多壁碳纳米管与钢纤维对混泥土抗压强度与抗冲击性能的影响

谌德洋,林泽桦

(江西理工大学 土木与测绘工程学院,江西 赣州 341000)

0 引言

路面及桥梁在其服役期间往往会遇到如车辆冲击荷载、水流船体撞击荷载等动力荷载作用,当冲击荷载作用于结构上时往往会产生较大的瞬时压力。混凝土在这种荷载作用下容易产生裂纹和损伤,这给混凝土的使用寿命带来了严峻的考验,同时混凝土内部或表面裂纹和损伤的存在将给结构留下一定的安全隐患,因为当混凝土内部有缺陷时,裂缝尖端会产生应力集中,使微裂纹快速发展,从而混凝土迅速破坏。

为提高混凝土的力学性能,学者们尝试在混凝土中加入不同的材料,如钢纤维、碳纳米管、竹纤维等。蔡鹏菲[1]研究单掺PVA纤维与钢纤维和将两种纤维混掺后对混凝土力学性能的影响,试验结论表明,将纤维混掺时,对混凝土的立方体抗压性能较好,且抗裂性能也有一定的改善。李青[2]深入研究钢纤维对早期混凝土力学性能的影响,结果发现,钢纤维可以改变混凝土结构的破坏程度,但对于混凝土结构的破坏影响并不大,钢纤维能够约束混凝土的破坏。孟龙[3]深入研究了钢纤维的掺入对混凝土结构的各种力学特性的影响,结果发现,钢纤维能够改善混凝土结构的抗弯强度及挠度,但对于立方体抗压强度则改善不大。李英娜[4]、路鹏飞[5]对不同掺量的钢纤维对混凝土破坏形态和荷载挠度展开深入研究,结果发现钢纤维混凝土结构有优异的弹性。高丹盈[6-7]、张廷毅[8]则利用了大量的钢纤维混凝土试验,试验结果得出了钢纤维混凝土的破坏特性变化规律。Abu Al-Rub等[9]通过电镜扫描观察到碳纳米管能发挥纤维桥接的功能,也能够抑制微裂纹的发展,可以改善力学性能。Xu[10]等制备出不同碳纳米管掺量的水泥净浆试件,并对水泥净浆试块展开抗压和抗折试验,测试结果显示,当碳纳米管掺量为0.1%时,水泥净浆表现出更优的基本力学性能。张迪[11]利用霍普金森压杆装置对碳纳米管水泥浆体的抗冲击性能进行试验研究,结果表明,硬化水泥净浆的增强和增韧效果受碳纳米管的影响比较明显。李亮[12]对不同掺量的钢纤维砼配筋梁进行落锤冲击试验,结果表明,钢纤维的体积率对混凝土梁在冲击破坏过程中的裂纹发生和断裂开展区域有影响,而且在冲击荷载作用下,砼梁的跨中位移幅值随着纤维体积率的增加而减小,且钢纤维混凝土梁的韧性也比不加钢纤维混凝土梁的韧性有很大的提高。尹鹏[13]对碳纳米管混凝土的抗冲击性能展开了研究,试验结果表明,钢纤维与碳纳米管混掺能够显著提高混凝土的力学性能,混掺时对混凝土初裂冲击次数影响不大,但破坏冲击次数增幅相对较大。任大鹏[14]进行了在高轻度骨料混凝土中掺入钢纤维后混凝土的改性研究,结果表明,掺入钢纤维后高强混凝土的流动性降低,抗压强度与抗折强度升高,抗冲击性能有明显的改善。刘喜[15]等采用碎石型高强页岩陶粒制备了不同纤维类型和体积分数的LC60级纤维增韧高强轻骨料混凝土,研究了其力学性能,结果表明,纤维可适当提高混凝土抗压强度,可有效阻止混凝土裂纹的发展,并能够明显提高其抗折强度和劈裂抗拉强度。

碳纳米管作为新型的材料,自发现以来一直备受关注,因其稳定性好、耐腐蚀、导电性好、且力学性能较好,同时碳纳米管作为纳米级材料能够抑制微裂缝的扩展,因此成为国际研究的热点话题,具有较高的科学研究价值;钢纤维的粘结性能较好,可以荷载间的传递方式,与碳纳米管具有较好的协调效应[16-17]。张雪梅[18]研究了单掺钢纤维、碳纤维与两者混掺后对高性能混凝土力学性能的影响,试验结果表明,加入纤维后可提高混凝土的劈裂抗拉强度和抗冲击性能,且两者混掺时表现为正混合效应。陈高[19]研究了钢纤维与微纤维混合对混凝土材料抗压、单轴抗拉性能、密度的影响,结果表明,不同类的微纤维不会影响混凝土的硬化密度,微纤维长度可提高混凝土抗压强度。乔宏霞[20]研究了冻融循环条件下纤维混凝土抗冻性能,试验结果表明,混杂纤维混凝土性能比单一纤维混凝土好,层布式纤维混凝土性能比整体式纤维混凝土好。因此,本文采用碳纳米管和钢纤维作为增强材料,研究碳纳米管和钢纤维的掺量及掺入方式对混凝土抗压强度和抗冲击性能的影响。

