碳納米管在超細(xì)水泥灌漿料中的應(yīng)用研究

劉云霄,張春苗,蔡凱旋,顧 凡,周 輝,李曉光

(長安大學(xué)建筑工程學(xué)院,西安 710061)

0 引 言

水泥混凝土在使用過程中由于環(huán)境作用或受力不均勻,無法避免產(chǎn)生裂縫。為防止裂縫進(jìn)一步發(fā)展,通常向裂縫中灌注灌漿料進(jìn)行修補(bǔ)。相對(duì)于化學(xué)灌漿料,水泥基灌漿料具有價(jià)格低、無毒、強(qiáng)度高等優(yōu)勢(shì),超細(xì)水泥灌漿料由于顆粒粒徑細(xì)小,滲透性更好,更適用于細(xì)微裂隙的修補(bǔ)[1]。開裂灌漿部位受力復(fù)雜,可能承受沖擊、振動(dòng)、疲勞、磨損等作用[2],但水泥基材料存在抗拉強(qiáng)度低、韌性差的缺點(diǎn),采用纖維對(duì)水泥基材料增韌、阻裂已成為水泥基材料重要的發(fā)展方向[3-6],而通常的宏觀纖維不適合用于灌漿料。多壁碳納米管(multi-walled carbon nanotubes, MWCNTs)是一種擁有極高長徑比的中空管狀結(jié)構(gòu)的納米纖維材料[7],被廣泛用于復(fù)合材料中[8-9],研究發(fā)現(xiàn),MWCNTs用于水泥基材料中,能夠在裂紋和孔隙中起橋梁作用,保證在拉伸情況下的載荷傳遞[10-11],可以提高基體的強(qiáng)度、斷裂韌性、耐磨性[12-14]。Li等[15]研究表明,MWCNTs能夠改善基體的孔隙結(jié)構(gòu)。Nochaiya等[16]發(fā)現(xiàn)隨著MWCNTs摻量增加,材料總孔隙率降低,同時(shí)MWCNTs的摻加對(duì)水泥基材料的收縮變形具有一定的抑制作用[17]。李相國等[18]發(fā)現(xiàn),MWCNTs能顯著提高水泥基材料的耐久性,提高水泥基材料的抗氯離子滲透性能。若將MWCNTs用于超細(xì)水泥灌漿料中,將有助于超細(xì)水泥灌漿料使用性能的提高,但目前相關(guān)研究相對(duì)較少。

本文將直徑為10～20 nm的MWCNTs摻入超細(xì)水泥灌漿料中,分別測(cè)試了MWCNTs對(duì)超細(xì)水泥灌漿料自身強(qiáng)度、可灌性以及灌注后黏結(jié)性能的影響。綜合分析試驗(yàn)結(jié)果,為MWCNTs在超細(xì)水泥灌漿料中的工程應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材 料

試驗(yàn)用超細(xì)硅酸鹽水泥的勃氏比表面積為1 083 m2/kg,3、28 d抗折強(qiáng)度分別為4.9、10.4 MPa,3、28 d抗壓強(qiáng)度分別為28.9、59.6 MPa;硅灰的平均粒徑為0.1～0.3 μm;石英粉產(chǎn)自江蘇徐州,中位徑為13 μm,表觀密度為2.63 g/cm3,堆積密度為1 198 kg/m3;減水劑采用液體聚羧酸減水劑;膨脹劑為UEA型混凝土膨脹劑;消泡劑為廣東中聯(lián)邦公司產(chǎn)B-346型消泡劑;MWCNTs為深圳納米港有限公司產(chǎn)直徑10～20 nm、長度5～10 μm的碳納米管;分散劑采用聚乙烯吡咯烷酮K30(PVP),分析純。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

灌漿料配合比設(shè)計(jì)見表1。

表1 灌漿料配合比Table 1 Mix ratio of grouts

采用添加PVP分散劑和超聲波分散相結(jié)合的方式制備MWCNTs懸濁液[19-21],MWCNTs與PVP分散劑的質(zhì)量比為1∶2;MWCNTs按照膠凝材料(水泥、硅灰和UEA)質(zhì)量的0.02%、0.05%、0.10%、0.20%、0.30%摻入灌漿料,分別編號(hào)為G-0.02、G-0.05、G-0.10、G-0.20、G-0.30。

1.2.2 試驗(yàn)方法

灌漿料強(qiáng)度測(cè)試:依據(jù)《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50448—2015),制備40 mm×40 mm×160 mm的試件,在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)至7、28、56 d,測(cè)試其抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。

可灌性與黏結(jié)性能測(cè)試:依據(jù)《水泥基灌漿材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50448—2015),測(cè)試灌漿料的截錐流動(dòng)度;采用博勒飛R/S型流變儀測(cè)試灌漿料的流變參數(shù);制備與灌漿料強(qiáng)度相當(dāng)?shù)幕炷猎嚰鳛楣酀{基體,標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后將其劈裂,自行設(shè)計(jì)并制作一套通過灌漿高度差反映灌漿壓力的裝置,在混凝土裂縫中灌入灌漿料,記錄不同MWCNTs摻量的灌漿料所需的灌漿高度差;將灌漿后的試件養(yǎng)護(hù)28 d后,利用CT掃描測(cè)試灌漿區(qū)域及鄰近區(qū)域的孔隙率;進(jìn)行二次劈裂,記錄各組試件的劈裂破壞荷載,并觀察試件劈裂破壞時(shí)的斷裂情況,考察灌漿料的黏結(jié)性能。

