納米碳纖維混凝土力學(xué)性能的試驗研究*

高 迪，彭立敏，Y.L.Mo

(1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075;2.CEE Dept，University of Houston，Houston，Texas 77004 USA)

傳統(tǒng)的混凝土增強(qiáng)方法是使用宏觀尺寸纖維(鋼筋，鋼纖維等)，微觀尺寸纖維(碳纖維等)通過控制裂縫和橋接、傳遞裂縫、空洞間的荷載來分別改善混凝土的宏觀及微觀結(jié)構(gòu)。

近年來，混凝土的納米科學(xué)和納米工程得到了廣泛的發(fā)展。由于納米材料的特異效應(yīng)，摻加納米材料的混凝土復(fù)合物性能明顯優(yōu)于普通混凝土［1－4］。其中納米碳纖維(CNF)在混凝土材料中的應(yīng)用日益受到重視。納米碳纖維是直徑50～200 nm，長徑比100～1000的新型碳材料，除了具有普通碳纖維低密度、高比模量、高比強(qiáng)度、高導(dǎo)電、熱穩(wěn)定性等特性外，還具有缺陷數(shù)量非常少、長徑比大、比表面積大、結(jié)構(gòu)致密等優(yōu)點［5］。

理論研究［6］認(rèn)為，CNF的加入使裂縫的初生需要更大的外力，所以可以延緩其形成，由此增強(qiáng)水泥基材料的抗拉性能。適當(dāng)?shù)腃NF配合硅灰可以橋接水泥基內(nèi)部的納米級裂縫并填補(bǔ)空洞而使水泥水化產(chǎn)物間獲得更好的聯(lián)結(jié)，由此顯著提高水泥基材料的彎曲強(qiáng)度［4］。分散良好的CNF可以加速水泥的水化過程，提高水泥3～7 d齡期的抗壓及彎曲強(qiáng)度，提高28 d齡期的彎曲強(qiáng)度25%以上［7］。Hughes［8］指出，將 CNF混入低碳火山灰中作為無宏觀缺陷(MDF)水泥的添加材料，可使其抗壓強(qiáng)度提高334%。研究表明［9］，羧酸基高效減水劑可以促進(jìn)CNF在溶液中的分解并使其得到很好的分散，當(dāng)加入占水泥質(zhì)量0.2%的CNF時，水泥的劈裂強(qiáng)度可以提高22%，再配合硅灰則可達(dá)到26%。也有研究顯示，經(jīng)過硝酸表面處理的CNF［10］與硅灰［4］在丙酮［11］中預(yù)分散，可改善 CNF 與水泥基材料界面間的相互聯(lián)結(jié)，使復(fù)合物具有一定的殘余承載能力。

本文以美國國家科學(xué)基金項目(NSF項目編號:0634279;0649163)為依托，于2008年在休斯頓大學(xué)Thomas T.C.Hsu結(jié)構(gòu)研究實驗室對納米碳纖維普通混凝土(CNFC)和納米碳纖維自密實混凝土(CNFSCC)的基本力學(xué)性能進(jìn)行了試驗研究。結(jié)果顯示，具有適當(dāng)摻量且分散良好的CNF可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度，表明CNF對于混凝土材料有很好的增強(qiáng)作用。

1 試驗

1.1 試驗材料和配合比

1.1.1 納米碳纖維(CNF)

試驗使用Pyrograf Products公司［12］的3種型號納米碳纖維產(chǎn)品。分別是PR－19－XT－PS，PR－19－XT－PS－OX和PR－19－XT－LHT－OX。產(chǎn)品特性如表1。

表1 納米碳纖維產(chǎn)品特性［12］Table 1 Carbon nanofiber properties［12］

1.1.2 混凝土外加劑

高效減水劑(HRWR)使用BASF Chemical公司的聚羧酸鹽高效早強(qiáng)外加劑Glenium 3200 HES，可降低混凝土的粘稠度并有助于納米碳纖維的分散。

FLUKA出品的十二烷基硫酸鈉(SDS，兩性分子洗滌劑)被用作為幫助納米碳纖維分散的表面活性劑，可削弱納米碳纖維表面的憎水性，有利于其在水中的分散。

消泡劑采用Dow Corning公司的Antifoam 2210(AF，硅酮乙二醇乳液)，以減少表面活性劑與水?dāng)嚢钑r產(chǎn)生的氣泡。

1.1.3 混凝土材料

實驗采用TXI公司的低堿波特蘭水泥Type I/II。粗骨料使用輝綠巖碎石，其粒徑在5～20 mm之間。細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)2.71的普通河砂。水使用普通自來水。

