多壁碳納米管與鋼纖維對(duì)混泥土抗壓強(qiáng)度與抗沖擊性能的影響

諶德洋,林澤樺

(江西理工大學(xué) 土木與測(cè)繪工程學(xué)院,江西 贛州 341000)

0 引言

路面及橋梁在其服役期間往往會(huì)遇到如車輛沖擊荷載、水流船體撞擊荷載等動(dòng)力荷載作用,當(dāng)沖擊荷載作用于結(jié)構(gòu)上時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生較大的瞬時(shí)壓力?；炷猎谶@種荷載作用下容易產(chǎn)生裂紋和損傷,這給混凝土的使用壽命帶來(lái)了嚴(yán)峻的考驗(yàn),同時(shí)混凝土內(nèi)部或表面裂紋和損傷的存在將給結(jié)構(gòu)留下一定的安全隱患,因?yàn)楫?dāng)混凝土內(nèi)部有缺陷時(shí),裂縫尖端會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,使微裂紋快速發(fā)展,從而混凝土迅速破壞。

為提高混凝土的力學(xué)性能,學(xué)者們嘗試在混凝土中加入不同的材料,如鋼纖維、碳納米管、竹纖維等。蔡鵬菲[1]研究單摻PVA纖維與鋼纖維和將兩種纖維混摻后對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響,試驗(yàn)結(jié)論表明,將纖維混摻時(shí),對(duì)混凝土的立方體抗壓性能較好,且抗裂性能也有一定的改善。李青[2]深入研究鋼纖維對(duì)早期混凝土力學(xué)性能的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),鋼纖維可以改變混凝土結(jié)構(gòu)的破壞程度,但對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的破壞影響并不大,鋼纖維能夠約束混凝土的破壞。孟龍[3]深入研究了鋼纖維的摻入對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的各種力學(xué)特性的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),鋼纖維能夠改善混凝土結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度及撓度,但對(duì)于立方體抗壓強(qiáng)度則改善不大。李英娜[4]、路鵬飛[5]對(duì)不同摻量的鋼纖維對(duì)混凝土破壞形態(tài)和荷載撓度展開(kāi)深入研究,結(jié)果發(fā)現(xiàn)鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)有優(yōu)異的彈性。高丹盈[6-7]、張廷毅[8]則利用了大量的鋼纖維混凝土試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果得出了鋼纖維混凝土的破壞特性變化規(guī)律。Abu Al-Rub等[9]通過(guò)電鏡掃描觀察到碳納米管能發(fā)揮纖維橋接的功能,也能夠抑制微裂紋的發(fā)展,可以改善力學(xué)性能。Xu[10]等制備出不同碳納米管摻量的水泥凈漿試件,并對(duì)水泥凈漿試塊展開(kāi)抗壓和抗折試驗(yàn),測(cè)試結(jié)果顯示,當(dāng)碳納米管摻量為0.1%時(shí),水泥凈漿表現(xiàn)出更優(yōu)的基本力學(xué)性能。張迪[11]利用霍普金森壓桿裝置對(duì)碳納米管水泥漿體的抗沖擊性能進(jìn)行試驗(yàn)研究,結(jié)果表明,硬化水泥凈漿的增強(qiáng)和增韌效果受碳納米管的影響比較明顯。李亮[12]對(duì)不同摻量的鋼纖維砼配筋梁進(jìn)行落錘沖擊試驗(yàn),結(jié)果表明,鋼纖維的體積率對(duì)混凝土梁在沖擊破壞過(guò)程中的裂紋發(fā)生和斷裂開(kāi)展區(qū)域有影響,而且在沖擊荷載作用下,砼梁的跨中位移幅值隨著纖維體積率的增加而減小,且鋼纖維混凝土梁的韌性也比不加鋼纖維混凝土梁的韌性有很大的提高。尹鵬[13]對(duì)碳納米管混凝土的抗沖擊性能展開(kāi)了研究,試驗(yàn)結(jié)果表明,鋼纖維與碳納米管混摻能夠顯著提高混凝土的力學(xué)性能,混摻時(shí)對(duì)混凝土初裂沖擊次數(shù)影響不大,但破壞沖擊次數(shù)增幅相對(duì)較大。任大鵬[14]進(jìn)行了在高輕度骨料混凝土中摻入鋼纖維后混凝土的改性研究,結(jié)果表明,摻入鋼纖維后高強(qiáng)混凝土的流動(dòng)性降低,抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度升高,抗沖擊性能有明顯的改善。劉喜[15]等采用碎石型高強(qiáng)頁(yè)巖陶粒制備了不同纖維類型和體積分?jǐn)?shù)的LC60級(jí)纖維增韌高強(qiáng)輕骨料混凝土,研究了其力學(xué)性能,結(jié)果表明,纖維可適當(dāng)提高混凝土抗壓強(qiáng)度,可有效阻止混凝土裂紋的發(fā)展,并能夠明顯提高其抗折強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度。