2 結(jié)果與討論

2.1 MWCNTs對(duì)灌漿料強(qiáng)度的影響

摻加MWCNTs后,灌漿料的7、28、56 d抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度如圖1(a)、(b)所示。由圖1(a)可知,當(dāng)MWCNTs摻量較少時(shí),灌漿料的抗折強(qiáng)度有一定程度的下降,但隨著摻量的增加,抗折強(qiáng)度會(huì)繼續(xù)增加,當(dāng)達(dá)到一定摻量后,隨著摻量繼續(xù)增加,抗折強(qiáng)度又會(huì)有所下降。7、56 d抗折強(qiáng)度峰值對(duì)應(yīng)的MWCNTs摻量為0.10%,28 d抗折強(qiáng)度峰值對(duì)應(yīng)的MWCNTs摻量為0.20%。由圖1(b)可知,隨MWCNTs摻量增加,灌漿料的抗壓強(qiáng)度呈先增加后降低的趨勢(shì),7、28 d抗壓強(qiáng)度峰值對(duì)應(yīng)的MWCNTs摻量為0.20%,56 d抗壓強(qiáng)度峰值對(duì)應(yīng)的MWCNTs摻量為0.10%。從總體來看,摻加MWCNTs對(duì)灌漿料的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度都有提升作用,但存在最佳摻量,最佳摻量在0.10%～0.20%。56 d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的最佳值均出現(xiàn)在MWCNTs摻量為0.10%時(shí),此時(shí),抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度較未摻加(G-0組)時(shí)分別增長了24.3%和23.4%,折壓比從0.141提高至0.151,提高了7.1%。表明MWCNTs在超細(xì)水泥灌漿料中可發(fā)揮橋接作用[11],提高超細(xì)水泥灌漿料的力學(xué)性能。

圖1 摻加MWCNTs后灌漿料在不同齡期的強(qiáng)度Fig.1 Strength of grouts with MWCNTs at different ages

2.2 MWCNTs對(duì)灌漿料可灌性的影響

表2為MWCNTs摻入后灌漿料的截錐流動(dòng)度變化趨勢(shì)。由表2可以看出,加入MWCNTs后,即使在最小摻量,灌漿料的截錐流動(dòng)度也發(fā)生了明顯的降低,且隨著摻量的增加,截錐流動(dòng)度持續(xù)降低,表明MWCNTs及其分散劑的加入對(duì)灌漿料的流動(dòng)度具有明顯的降低作用。

表2 摻加MWCNTs灌漿料的截錐流動(dòng)度Table 2 Frustum fluidity of grouts with MWCNTs

為更明確MWCNTs對(duì)灌漿料流變性能的影響,采用博勒飛R/S型流變儀測(cè)試了灌漿料的流變參數(shù)。測(cè)試制度為:在60 s內(nèi)剪切率從0 s-1升至100 s-1,第二個(gè)60 s從100 s-1降至0 s-1,中停5 s后重復(fù)上述步驟。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,取剪切率的第二個(gè)上升段作為測(cè)試結(jié)果。為考察PVP分散劑對(duì)灌漿料流變性能的影響,在未摻加MWCNTs的情況下測(cè)試G-0～G-0.30組灌漿料的流變參數(shù),結(jié)果見圖2(a)、(b)。PVP和MWCNTs均摻加的情況下G-0～G-0.30組灌漿料的流變參數(shù)測(cè)試結(jié)果見圖2(c)、(d)。

圖2 灌漿料的流變性能Fig.2 Rheological properties of grouts

由圖2可以看出,不管是僅摻加PVP還是同時(shí)摻加PVP和MWCNTs,均造成了灌漿料剪切應(yīng)力和塑性黏度曲線的上移,即增加了灌漿料的剪切應(yīng)力和塑性黏度。為便于對(duì)比灌漿料流變參數(shù),采用流變模型對(duì)流變曲線進(jìn)行擬合。為盡可能提高模型與數(shù)據(jù)的擬合精度,經(jīng)過分析比較,MWCNTs增強(qiáng)超細(xì)水泥灌漿料流變曲線符合Modified Bingham(M-B)模型,擬合得到灌漿料的屈服應(yīng)力、塑性黏度等流變參數(shù),見表3,相關(guān)度R2均在0.999以上。M-B模型的流變方程如式(1)所示。

表3 灌漿料流變參數(shù)擬合結(jié)果Table 3 Fitting results of rheological parameters of grouts

(1)

