碳納米管增強(qiáng)面板混凝土的早齡期自收縮研究

趙志方,鄭智宏,趙志剛,吉順文,施 韜

(1.浙江工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院,浙江 杭州 310023;2.浙江傳媒學(xué)院 媒體工程學(xué)院,浙江 杭州 310018;3.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

如何防止大體積混凝土開(kāi)裂一直是土木工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]?；炷恋牡蛯?dǎo)熱性會(huì)導(dǎo)致混凝土表面散熱速率遠(yuǎn)快于內(nèi)部,而大體積混凝土硬化過(guò)程會(huì)釋放大量水化熱,從而使結(jié)構(gòu)表面與內(nèi)部溫差過(guò)大,導(dǎo)致了拉應(yīng)力的產(chǎn)生,拉應(yīng)力超過(guò)抗拉強(qiáng)度就會(huì)使結(jié)構(gòu)開(kāi)裂,降低結(jié)構(gòu)耐久性[2-3]。導(dǎo)致大體積混凝土開(kāi)裂的核心因素是混凝土的收縮變形,大體積混凝土開(kāi)裂也主要是由溫度收縮、自生收縮以及干燥收縮引起的。隨著低水膠比的高強(qiáng)混凝土的普遍使用,大體積混凝土出現(xiàn)裂縫的時(shí)間往往在澆筑后幾天內(nèi),甚至有的不到一天就有明顯裂紋[4]。因此,大體積混凝土更需要注重早期抗裂性能。在這種情況下,干燥收縮的影響就并不那么重要,而溫度變形以及自收縮變形對(duì)大體積混凝土早齡期開(kāi)裂的影響則更為突出,研究自收縮變形對(duì)提高大體積混凝土早齡期抗裂性能具有非常重要的意義。在一些大壩工程中,常常采用粉煤灰代替部分水泥來(lái)降低水化熱、預(yù)埋冷卻管及摻入外加劑等作為控制開(kāi)裂的措施。相較于其他方法,通過(guò)摻入外加劑減少早期自收縮變形來(lái)控制大體積混凝土開(kāi)裂是較為簡(jiǎn)單、有效和經(jīng)濟(jì)的方法,比如膨脹劑、纖維就能有效減小大體積混凝土早齡期自收縮變形。隨著近年來(lái)納米材料的興起,越來(lái)越多的研究人員嘗試將納米材料如碳納米管、碳納米纖維等作為外加劑摻入混凝土中,研究其對(duì)混凝土的性能優(yōu)化效果。碳納米管這一納米材料在1991年被日本學(xué)者Iijima所發(fā)現(xiàn)[5]。這是一種由具有納米尺寸和中空結(jié)構(gòu)的石墨烯片組成的新型碳納米材料,空心碳管的兩端由兩個(gè)球形帽封閉,并具有同心的圓形橫截面[6]。碳納米管根據(jù)石墨烯層數(shù)不同可以分為單壁碳納米管(SWCNTs)和多壁碳納米管(MWCNTs),SWCNTs由單層石墨烯卷成,而MWCNTs由兩層及兩層以上石墨烯卷成。碳納米管具有非常優(yōu)異的力學(xué)性能,其楊氏模量約為1 TPa,抗拉強(qiáng)度為50～200 GPa,密度約1.33 g/cm3[6-7]。因其具有優(yōu)異的力學(xué)性能,許多學(xué)者對(duì)摻碳納米管的水泥基材料進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)碳納米管的加入可以在一定程度上增強(qiáng)水泥基材料的強(qiáng)度、楊氏模量以及耐久性等[8-11]。

基于此,筆者對(duì)摻碳納米管的大體積混凝土早期自收縮變形進(jìn)行研究。出于對(duì)CNTs增強(qiáng)水泥基材料的現(xiàn)有研究成果考慮,以及CNTs本身具有成核、填充和橋接的特性,將CNTs作為增強(qiáng)劑摻入大體積混凝土中,研究CNTs對(duì)大體積混凝土早齡期自收縮性能的影響是一次新穎的嘗試,可以進(jìn)一步揭示碳納米管在工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景。首先,根據(jù)某在建混凝土面板堆石壩工程實(shí)際筑壩的原材料和施工配合比,通過(guò)摻入外加劑制作了2組面板混凝土試件,即不摻任何外加劑的面板混凝土試件作為BC組,摻0.1% MWCNTs的面板混凝土試件作為CNC組,并基于溫度—應(yīng)力試驗(yàn),獲得恒溫模式和溫度匹配模式(TMC)下兩組試件的溫度歷程曲線、應(yīng)變發(fā)展曲線;然后,研究CNTs對(duì)大體積混凝土早齡期自收縮發(fā)展規(guī)律的影響;最后,提出面板混凝土早齡期自收縮發(fā)展模型,為研究約束狀態(tài)下面板混凝土的早齡期自收縮發(fā)展規(guī)律提供參考。