碳納米管作為新型的材料,自發(fā)現(xiàn)以來(lái)一直備受關(guān)注,因其穩(wěn)定性好、耐腐蝕、導(dǎo)電性好、且力學(xué)性能較好,同時(shí)碳納米管作為納米級(jí)材料能夠抑制微裂縫的擴(kuò)展,因此成為國(guó)際研究的熱點(diǎn)話題,具有較高的科學(xué)研究?jī)r(jià)值;鋼纖維的粘結(jié)性能較好,可以荷載間的傳遞方式,與碳納米管具有較好的協(xié)調(diào)效應(yīng)[16-17]。張雪梅[18]研究了單摻鋼纖維、碳纖維與兩者混摻后對(duì)高性能混凝土力學(xué)性能的影響,試驗(yàn)結(jié)果表明,加入纖維后可提高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗沖擊性能,且兩者混摻時(shí)表現(xiàn)為正混合效應(yīng)。陳高[19]研究了鋼纖維與微纖維混合對(duì)混凝土材料抗壓、單軸抗拉性能、密度的影響,結(jié)果表明,不同類的微纖維不會(huì)影響混凝土的硬化密度,微纖維長(zhǎng)度可提高混凝土抗壓強(qiáng)度。喬宏霞[20]研究了凍融循環(huán)條件下纖維混凝土抗凍性能,試驗(yàn)結(jié)果表明,混雜纖維混凝土性能比單一纖維混凝土好,層布式纖維混凝土性能比整體式纖維混凝土好。因此,本文采用碳納米管和鋼纖維作為增強(qiáng)材料,研究碳納米管和鋼纖維的摻量及摻入方式對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度和抗沖擊性能的影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥:P·O52.5級(jí)水泥;粗骨料:5～20 mm連續(xù)級(jí)配的碎石;砂:細(xì)度模數(shù)3.0,滿足建筑II類砂標(biāo)準(zhǔn);礦粉:S95粒化高爐礦渣粉;減水劑:“968LEX”高效減水劑,其主要參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1;鋼纖維:衡水筑基工程橡膠有限公司生產(chǎn)的銑削型鋼纖維,長(zhǎng)度38 mm,寬度2 mm,厚度0.5 mm,抗拉強(qiáng)度660 MPa;碳納米管:已分散好的水溶性的多壁碳納米管,主要性能參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 減水劑主要性能參數(shù)

表2 碳納米管主要性能參數(shù)

1.2 試驗(yàn)配比及試件制備

根據(jù) JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》配置C50混凝土。為研究單摻鋼纖維及單摻碳納米管對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響及兩者混摻后是否會(huì)產(chǎn)生不利影響,共制作11組配合比試件。試驗(yàn)具體配合比見(jiàn)表3,各組試件攪拌工藝見(jiàn)表4。

表3 試驗(yàn)配合比

表4 混凝土攪拌工藝

2 塌落度試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

參照GB/T50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》和JTGE30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行塌落度試驗(yàn)。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

各組試驗(yàn)混凝土塌落度實(shí)測(cè)值見(jiàn)表5和圖1。由表5和圖1可知,無(wú)論是單摻鋼纖維或碳納米管,隨著其摻量的增加塌落度逐漸降低。B組與A組對(duì)比可知,隨著鋼纖維摻量的增加,混凝土塌落度分別降低了8.7%、19.6%、39.1%、56.5%、73.9%;C組與A組對(duì)比可知,隨著碳納米管摻量的增加,混凝土塌落度分別降低了8.7%、13.0%、19.6%、23.9%,D組與A組對(duì)比塌落度降低了30.4%、與B3組對(duì)比塌落度了增加14.29%、與C2組對(duì)比塌落度降低了20.0%。

表5 混凝土塌落度實(shí)測(cè)值

3 抗壓試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

試件尺寸為150 mm×150 mm×150 mm,試件在養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)28 d后,將其取出,利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)DIG2000中的D4000進(jìn)行混凝土立方體軸向抗壓試驗(yàn),采用速度加載控制,加載速率為0.5～0.8 MPa/s。試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)機(jī)器會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集,直至試件破壞。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

