管增強RPC疲勞性能的研究未見報道.因此，本文采用三點靜載彎曲與循環(huán)加載方式，研究不同摻量的碳納米管對RPC彎曲強度的提升幅度及其對RPC疲勞性能的影響，探尋提高RPC彎曲強度和疲勞性能的更好途徑.

1 試驗

1.1 試驗原材料

水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其性能指標(biāo)見表1；鋼纖維直徑0.22mm，長度13mm，抗拉強度不小于2850MPa；碳納米管選用氣相沉積法(CCVD)制備的多壁碳納米管(MWCNTs)，其參數(shù)見表2；減水劑選用減水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，本文所涉及的減水率、摻量、比值等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比)為35%的KY-1型聚羧酸高性能減水劑；摻和料采用Ⅰ級粉煤灰和微硅粉；細(xì)骨料為石英砂和石英粉.

表1 水泥性能指標(biāo)

表2 碳納米管性能指標(biāo)

1.2 試件制作

依據(jù)GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土規(guī)范》選取RPC試驗配合比，見表3.選用水膠比mW/mB為0.19，碳納米管摻量w(MWCNTs)分別為膠凝材料質(zhì)量的0%、0.05%、0.10%和0.15%制備試件，試件規(guī)格和數(shù)量見表4.其中：彎曲強度和抗壓強度試件根據(jù)碳納米管的4種摻量分為4組，每組3個試件；疲勞加載試驗的應(yīng)力水平Smax=0.85、0.75、0.65，根據(jù)碳納米管的4種摻量將試件分為4組，每組18個試件，即每種應(yīng)力水平下各有6個試件.

表3 RPC試驗配合比

表4 試件規(guī)格和數(shù)量

在試件制備過程中，采用水中超聲分散法進行碳納米管的分散，分散后的碳納米管溶液呈黑色黏稠漿體，靜置24h后無分層、沉淀狀態(tài).為保證分散后的碳納米管漿體在混凝土中分散均勻，將其加水稀釋后摻入拌和料強制攪拌均勻.試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護24h后拆模，經(jīng)90℃高溫蒸汽養(yǎng)護72h后標(biāo)養(yǎng)至28d.

1.3 試驗方法

采用IPC Global UTM-30動態(tài)液壓伺服多功能材料疲勞試驗機，分別對碳納米管增強RPC試件進行立方體抗壓、靜載彎曲和彎曲循環(huán)疲勞加載.RPC試件有效跨徑120mm，彎曲加載示意如圖1所示.在彎曲循環(huán)疲勞加載試驗中，以應(yīng)力控制方式進行等幅正弦波疲勞加載，應(yīng)力水平Smax=0.85、0.75和0.65，加載頻率為15Hz.

圖1 加載示意圖Fig.1 Loading diagram(size:mm)

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)

4組立方體抗壓與靜載彎曲試驗所測得的28d強度平均值見表5.

表5 各組試件的28d強度試驗結(jié)果

由表5可見：與基準(zhǔn)組試件RPC-M0相比，碳納米管摻量為0.05%、0.10%的RPC-M05、RPC-M10組試件抗壓強度提升10.95%、16.25%，碳納米管摻量為0.15%的RPC-M15組試件則降低14.19%；RPC-M05組試件的彎曲強度增幅達(dá)12.46%，為4組試件的峰值，隨著碳納米管摻量的進一步增加，其彎曲強度增幅出現(xiàn)下降趨勢，RPC-M10組試件的彎曲強度提升6.38%，RPC-M15組試件的彎曲強度則降低3.93%.

對經(jīng)過立方體抗壓試驗后的材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行掃描電鏡(SEM)觀察，照片見圖2.由圖2可見：試件RPC-M0的骨料與膠凝材料界面銜接效果較差，存在界面剝離破壞，且自身內(nèi)部存在氣孔，隨著試驗荷載增加，內(nèi)部孔隙將貫通形成破壞界面；試件RPC-M05的膠凝材料與骨料界面銜接效果較好但仍存在少量孔洞；試件RPC-M10的骨料與膠凝材料結(jié)合非常緊密，界面黏結(jié)完美，融為一體，孔洞數(shù)量少、孔隙率低；當(dāng)碳納米管摻量達(dá)到0.15%時，材料內(nèi)部存在大量孔隙且有碳納米管團聚現(xiàn)象.

圖2 不同碳納米管摻量下各試件的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM photos of specimens under different MWCNTs content

SEM觀察結(jié)果表明，適量碳納米管能填充RPC內(nèi)部微孔洞，優(yōu)化骨料與膠凝材料界面黏結(jié)性，但過多摻量的碳納米管會在RPC中產(chǎn)生團聚現(xiàn)象，致使水化產(chǎn)物存在過多蜂窩狀微觀孔洞與孔隙.同時，由于碳納米管的中空結(jié)構(gòu)與較大的比表面積[11-12]，其摻入RPC中會奪取RPC水化反應(yīng)所需水分和增大RPC的比表面積，在水膠比不變情況下，RPC材料的流動性將隨著碳納米管摻量的增加有所下降；且碳納米管自身的類纖維特性也會發(fā)揮橋聯(lián)效應(yīng)，致使RPC內(nèi)部各材料之間的黏結(jié)性增大，振搗時內(nèi)部氣體難以溢出，未溢出氣體會形成較大宏觀孔隙，使材料自身強度降低.分析結(jié)果表明：適量碳納米管能優(yōu)化混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)并提升材料整體性，在RPC受裂界面以網(wǎng)格搭接形式增強其抗裂性能，初裂時消耗碳納米管自身較高的斷裂能，導(dǎo)致材料開裂強度提升，較大改善RPC力學(xué)性能；但過多摻量的碳納米管會對RPC力學(xué)性能產(chǎn)生負(fù)面影響，致使碳納米管的增強效果存在峰值.