1 溫度—應(yīng)力試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料及配合比

原材料選用普通波特蘭水泥P.O42.5和宣城雙樂(lè)F類Ⅰ級(jí)粉煤灰。骨料選用赤塢砂石系統(tǒng)生產(chǎn)的人工碎石,細(xì)骨料與粗骨料的密度分別為2.63 kg/m3和2.62 kg/m3。細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)為2.97。粗骨料分5～20 mm和20～40 mm兩級(jí),混合比(質(zhì)量比)為9∶11。采用長(zhǎng)安育才生產(chǎn)的聚羧酸鹽減水劑和引氣劑,摻減水劑或引氣劑的混凝土檢測(cè)性能符合DL/T 5100—2014《水工混凝土外加劑技術(shù)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)要求。MWCNTs由南京先豐碳納米科技公司通過(guò)碳的氣相沉積(CCVD)生產(chǎn)。兩種混凝土配合比如表1所示。

表1 面板混凝土的配合比

1.2 溫度—應(yīng)力試驗(yàn)的養(yǎng)護(hù)模式

通過(guò)溫度—應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)對(duì)面板混凝土進(jìn)行早齡期自收縮變形研究,采用了恒溫模式和溫度匹配模式(TMC),兩種溫度養(yǎng)護(hù)模式下的溫度歷程輸入曲線如圖1所示。

圖1 面板混凝土溫度歷程輸入曲線Fig.1 Temperature history input curve of concrete panel

1.2.1 TMC模式

模擬大壩內(nèi)部溫升的溫度匹配模式(TMC模式)能夠客觀地對(duì)面板混凝土進(jìn)行抗裂性評(píng)價(jià)[12]。根據(jù)某在建堆石壩面板混凝土工程在施工期的溫度養(yǎng)護(hù)歷程來(lái)確定TMC模式溫度輸入曲線(該大壩的澆筑期平均溫度為11 ℃),因此面板混凝土的入模溫度設(shè)為11 ℃。根據(jù)膠凝材料水化熱得到面板混凝土的半絕熱溫升值,以此確定第一個(gè)溫峰。采用該堆石壩面板混凝土工程所在地的歷年最高氣溫38.7 ℃為第二溫峰。維持溫峰48 h不變,隨后溫度以0.45 ℃/h的速率下降,直至試件斷裂。溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)最低設(shè)置溫度為-15 ℃,受各方面因素影響,降溫后未斷裂的試件,最終采用機(jī)械力強(qiáng)制拉斷試件以確定各項(xiàng)開(kāi)裂參數(shù)。

1.2.2 恒溫模式

恒溫試驗(yàn)主要反映的是混凝土自收縮變形及其引起的約束應(yīng)力,筆者采用20 ℃恒溫養(yǎng)護(hù)。面板混凝土試件在模板中完成澆筑后,在硬化過(guò)程中會(huì)持續(xù)溫升,此時(shí)就需要通過(guò)控溫模板內(nèi)的循環(huán)介質(zhì)對(duì)試件進(jìn)行降溫,使試件中心溫度始終保持在(20±1.5) ℃。根據(jù)成熟度理論,20 ℃恒溫模式下的混凝土試件齡期即為等效齡期。TMC模式下試件降溫時(shí)間點(diǎn)為8 d,為保持恒溫模式與TMC模式相同的成熟度,將恒溫模式試件降溫點(diǎn)設(shè)為12.31 d,降溫速率為0.45 ℃/h。