各組試件的最終破壞形態(tài)如圖2-圖5所示,抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6可知,混凝土抗壓強(qiáng)度隨著鋼纖維摻量的提高呈現(xiàn)先上升后降低的趨勢(shì),B1、B2、B3、B4、B5組與A組相比抗壓強(qiáng)度分別增加了7.45%、16.86%、25.29%、17.65%、8.04%,當(dāng)鋼纖維摻量為2%時(shí)抗壓強(qiáng)度達(dá)到最大。原因在于混凝土中摻入適量鋼纖維后,鋼纖維雜亂無(wú)章的分布形成了骨架作用,在混凝土破壞的過(guò)程中可以抑制混凝土內(nèi)部原生裂紋的擴(kuò)展和裂紋的產(chǎn)生,在一定程度上提高了抗壓強(qiáng)度,當(dāng)鋼纖維摻入過(guò)多時(shí)將導(dǎo)致鋼纖維團(tuán)聚,從而不能將鋼纖維的性能發(fā)揮到最大化,最終表現(xiàn)的結(jié)果就是隨著鋼纖維摻量的增加而降低。

圖2 A組破壞形態(tài)

圖4 C組破壞形態(tài)

圖6 混凝土抗壓強(qiáng)度結(jié)果

C組與A組相比可知,當(dāng)碳納米管摻量在0.05%～0.1%時(shí),抗壓強(qiáng)度隨著摻量的增加而升高;當(dāng)碳納米管摻量為0.1%～0.3%時(shí),抗壓強(qiáng)度隨著碳納米管摻量的增多反而降低。C1、C2組與A組相比抗壓強(qiáng)度分別增加了4.31%、9.10%;C3、C4組與A組相比抗壓強(qiáng)度分別降低了0.78%、15.29%,與普通混凝土相比,抗壓強(qiáng)度提高并不明顯,但是下降卻較為明顯。原因在于當(dāng)摻入適量的碳納米管可以改善混凝土的孔隙等微觀結(jié)構(gòu),但是當(dāng)摻量過(guò)多時(shí)由于碳納米管在混凝土中團(tuán)聚的問(wèn)題無(wú)法解決,最終表現(xiàn)出來(lái)的結(jié)果就是混凝土的力學(xué)性能下降。

D組與A組相比強(qiáng)度提升了26.86%,與B3組相比強(qiáng)度提升了1.25%,與C2組相比強(qiáng)度提升了16.37%,由此可以看出,將兩種纖維混摻后,抗壓強(qiáng)度得到了更進(jìn)一步的提升,鋼纖維和碳納米管混摻后表現(xiàn)出正混雜效應(yīng)。

4 抗沖擊試驗(yàn)

4.1 試件制備

試件采用的基礎(chǔ)配合比:水泥494 kg/m3、礦粉90 kg/m3、砂685 kg/m3、石908 kg/m3、水187 kg/m3、減水劑8.4 kg/m3,鋼筋采用HPB300,直徑10 mm。鋼筋布置情況如圖7所示。由抗壓試驗(yàn)結(jié)果可知,對(duì)于單摻一種材料時(shí)B3(鋼纖維體積分?jǐn)?shù)為2%)組與C2(碳納米管質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%)組時(shí)抗壓強(qiáng)度增加最大,故本試驗(yàn)針對(duì)這兩種摻量情況下制作了8種類型試件,每種制作5個(gè)試件,試件尺寸為0.2 m×0.2 m×0.1 m,試件具體情況見(jiàn)表6(PC表示素混凝土試件,PC+S表示加入體積分?jǐn)?shù)為2%的鋼纖維混凝土試件,PC+C表示加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的碳納米管的混凝土試件,PC+S+C表示體積分?jǐn)?shù)為2%的鋼纖維和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的碳納米管混摻纖維混凝土試件)。

圖7 試件配筋示意圖

表6 試件不同種類纖維摻量與配筋情況

4.2 試驗(yàn)方法

本文采用的沖擊試驗(yàn)方法為落錘沖擊試驗(yàn)方法,由于操作簡(jiǎn)單,容易實(shí)施,因此被廣泛應(yīng)用。落錘重量4.5 kg、落錘高度450 mm,沖擊頻率為1 Hz。試驗(yàn)過(guò)程中,每次沖擊后,觀察試件表面,試件表面產(chǎn)生第一條裂紋時(shí)視為初裂沖擊次數(shù),記為N1,然后繼續(xù)循環(huán)落錘試驗(yàn),直至試件破壞,記為N2。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖8為各組試件的破壞形態(tài),然后分別根據(jù)下式計(jì)算試件的韌性系數(shù)C、延性比β,結(jié)果列于表7。