1.1.4 配合比

試驗測試了19種不同配方的混凝土，配合比如表2所示。其中，C代表不含CNF的素混凝土;CNFC016、CNFC031、CNFC078 和 CNFC155 表示摻加PR－19－XT－PS型CNF的普通混凝土，且CNF對應(yīng)水泥的體積摻量分別為 0.16%，0.31%，0.78%和1.55%;SCC代表不含CNF的自密實素混凝土;CNFSCC025－S、CNFSCC05－S、CNFSCC10－S和CNFSCC15－S代表摻加PR－19－XT－PS型CNF，并在制備過程中使用了表面活性劑SDS幫助纖維分散的自密實混凝土，且CNF對應(yīng)水泥的體積摻量分別為 0.25%，0.5%，1.0% 和 1.5%;CNFSCC10－PO、CNFSCC15－PO、CNFSCC20－PO 和CNFSCC25－PO代表摻加PR－19－XT－PS－OX型CNF的自密實混凝土，CNF對應(yīng)水泥的體積摻量分別為 1.0%，1.5%，2.0% 和 2.5%;CNFSCC07－LO，CNFSCC10－LO，CNFSCC15－LO，CNFSCC20－LO和CNFSCC25－LO代表摻加PR－19－XTLHT－OX型CNF的自密實混凝土，CNF對應(yīng)水泥的體積摻量分別為 0.7%，1.0%，1.5%，2.0% 和2.5%。

1.2 試件的制備

制備試件時，在CNFC配方中，先將水、高效減水劑與CNF置于最大速度為24000 rpm的攪拌器中，高速攪拌3 min得到水/HRWR/CNF懸濁液;在自密實混凝土CNFSCC－PO和CNFSCC－LO配方中，同時加入高效減水劑和適量消泡劑，得到水/HRWR/AF/CNF懸濁液;在自密實混凝土CNFSCC－S配方中，同時加入表面活性劑、高效減水劑和適量消泡劑，得到水/HRWR/SDS/AF/CNF懸濁液。把粗、細(xì)骨料和水泥混入離心攪拌機(jī)中攪拌3 min拌和均勻后，緩緩倒入配制好的水/HRWR/CNF或水/HRWR/AF/CNF或水/HRWR/SDS/AF/CNF懸濁液，再攪拌5 min直至獲得良好的和易性。在對C和CNFC進(jìn)行塌落度、CNFSCC進(jìn)行塌落擴(kuò)展度(SF)和表觀穩(wěn)定指標(biāo)(VSI)測試合格后［13］，將混凝土灌注到模具中，并對C和CNFC試件進(jìn)行振搗，然后放進(jìn)養(yǎng)護(hù)室中。24 h后拆模并將試件放入水中養(yǎng)護(hù)以備試驗。

表2 混凝土試件配合比Table 2 Mix proportions

試驗使用2種不同尺寸的圓柱形試件。直徑10 cm，高20 cm的試件用于劈裂試驗，直徑15 cm，高30 cm的試件用于單軸抗壓試驗。

1.3 試驗方法

單軸抗壓試驗依據(jù)美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)標(biāo)準(zhǔn) C39M－05，使用最大加載能力為2000 kN的Tinius Olsen萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行，測試了表2中所有混凝土試件。加載初期采用荷載控制，加載速率為1500 N/s，當(dāng)加載至試件極限承載能力的大約60% ～70%時切換為位移控制，加載速率為0.08 mm/min，直至破壞。在試件上裝有帶數(shù)字式應(yīng)變計的壓縮計以讀取試驗過程中的應(yīng)變值。試驗裝置如圖1所示。

劈裂試驗依據(jù)美國材料與試驗協(xié)會(ASTM)標(biāo)準(zhǔn)C496/C496M－04，使用最大加載能力為2000 kN的Tinius Olsen萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行，測試了C，CNFC016，CNFC031，CNFC078，CNFC155，SCC，CNFSCC07－LO，CNFSCC10－LO，CNFSCC15－LO，CNFSCC20－LO和CNFSCC25－LO共11組試件。加載采用荷載控制，加載速率為250 N/s，直至破壞。試驗裝置如圖2所示。

圖1 單軸抗壓試驗裝置圖Fig.1 Set－up of uniaxial compression test

圖2 劈裂試驗裝置圖Fig.2 Set－up of split tensile test

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 單軸抗壓試驗

2.1.1 試驗結(jié)果

圖3為不同摻量的普通納米碳纖維混凝土CNFC和納米碳纖維自密實混凝土CNFSCC試件的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系。

各種納米碳纖維混凝土試件的抗壓極限強(qiáng)度和峰值應(yīng)變?nèi)绫?～表6所示。

表3 C＆CNFC的抗壓極限強(qiáng)度和峰值應(yīng)變Table 3 Compressive strength and peak strain of C＆CNFC