1.3 溫度—應(yīng)力試驗(yàn)原理

采用閉環(huán)計(jì)算機(jī)控制的溫度—應(yīng)力試驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖2所示,測(cè)試原理參考文獻(xiàn)[13-14]。由圖2可知:溫度—應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)包含兩個(gè)試件的模具,且兩個(gè)模具形狀、大小均一致,試件兩端粗中間細(xì),與骨頭類似。兩個(gè)模具分別用來(lái)制備自由試件和約束試件。其中自由試件是不受設(shè)備的約束作用(其位移不受限制),完全保持自由狀態(tài);與自由試件不同的是,約束試件受溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)完全約束(近似100%約束程度),這是因?yàn)榧s束試件兩端有兩個(gè)夾頭,其中一個(gè)夾頭是固定的,另外一個(gè)夾頭是活動(dòng)的,當(dāng)約束試件一端發(fā)生變形達(dá)到某一定值(如1 μm),設(shè)備中的步進(jìn)電機(jī)可以通過(guò)控制約束試件的活動(dòng)夾頭來(lái)對(duì)試件進(jìn)行拉壓動(dòng)作,讓約束試件的活動(dòng)端一直保持在初始位置,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)約束試件的近似完全約束。在試驗(yàn)開(kāi)始前,給兩個(gè)模具中澆筑混凝土,為了防止混凝土試件與環(huán)境發(fā)生水分交換引起干燥收縮干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果,試件的表面需要覆蓋塑料薄膜后才能蓋上保溫模板,安裝位移傳感器;在試驗(yàn)過(guò)程中,溫度應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)可以通過(guò)計(jì)算機(jī)控制位移傳感器、荷載傳感器和溫度傳感器自動(dòng)記錄試驗(yàn)自開(kāi)始至結(jié)束整個(gè)過(guò)程的兩組混凝土試件的應(yīng)變、應(yīng)力以及溫度發(fā)展情況;在試驗(yàn)即將結(jié)束時(shí),溫度—應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)通過(guò)溫控系統(tǒng)對(duì)試件進(jìn)行強(qiáng)制降溫直至試件斷裂,降溫速率維持恒定,若溫度降低到試驗(yàn)設(shè)備極限試件還未斷裂,試驗(yàn)設(shè)備將強(qiáng)制拉斷試件,并記錄拉斷時(shí)的應(yīng)力。

圖2 溫度-應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of temperature stress testing machine system

2 面板混凝土早齡期自收縮計(jì)算

2.1 等效齡期

等效齡期的概念是將變溫養(yǎng)護(hù)條件下水泥基材料達(dá)到相同的成熟度,等效為養(yǎng)護(hù)溫度是20 ℃恒溫條件下的時(shí)間[15]。為了確定兩種面板混凝土試件早齡期熱膨脹系數(shù),需要將TMC模式和恒溫養(yǎng)護(hù)模式下的實(shí)際齡期轉(zhuǎn)化為等效齡期。等效齡期te可根據(jù)Freiesleben和Pedersen模型求得,經(jīng)離散化處理后[16]表達(dá)式為

(1)

式中:Ti為混凝土溫度,℃;R為理想氣體常數(shù),取值8.315 J/mol;Eα為活化能,kJ/mol,其值與溫度等因素相關(guān),可參照文獻(xiàn)[17]計(jì)算得到;Δti為時(shí)間間隔,h。

將實(shí)際齡期轉(zhuǎn)化為等效齡期后,則原兩種面板混凝土試件的試驗(yàn)結(jié)果即可轉(zhuǎn)化為在兩種溫度養(yǎng)護(hù)模式下溫度和自由試件應(yīng)變隨等效齡期的發(fā)展曲線。兩組試件的轉(zhuǎn)化結(jié)果分別如圖3,4所示。圖3,4中：με為微應(yīng)變的單位符號(hào)，1 με=10-6ε。

圖3 BC混凝土的溫度、自由應(yīng)變隨等效齡期的發(fā)展曲線Fig.3 Development curve of temperature and free strain with equivalent age of BC concrete

圖4 CNC混凝土的溫度、自由應(yīng)變隨等效齡期的發(fā)展曲線Fig.4 Development curve of temperature and free strain with equivalent age of CNC concrete

2.2 熱膨脹系數(shù)計(jì)算

熱膨脹系數(shù)是混凝土的固有屬性,傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法難以獲得混凝土早齡期熱膨脹系數(shù)。趙志方等[16-17]基于溫度應(yīng)力試驗(yàn)確定了混凝土早期時(shí)變熱膨脹系數(shù)的計(jì)算方法,筆者采取這種方法計(jì)算面板混凝土的早期熱膨脹系數(shù),其計(jì)算式為

(2)