(1)

圖8 各種類型試件破壞形態(tài)

表7 試件延性和韌性系數(shù)計(jì)算結(jié)果

(2)

式中:N2,纖、N2,素分別為纖維混凝土、素混凝土破壞時(shí)對(duì)應(yīng)的沖擊次數(shù)。

由圖8可知,PC試件在沖擊荷載作用下出現(xiàn)裂紋,且一裂即壞,試件分成兩部分,表現(xiàn)為明顯的脆性破壞,如圖8(a)所示;摻入鋼纖維后,試件在沖擊荷載作用下出現(xiàn)微裂紋,并且當(dāng)裂紋出現(xiàn)后,可以繼續(xù)承受沖擊荷載作用,吸收沖擊能,隨著沖擊次數(shù)的增多,新的裂紋出現(xiàn),原有的主裂紋逐漸擴(kuò)大,試件破壞時(shí)一般會(huì)出現(xiàn)4～5條裂紋,如圖8(b)所示,鋼纖維的加入使得試件破壞表現(xiàn)為塑性破壞;試件摻入碳納米管后,在沖擊荷載作用下出現(xiàn)裂紋,且一裂即壞,一般只有一條裂紋,試件一般分成兩部分,表現(xiàn)為脆性破壞,但是和PC試件相比,沖擊次數(shù)增多,且斷面更為均勻致密,如圖8(c)所示;試件加入鋼纖維和碳納米管后在沖擊荷載作用下會(huì)出現(xiàn)裂紋,隨著沖擊次數(shù)的增加,新的裂紋出現(xiàn),主裂紋不斷擴(kuò)展,破壞時(shí)試件一般會(huì)出現(xiàn)5～6條裂紋,如圖8(d)所示;同時(shí)RC、RC+S、RC+C和RC+S+C與鋼纖維混凝土試件在沖擊破壞時(shí)的破壞形態(tài)大致相似,但是破壞時(shí)裂紋條數(shù)要多于鋼纖維混凝土試件。

由表7可知,對(duì)于混凝土試件無(wú)論是單摻一種纖維或兩種纖維混摻對(duì)混凝土的延性提高較小,韌性與之相比增加較多;對(duì)于鋼筋混凝土試件無(wú)論是單摻一種纖維或兩種纖維混摻試件的延性和韌性均有顯著提高,VIII組的延性為V組的1.35倍、VI組的1.06倍、VII組的1.30倍,其韌性系數(shù)為V組的4.38倍、VI組的1.30倍、VII組的3.44倍,由此可知,單摻鋼纖維比單摻碳納米管能夠更有效的提高混凝土的延性及韌性,同時(shí)兩者混摻時(shí)比單摻提高效果更加明顯,即鋼纖維與鋼筋混雜后對(duì)混凝土試件的抗沖擊性能表現(xiàn)為正混雜效應(yīng)。鋼纖維與碳納米管提高混泥土沖擊性能的原因在于鋼纖維在混凝土中有很好的阻裂作用,可以抑制早期塑性收縮裂紋的產(chǎn)生,同時(shí)鋼纖維在被拔出的過(guò)程中界面摩擦消耗大量的沖擊能。碳納米管能夠促進(jìn)水泥水化作用,降低混凝土孔隙率,優(yōu)化混凝土的微觀結(jié)構(gòu),在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中,碳納米管可以傳遞應(yīng)力,在一定程度上減少了微裂紋的尖端應(yīng)力集中,延緩裂紋的發(fā)展。

5 結(jié)論

(1)單摻碳納米管和鋼纖維均能提高混凝土的抗壓強(qiáng)度,單摻碳納米管的最優(yōu)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%,單摻鋼纖維的最優(yōu)體積分?jǐn)?shù)為2%,且兩者混摻變現(xiàn)為正混雜效應(yīng)。

(2)單摻或混摻對(duì)于素混凝土與鋼筋混凝土的沖擊性能均有所增強(qiáng),但對(duì)鋼筋混凝土的增強(qiáng)效果更加明顯。此外,同樣當(dāng)兩者混摻時(shí)對(duì)試件抗沖擊性能表現(xiàn)為正混雜效應(yīng)。