表5 SCC＆CNFSCC－PO的抗壓極限強(qiáng)度和峰值應(yīng)變Table 5 Compressive strength and peak strain of SCC＆CNFSCC－PO

表6 SCC＆CNFSCC－LO的抗壓極限強(qiáng)度和峰值應(yīng)變Table 6 Compressive strength and peak strain of SCC＆CNFSCC－LO

2.1.2 分析與討論

表3～表6列出了19個不同配方納米碳纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變以及抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)的對比。試驗結(jié)果表明:

(1)對于使用PR－19－XT－PS型纖維的普通納米碳纖維混凝土CNFC，每一組不同摻量的試件的最大平均抗壓強(qiáng)度f'由大到小依次為f'CNFC016＞f'CNFC031＞f'C＞f'CNFC078＞f'CNFC155。當(dāng)納米碳纖維的體積摻量為0.16%時，最大抗壓強(qiáng)度相比普通混凝土提高了16.2%。隨著納米碳纖維摻量的增加，混凝土的強(qiáng)度隨之降低，當(dāng)過多的纖維加入后，由于不能良好地分散，大團(tuán)纖維在混凝土內(nèi)部形成薄弱區(qū)，造成混凝土強(qiáng)度下降，甚至弱于沒有摻加納米碳纖維的素混凝土。

(2)對于使用PR－19－XT－PS型纖維并采用表面活性劑SDS進(jìn)行分散的納米碳纖維自密實混凝土CNFSCC－S，每組不同摻量的試件的最大抗壓強(qiáng)度由大到小依次為 f'CNFSCC05－S＞ f'SCC＞f'CNFSCC025－S＞ f'CNFSCC10－S＞ f'CNFSCC15－S。說明在這種情況下，其體積摻量的閥值在0.5%左右。然而，由于SDS的加入而在分散和攪拌過程中產(chǎn)生的大量氣泡嚴(yán)重影響混凝土的強(qiáng)度。混凝土的強(qiáng)度并沒有隨納米碳纖維的摻量提高而遞減，說明分散較好的纖維增強(qiáng)效果與SDS的削弱作用存在著一個動態(tài)平衡，當(dāng)前者大于后者時，混凝土的抗壓強(qiáng)度仍然會有所提高。

(3)對于使用PR－19－XT－PS－OX型纖維并采用高效減水劑進(jìn)行分散的納米碳纖維自密實混凝土CNFSCC－PO，每組不同摻量的試件的最大抗壓強(qiáng)度由大到小依次為f'CNFSCC20－PO＞f'CNFSCC15－PO＞ f'CNFSCC25－PO＞ f'CNFSCC10－PO＞ f'SCC。當(dāng)納米碳纖維的體積摻量為2.0%時，其最大抗壓強(qiáng)度相比普通自密實混凝土提高了24.4%，體積摻量小于2.0%時，抗壓強(qiáng)度隨摻量增加而增加;大于2.0%時，強(qiáng)度下降。表示在這種情況下，其體積摻量的閥值應(yīng)該在2.0%左右。

(4)對于使用PR－19－XT－LHT－OX型纖維并采用高效減水劑進(jìn)行分散的納米碳纖維自密實混凝土CNFSCC－LO，每組不同摻量的試件的最大抗壓強(qiáng)度 f'由大到小依次為 f'CNFSCC10－LO＞f'CNFSCC15－LO＞ f'SCC＞ f'CNFSCC07－LO＞ f'CNFSCC25－LO＞f'CNFSCC20－LO。當(dāng)納米碳纖維的體積摻量為1.0%時，最大抗壓強(qiáng)度相比普通自密實混凝土提高了21.4%。表示在這種情況下，其體積摻量的閥值應(yīng)該在1.0%左右。圖3(c)和圖3(d)也顯示摻加PR－19－XT－PS－OX型和PR－19－XT－LHTOX型納米碳纖維的自密實混凝土試件的延性高于普通自密實混凝土和摻加PR－19－XT－PS型納米碳纖維的自密實混凝土。

圖4為CNFC和CNFSCC所有試件抗壓強(qiáng)度與纖維體積摻量關(guān)系示意。圖中擬合曲線表達(dá)式為:

式中:f'c為試件28 d抗壓強(qiáng)度;V為納米碳纖維體積摻量;A，B，C，D為常數(shù)，可由試驗確定。

可見納米碳纖維體積摻量的三次多項式能較好描述其與混凝土抗壓強(qiáng)度之間的關(guān)系。

圖4 CNFC和CNFSCC試件納米碳纖維體積摻量與抗壓強(qiáng)度關(guān)系Fig.4 Volume fraction of CNF versus compressive strength in CNFC＆CNFSCC specimens