式中:αT(te)為等效齡期為te時(shí)的熱膨脹系數(shù),με/℃;Δε1(te)為在恒溫模式下某微段等效齡期內(nèi)自由試件的應(yīng)變,με;Δε2(te)為在溫度匹配模式下某微段等效齡期內(nèi)自由試件的應(yīng)變,με;ΔT1(te)為在恒溫模式下某微段等效齡期內(nèi)自由試件的溫度變化,℃;ΔT2(te)為在溫度匹配模式下某微段等效齡期內(nèi)自由試件的溫度變化,℃。

由式(2)可知:面板混凝土早齡期熱膨脹系數(shù)的計(jì)算,最終可轉(zhuǎn)化為某一等效齡期時(shí)間段內(nèi)兩種溫度養(yǎng)護(hù)模式下試件的變形差和溫度差的計(jì)算,即根據(jù)不同等效齡期時(shí)間段內(nèi)兩種溫度養(yǎng)護(hù)模式下試件的溫度差和變形差畫(huà)出散點(diǎn)圖,擬合散點(diǎn)圖得到的斜率為該時(shí)間段內(nèi)的熱膨脹系數(shù)值。以BC組9.4～11.4 h和11.5～14.5 h這兩個(gè)等效齡期階段為例,畫(huà)出等效齡期階段對(duì)應(yīng)的應(yīng)變差—溫度差散點(diǎn)圖,進(jìn)而擬合得到的直線的斜率即為該階段內(nèi)的熱膨脹系數(shù),具體情況如圖5所示。

圖5 BC面板混凝土的熱膨脹系數(shù)擬合值Fig.5 Fitting value of thermal expansion coefficient of BC face slab concrete

按照式(2)的熱膨脹系數(shù)計(jì)算方法,根據(jù)不同的等效齡期時(shí)間段對(duì)兩種面板混凝土試件在恒溫模式和TMC模式下的溫度差—應(yīng)變差進(jìn)行線性擬合,即可得到兩組試件在不同等效齡期區(qū)間的熱膨脹系數(shù),擬合結(jié)果如表2所示。

表2 兩種面板混凝土早齡期熱膨脹系數(shù)值

基于表2所示兩種面板混凝土的熱膨脹系數(shù)值,并考慮成熟度對(duì)混凝土熱膨脹系數(shù)的影響,進(jìn)一步得出大體積混凝土早齡期熱膨脹系數(shù)發(fā)展模型,計(jì)算式為

(3)

式中:αs為熱膨脹系數(shù)發(fā)展穩(wěn)定值,με/℃;m和n為待擬合參數(shù)。結(jié)合表2中兩組試件熱膨脹系數(shù),可得熱膨脹系數(shù)發(fā)展模型參數(shù):BC的αs=8.1,m=17.1,n=-1.4;CNC的αs=6.7,m=1 227.2,n=-2.3。

兩種面板混凝土試件的熱膨脹系數(shù)擬合值以及通過(guò)大體積混凝土早齡期熱膨脹系數(shù)發(fā)展模型得到的預(yù)測(cè)曲線如圖6所示。由圖6可知:該模型可較好預(yù)測(cè)大體積混凝土早齡期熱膨脹系數(shù)發(fā)展規(guī)律,可利用該模型進(jìn)行大體積混凝土早齡期溫度變形及自收縮變形的分離。

圖6 兩種面板混凝土等效齡期下的熱膨脹系數(shù)發(fā)展曲線Fig.6 Development curve of thermal expansion coefficient of two kinds of face slab concrete under equivalent age

2.3 自收縮變形分離

得到的兩組面板混凝土試件早齡期熱膨脹系數(shù)發(fā)展模型與實(shí)測(cè)值吻合度較高,可利用該模型得到面板混凝土早齡期的溫度變形。由于在試驗(yàn)過(guò)程中,試件表面覆蓋有一層塑料薄膜,加蓋保溫模板后,試件與外界無(wú)水分交換,自由試件變形僅包含自收縮變形以及溫度變形。因此,通過(guò)TSTM試驗(yàn)測(cè)得的自由試件的應(yīng)變值減去溫度變形,即可得到面板混凝土早齡期自收縮變形發(fā)展曲線,變形分離結(jié)果如圖7所示，自收縮應(yīng)變?chǔ)臕(te)表達(dá)式為

εA(te)=εtot(te)-∑αT(te)ΔT

(4)

式中:εtot(te)為總應(yīng)變,即自由應(yīng)變,με;ΔT為溫度增量,℃。

圖7 兩種面板混凝土TMC模式下的溫度變形和自收縮變形發(fā)展曲線Fig.7 Development curves of temperature deformation and autogenous shrinkage deformation of two kinds of face slab concrete under TMC mode