2.2 疲勞性能

進行3種應(yīng)力水平(0.85、0.75、0.65)下的疲勞加載試驗，測得不同碳納米管摻量下各試件的彎曲疲勞壽命N(每種應(yīng)力水平下有6個試件，其疲勞壽命用N1～N6表示)，結(jié)果見表6.

表6 各試件的疲勞壽命

由表6可見，在彎曲疲勞荷載循環(huán)作用下，試件的疲勞壽命離散性與疲勞加載次數(shù)呈正相關(guān)；摻入碳納米管能較好改善RPC的抗疲勞性能.為預(yù)測碳納米管增強RPC的疲勞壽命，選擇Weibull分布方程，該方程可簡化為：

ln[ln(1/p)]=lnN-blnNa

(1)

式中各參數(shù)的物理意義見文獻(xiàn)[13].式中l(wèi)n[ln(1/p)]與lnN為線性相關(guān)，可令y=ln[ln(1/p)]，x=lnN，c=-blnNa，則式(1)可寫成：

y=bx+c

(2)

將平均秩作為母體破壞率的估計量，則母體存活率的估計量p為:

(3)

式中：i為破壞試件在該組試件中的序號，i=1，2，…，m，m為該碳納米管摻量下疲勞試件母體數(shù)量.

以ln[ln(1/p)]為縱坐標(biāo)，lnN為橫坐標(biāo)，得到ln[ln(1/p)]-lnN關(guān)系曲線，如圖3所示.線性擬合后發(fā)現(xiàn)，不同應(yīng)力水平下，ln[ln(1/p)]與lnN的相關(guān)系數(shù)平均值在0.9以上，表明Weibull分布方程可較好地表述碳納米管增強RPC的彎曲疲勞壽命.

圖3 不同碳納米管摻量下各試件的ln[ln(1/p)]-ln N擬合關(guān)系曲線Fig.3 ln[ln(1/p)]-ln N fitting curves of specimens under different MWCNTs contents

根據(jù)Weibull分布方程，擬合得到不同加載應(yīng)力水平下碳納米管增強RPC的彎曲疲勞壽命曲線，即Smax-N曲線；對Smax與疲勞壽命N取對數(shù)，可得到圖4所示的lgSmax-lnN雙對數(shù)曲線.不同碳納米管摻量下的lgSmax-lnN擬合方程見表7.由表7可見，lgSmax與lnN具有良好的線性關(guān)系，可通過這些擬合方程來準(zhǔn)確預(yù)估碳納米管增強RPC在不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命.不同摻量碳納米管增強RPC的疲勞壽命與應(yīng)力水平的對應(yīng)關(guān)系基本一致，即其疲勞壽命均隨著應(yīng)力水平降低而增大；相同條件下試件RPC-M05的疲勞壽命改善最為顯著.

圖4 lg Smax-ln N線性關(guān)系Fig.4 Linear relationship of lg Smax-ln N

表7 不同碳納米管摻量下各組試件的lg Smax-ln N擬合方程

疲勞壽命試驗數(shù)據(jù)表明：相同膠凝材料質(zhì)量下，RPC中摻入一定量的碳納米管可明顯提升其抗疲勞性能，尤其以碳納米管摻量為0.05%時的提升幅度最為顯著，當(dāng)應(yīng)力水平分別為0.85、0.75和0.65時，RPC-M05組試件的平均壽命較基準(zhǔn)組試件分別提升20.84%、102.82%和30.03%.值得注意的是，碳納米管增強RPC的疲勞壽命隨碳納米管摻量變化的規(guī)律與彎曲強度改善規(guī)律一致.當(dāng)加載應(yīng)力水平減小至0.65時，RPC-M05與RPC-M10組試件的疲勞壽命趨于接近，且RPC-M10組試件的疲勞預(yù)估壽命大于RPC-M05組試件.這是由于在一定摻量范圍內(nèi)，試件依靠內(nèi)部更多的碳納米管消耗開裂能量，同時依靠其附著、包裹作用來增大膠凝材料與骨料、鋼纖維之間的黏結(jié)，抑制裂縫擴展，從而改善了低應(yīng)力水平下的RPC疲勞性能.

3 結(jié)論

(1)碳納米管可使RPC的微觀結(jié)構(gòu)和整體性有較好提升，顯著改善骨料與膠凝材料銜接界面；對RPC彎曲強度和疲勞性能均有增強作用且規(guī)律相同，在0.05%摻量時達(dá)到增幅峰值.

(2)碳納米管增強RPC的立方體抗壓強度與彎曲強度隨著碳納米管摻量的增加呈先增后降趨勢.與基準(zhǔn)組試件RPC-M0相比，碳納米管摻量為0.05%、0.10%的RPC-M05、RPC-M10組試件抗壓強度分別提升10.95%、16.25%，而碳納米管摻量為0.15%的RPC-M15組試件降低14.19%；RPC-M05、RPC-M10組試件的彎曲強度分別提升12.46%與6.38%，而RPC-M15組試件降低3.93%.

(3)碳納米管增強RPC的彎曲疲勞壽命符合Weibull分布模型，其疲勞曲線呈現(xiàn)良好的規(guī)律性.根據(jù)Smax-N曲線擬合的Weibull分布方程，可有效預(yù)測不同應(yīng)力水平下碳納米管增強RPC材料的疲勞壽命.