以上分析表明，納米碳纖維在混凝土中良好的分散可以提高混凝土的強(qiáng)度和剛度。摻量太少起不到增強(qiáng)效果，但過多的纖維會導(dǎo)致分散不良并在混凝土內(nèi)部糾結(jié)成團(tuán)而削弱強(qiáng)度。不同型號和特性的納米碳纖維在混凝土中的最優(yōu)摻量不盡相同。對于抗壓強(qiáng)度來說，PR－19－XT－PS型纖維在普通混凝土中的體積摻量閥值小于0.16%，在自密實混凝土中大約為0.5%左右。PR－19－XT－PS－OX型和PR－19－XT－LHT－OX纖維在自密實混凝土中的體積摻量閥值大約分別為2.0%和1.0%左右。

2.2 劈裂試驗

2.2.1 試驗結(jié)果

11組試件的平均劈裂強(qiáng)度，如表7和表8所示。

表7 C＆CNFC平均劈裂強(qiáng)度Table 7 Average split tensile strength of C＆CNFC

表8 SCC＆CNFSCC平均劈裂強(qiáng)度Table 8 Average split tensile strength of SCC＆CNFSCC

2.2.2 分析與討論

由表7與表8可以看出，對于摻加了PR－19－XT－PS型纖維的普通納米碳纖維混凝土，其劈裂強(qiáng)度較沒有摻加纖維的混凝土有所提高，CNFC078試件即纖維體積摻量為0.78%時的平均劈裂強(qiáng)度提高最大，達(dá)到5.83%，此后隨著摻量的增加，強(qiáng)度降低。這主要是由于過量的納米碳纖維在混凝土中難以均勻分散造成的。對于摻加了PR－19－XT－LHT－OX型纖維的納米碳纖維自密實混凝土，總的來說其劈裂強(qiáng)度較沒有摻加纖維的自密實混凝土有一定的提高，但結(jié)果也顯示纖維摻量太小時對混凝土起不到增強(qiáng)作用，反而會產(chǎn)生不良影響。CNFSCC15－LO試件即纖維體積摻量為1.5%時的平均劈裂強(qiáng)度提高最大，達(dá)到7.03%，此后隨著摻量的增加，強(qiáng)度逐漸降低。圖5所示為2種類型納米碳纖維混凝土劈裂強(qiáng)度與纖維體積摻量的關(guān)系。納米碳纖維體積摻量的三次多項式也能較好地描述其與混凝土劈裂強(qiáng)度之間的關(guān)系。

以上分析表明，適當(dāng)摻量分散良好的納米碳纖維在混凝土中可以提高其劈裂強(qiáng)度。在普通混凝土中，PR－19－XT－PS型纖維的體積摻量閥值大約在0.78%左右。對于自密實混凝土的劈裂強(qiáng)度，PR－19－XT－LHT－OX型纖維的體積摻量閥值大約在1.5%左右。但是在拉壓綜合作用下，納米碳纖維對混凝土的增強(qiáng)效果有限。

圖5 CNFC＆CNFSCC－LO試件納米碳纖維體積摻量與劈裂強(qiáng)度關(guān)系Fig.5 Volume fraction of CNF versus split tensile strength in CNFC＆CNFSCC－LO specimens

3 結(jié)論

(1)對于普通混凝土，納米碳纖維在其中的分散比較困難，過大的摻量會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部缺陷增多，強(qiáng)度下降。使用PR－19－XT－PS型納米碳纖維在一個小體積摻量，大約為0.16%時，可以增強(qiáng)混凝土抗壓強(qiáng)度40%以上。體積摻量為0.78%左右時，劈裂強(qiáng)度提高5.83%;

(2)對于自密實混凝土，納米碳纖維在其中的分散相對容易，其增強(qiáng)效果的體積摻量閥值也更高;

(3)對于摻加PR－19－XT－PS型納米碳纖維并配合表面活性劑SDS分散的自密實混凝土，其抗壓強(qiáng)度和延性增強(qiáng)的體積摻量閥值大約為0.5%，平均最大抗壓強(qiáng)度提高13.5%;

(4)對于使用PR－19－XT－PS－OX型納米碳纖維并配合高效減水劑分散的自密實混凝土，其抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)的體積摻量閥值大約為2.0%，平均最大抗壓強(qiáng)度提高24.4%，延性也有所提高;

(5)對于使用PR－19－XT－LHT－OX型納米碳纖維并配合高效減水劑分散的自密實混凝土，其抗壓強(qiáng)度和延性增強(qiáng)的體積摻量閥值大約為1.0%，這時平均最大抗壓強(qiáng)度可提高21.4%，當(dāng)纖維體積摻量為1.5%時，混凝土的平均劈裂強(qiáng)度可以提高7.03%。

綜上所述，具有適當(dāng)摻量且分散良好的CNF可以提高混凝土的抗壓性能和劈裂性能，對于混凝土材料有很好的增強(qiáng)作用。

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