1 试验概况

1.1 试验原材料

水泥:P·O52.5级水泥;粗骨料:5～20 mm连续级配的碎石;砂:细度模数3.0,满足建筑II类砂标准;矿粉:S95粒化高炉矿渣粉;减水剂:“968LEX”高效减水剂,其主要参数指标见表1;钢纤维:衡水筑基工程橡胶有限公司生产的铣削型钢纤维,长度38 mm,宽度2 mm,厚度0.5 mm,抗拉强度660 MPa;碳纳米管:已分散好的水溶性的多壁碳纳米管,主要性能参数见表2。

表1 减水剂主要性能参数

表2 碳纳米管主要性能参数

1.2 试验配比及试件制备

根据 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》配置C50混凝土。为研究单掺钢纤维及单掺碳纳米管对混凝土力学性能的影响及两者混掺后是否会产生不利影响,共制作11组配合比试件。试验具体配合比见表3,各组试件搅拌工艺见表4。

表3 试验配合比

表4 混凝土搅拌工艺

2 塌落度试验

2.1 试验方法

参照GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》和JTGE30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》进行塌落度试验。

2.2 试验结果

各组试验混凝土塌落度实测值见表5和图1。由表5和图1可知,无论是单掺钢纤维或碳纳米管,随着其掺量的增加塌落度逐渐降低。B组与A组对比可知,随着钢纤维掺量的增加,混凝土塌落度分别降低了8.7%、19.6%、39.1%、56.5%、73.9%;C组与A组对比可知,随着碳纳米管掺量的增加,混凝土塌落度分别降低了8.7%、13.0%、19.6%、23.9%,D组与A组对比塌落度降低了30.4%、与B3组对比塌落度了增加14.29%、与C2组对比塌落度降低了20.0%。

表5 混凝土塌落度实测值

3 抗压试验

3.1 试验方法

试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm,试件在养护室养护28 d后,将其取出,利用电子万能试验机DIG2000中的D4000进行混凝土立方体轴向抗压试验,采用速度加载控制,加载速率为0.5～0.8 MPa/s。试验过程中试验机器会对数据进行自动采集,直至试件破坏。

3.2 试验结果与分析

各组试件的最终破坏形态如图2-图5所示,抗压强度试验结果见图6。由图6可知,混凝土抗压强度随着钢纤维掺量的提高呈现先上升后降低的趋势,B1、B2、B3、B4、B5组与A组相比抗压强度分别增加了7.45%、16.86%、25.29%、17.65%、8.04%,当钢纤维掺量为2%时抗压强度达到最大。原因在于混凝土中掺入适量钢纤维后,钢纤维杂乱无章的分布形成了骨架作用,在混凝土破坏的过程中可以抑制混凝土内部原生裂纹的扩展和裂纹的产生,在一定程度上提高了抗压强度,当钢纤维掺入过多时将导致钢纤维团聚,从而不能将钢纤维的性能发挥到最大化,最终表现的结果就是随着钢纤维掺量的增加而降低。

图2 A组破坏形态

图4 C组破坏形态

图6 混凝土抗压强度结果

C组与A组相比可知,当碳纳米管掺量在0.05%～0.1%时,抗压强度随着掺量的增加而升高;当碳纳米管掺量为0.1%～0.3%时,抗压强度随着碳纳米管掺量的增多反而降低。C1、C2组与A组相比抗压强度分别增加了4.31%、9.10%;C3、C4组与A组相比抗压强度分别降低了0.78%、15.29%,与普通混凝土相比,抗压强度提高并不明显,但是下降却较为明显。原因在于当掺入适量的碳纳米管可以改善混凝土的孔隙等微观结构,但是当掺量过多时由于碳纳米管在混凝土中团聚的问题无法解决,最终表现出来的结果就是混凝土的力学性能下降。

D组与A组相比强度提升了26.86%,与B3组相比强度提升了1.25%,与C2组相比强度提升了16.37%,由此可以看出,将两种纤维混掺后,抗压强度得到了更进一步的提升,钢纤维和碳纳米管混掺后表现出正混杂效应。