對(duì)BC,CNC在溫度匹配模式下的早齡期自收縮變形發(fā)展進(jìn)行對(duì)比分析,TMC模式下兩種混凝土的自收縮變形如圖8所示。

圖8 兩種面板混凝土TMC模式下的自收縮變形發(fā)展曲線Fig.8 Development curves of autogenous shrinkage deformation of two kinds of face slab concrete under TMC mode

由圖8可知:雖然在面板混凝土開(kāi)始養(yǎng)護(hù)的最初階段,兩組面板混凝土試件自收縮變形相差不大,但是隨著混凝土成熟度的發(fā)展,相較于BC組,摻入MWCNTs的CNC組表現(xiàn)出較好的減縮效果。在降溫前,BC和CNC的自收縮變形分別達(dá)到了-53.0 με和-40.1 με,相較于BC組,CNC組試件的自收縮變形減少了24.3%,CNTs外加劑能夠很好地減少面板混凝土早齡期自收縮變形,有利于面板混凝土早齡期抗裂。CNTs外加劑對(duì)面板混凝土自收縮變形的抑制作用可能體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:一方面,收縮的發(fā)展與早期黏合劑中細(xì)孔(直徑小于20 nm的細(xì)孔)的數(shù)量成正比,而CNTs的成核、填充作用可以減少膠凝體系中細(xì)孔的數(shù)量,使得毛細(xì)應(yīng)力減小,導(dǎo)致自收縮變形減小[18];另一方面,CNTs本身有很高的長(zhǎng)徑比,具有橋接裂紋特性,這種作用可以對(duì)面板混凝土早期自收縮的發(fā)展產(chǎn)生約束作用,從而抑制面板混凝土早齡期自收縮變形[19-20]。

3 面板混凝土早齡期自收縮發(fā)展模型

基于TSTM試驗(yàn)所測(cè)數(shù)據(jù),并考慮面板混凝土成熟度發(fā)展對(duì)早齡期自收縮變形的影響,提出面板混凝土早齡期自收縮發(fā)展模型,表達(dá)式為

(5)

式中:εA(te)為等效齡期時(shí)刻面板混凝土的自收縮應(yīng)變值;ε0為面板混凝土自收縮最終穩(wěn)定值;μ和η為待擬合系數(shù)。最終確定的兩種面板混凝土自收縮發(fā)展模型的參數(shù):BC的ε0=-51.64,μ=60.11,η=1.6;CNC的ε0=-38.83,μ=21.2,η=1.1。

兩種面板混凝土的自收縮應(yīng)變實(shí)際值以及由筆者提出的自收縮發(fā)展模型得到的自收縮發(fā)展預(yù)測(cè)曲線如圖9所示。由圖9可知:筆者自收縮發(fā)展模型得到的預(yù)測(cè)曲線與自收縮應(yīng)變實(shí)際值吻合程度較高,可利用該模型預(yù)測(cè)大體積混凝土早齡期自收縮發(fā)展規(guī)律。

圖9 兩種面板混凝土試件早齡期自收縮變形實(shí)際值與預(yù)測(cè)曲線Fig.9 Measured values and predicted curves of autogenous shrinkage deformation of two kinds of panel concrete specimens at early age

4 結(jié) 論

采用TMC模式和恒溫模式兩種溫度歷程養(yǎng)護(hù)模式,進(jìn)行基準(zhǔn)面板混凝土和摻碳納米管面板混凝土的溫度應(yīng)力試驗(yàn)。從早齡期自由應(yīng)變中近似分離溫度變形,可得到兩種大壩混凝土的早期自收縮變形。根據(jù)早期自收縮變形的結(jié)果可知摻入碳納米管能夠有效減小面板混凝土早期自收縮變形。相較于基準(zhǔn)混凝土,摻碳納米管面板混凝土早期自收縮變形減少了24.3%。僅從自收縮這個(gè)角度看,碳納米管作為外加劑有利于面板混凝土早期抗裂。此外,還提出了兩種面板混凝土早齡期自收縮發(fā)展模型,經(jīng)過(guò)驗(yàn)證筆者模型與自收縮實(shí)際值吻合程度較高,可用于預(yù)測(cè)大體積混凝土早齡期自收縮變形發(fā)展規(guī)律,從而用于其早齡期開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。