4 抗冲击试验

4.1 试件制备

试件采用的基础配合比:水泥494 kg/m3、矿粉90 kg/m3、砂685 kg/m3、石908 kg/m3、水187 kg/m3、减水剂8.4 kg/m3,钢筋采用HPB300,直径10 mm。钢筋布置情况如图7所示。由抗压试验结果可知,对于单掺一种材料时B3(钢纤维体积分数为2%)组与C2(碳纳米管质量分数为0.1%)组时抗压强度增加最大,故本试验针对这两种掺量情况下制作了8种类型试件,每种制作5个试件,试件尺寸为0.2 m×0.2 m×0.1 m,试件具体情况见表6(PC表示素混凝土试件,PC+S表示加入体积分数为2%的钢纤维混凝土试件,PC+C表示加入质量分数为0.1%的碳纳米管的混凝土试件,PC+S+C表示体积分数为2%的钢纤维和质量分数为0.1%的碳纳米管混掺纤维混凝土试件)。

图7 试件配筋示意图

表6 试件不同种类纤维掺量与配筋情况

4.2 试验方法

本文采用的冲击试验方法为落锤冲击试验方法,由于操作简单,容易实施,因此被广泛应用。落锤重量4.5 kg、落锤高度450 mm,冲击频率为1 Hz。试验过程中,每次冲击后,观察试件表面,试件表面产生第一条裂纹时视为初裂冲击次数,记为N1,然后继续循环落锤试验,直至试件破坏,记为N2。

4.3 实验结果与分析

图8为各组试件的破坏形态,然后分别根据下式计算试件的韧性系数C、延性比β,结果列于表7。

(1)

图8 各种类型试件破坏形态

表7 试件延性和韧性系数计算结果

(2)

式中:N2,纤、N2,素分别为纤维混凝土、素混凝土破坏时对应的冲击次数。

由图8可知,PC试件在冲击荷载作用下出现裂纹,且一裂即坏,试件分成两部分,表现为明显的脆性破坏,如图8(a)所示;掺入钢纤维后,试件在冲击荷载作用下出现微裂纹,并且当裂纹出现后,可以继续承受冲击荷载作用,吸收冲击能,随着冲击次数的增多,新的裂纹出现,原有的主裂纹逐渐扩大,试件破坏时一般会出现4～5条裂纹,如图8(b)所示,钢纤维的加入使得试件破坏表现为塑性破坏;试件掺入碳纳米管后,在冲击荷载作用下出现裂纹,且一裂即坏,一般只有一条裂纹,试件一般分成两部分,表现为脆性破坏,但是和PC试件相比,冲击次数增多,且断面更为均匀致密,如图8(c)所示;试件加入钢纤维和碳纳米管后在冲击荷载作用下会出现裂纹,随着冲击次数的增加,新的裂纹出现,主裂纹不断扩展,破坏时试件一般会出现5～6条裂纹,如图8(d)所示;同时RC、RC+S、RC+C和RC+S+C与钢纤维混凝土试件在冲击破坏时的破坏形态大致相似,但是破坏时裂纹条数要多于钢纤维混凝土试件。

由表7可知,对于混凝土试件无论是单掺一种纤维或两种纤维混掺对混凝土的延性提高较小,韧性与之相比增加较多;对于钢筋混凝土试件无论是单掺一种纤维或两种纤维混掺试件的延性和韧性均有显著提高,VIII组的延性为V组的1.35倍、VI组的1.06倍、VII组的1.30倍,其韧性系数为V组的4.38倍、VI组的1.30倍、VII组的3.44倍,由此可知,单掺钢纤维比单掺碳纳米管能够更有效的提高混凝土的延性及韧性,同时两者混掺时比单掺提高效果更加明显,即钢纤维与钢筋混杂后对混凝土试件的抗冲击性能表现为正混杂效应。钢纤维与碳纳米管提高混泥土冲击性能的原因在于钢纤维在混凝土中有很好的阻裂作用,可以抑制早期塑性收缩裂纹的产生,同时钢纤维在被拔出的过程中界面摩擦消耗大量的冲击能。碳纳米管能够促进水泥水化作用,降低混凝土孔隙率,优化混凝土的微观结构,在裂纹扩展过程中,碳纳米管可以传递应力,在一定程度上减少了微裂纹的尖端应力集中,延缓裂纹的发展。

5 结论

(1)单掺碳纳米管和钢纤维均能提高混凝土的抗压强度,单掺碳纳米管的最优质量分数为0.1%,单掺钢纤维的最优体积分数为2%,且两者混掺变现为正混杂效应。

(2)单掺或混掺对于素混凝土与钢筋混凝土的冲击性能均有所增强,但对钢筋混凝土的增强效果更加明显。此外,同样当两者混掺时对试件抗冲击性能表现为正混杂效应。