由圖2(a)可知,僅摻加PVP時(shí),G-0.02組灌漿料剪切應(yīng)力隨剪切率變化的曲線與G-0組灌漿料相差不大。由表3可知,G-0.02組灌漿料屈服應(yīng)力略低于G-0組灌漿料,但之后隨著PVP摻量的增加,灌漿料屈服應(yīng)力逐漸增大,G-0.30組灌漿料屈服應(yīng)力相較于空白組提高了1倍左右,說明在低摻量時(shí),PVP的摻加對(duì)灌漿料的屈服應(yīng)力有一定程度的降低,在高摻量下,PVP的摻加則會(huì)明顯提高灌漿料的屈服應(yīng)力。塑性黏度則呈持續(xù)增加的趨勢(shì)。

由于在灌漿料中摻加的MWCNTs必須經(jīng)過PVP的分散,將摻加了MWCNTs與PVP的灌漿料的流變參數(shù)與僅摻加PVP的灌漿料的流變參數(shù)取差值(Δτ0,Δη),近似地認(rèn)為是MWCNTs單獨(dú)作用對(duì)灌漿料流變性能的影響,列于表3中。由Δτ0可以看出,加入MWCNTs后,對(duì)剪切應(yīng)力和黏度均有所提高,但當(dāng)MWCNTs摻量不超過0.10%時(shí),Δτ0與Δη相對(duì)較小,當(dāng)MWCNTs摻量超過0.10%時(shí),屈服應(yīng)力和黏度的增長幅度較大。這可能是由于MWCNTs摻量達(dá)到一定程度后,在數(shù)量上足以讓亂向分布的MWCNTs相互搭接或纏結(jié),對(duì)漿體各平流層之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成更大的阻力,造成了剪切應(yīng)力和黏度增幅的加大。

綜上,PVP和MWCNTs的摻入均造成了灌漿料屈服應(yīng)力和黏度的增加,在摻量超過0.10%后,增幅加快,為保證摻加MWCNTs灌漿料的可灌性,建議MWCNTs摻量不超過0.10%。

為進(jìn)一步考察MWCNTs摻入后對(duì)灌漿料灌注阻力和黏結(jié)性能的影響,將不同MWCNTs摻量的灌漿料灌入混凝土裂縫,利用自行設(shè)計(jì)的灌漿裝置(見圖3)測(cè)定其可灌性。

圖3 灌漿裝置Fig.3 Grouting device

將邊長為100 mm的混凝土立方體試件劈裂,作為灌漿基體?；炷亮⒎襟w試件劈裂后,將劈裂面的疏松顆粒清理干凈,潤濕斷裂面,置于如圖3所示模具中,調(diào)整好位置,將攪拌均勻的灌漿料沿漏斗緩慢灌入灌漿管內(nèi),漿液沿著灌漿管進(jìn)入灌漿孔,沿試件底部裂縫緩慢上升,直至充滿裂縫。由于混凝土裂縫曲折,且灌漿料屬于非牛頓流體,塑性黏度較大,通過細(xì)小裂縫時(shí),無法忽略灌漿料與裂縫之間的摩擦阻力,將灌漿料看成一連串的微小顆粒,顆粒之間存在黏滯力,在顆粒進(jìn)入裂縫通道時(shí)因?yàn)橥ǖ勒?需要一定的擠壓力,因此需要有一定的高度差,使動(dòng)力大于縫隙對(duì)灌漿料的阻力,兩側(cè)達(dá)到平衡時(shí),右側(cè)灌漿管內(nèi)液面高度h1大于左側(cè)灌漿模具上表面高度h0。灌注時(shí),當(dāng)灌漿料液面到達(dá)試件頂面時(shí),調(diào)整管內(nèi)的液面高度,使試件裂縫內(nèi)的液面高度不再發(fā)生變化,即達(dá)到平衡狀態(tài),記錄此時(shí)灌漿高度差h1-h0。灌漿壓力的大小與平衡狀態(tài)下兩側(cè)高度差呈正相關(guān),可在一定程度上反映灌漿料可灌性的差異。各組灌漿料的灌漿高度差見圖4。

圖4 不同MWCNTs摻量的灌漿高度差Fig.4 Height difference of grouts with different MWCNTs content

由圖4可見,灌漿高度差的試驗(yàn)結(jié)果與流動(dòng)度、流變性能的試驗(yàn)結(jié)果相符,隨著MWCNTs摻量的增加,需要的灌漿高度差逐漸增加,表明灌漿需要的壓力增加。G-0組灌漿料灌漿壓力最小,G-0.30組灌漿料灌漿壓力最大,與灌漿料黏度增加的情況相關(guān)。

為考察灌漿后灌漿區(qū)域的密實(shí)程度,利用CT技術(shù)對(duì)灌漿區(qū)域進(jìn)行斷層掃描與三維重建,獲取灌漿區(qū)域的孔隙信息。采用PHILIPS Brilliance 16排螺旋CT掃描,獲取CT掃描數(shù)據(jù)后,利用AVIZO圖像處理軟件對(duì)CT圖像進(jìn)行三維重建,結(jié)果見圖5(a),試件內(nèi)部某截面見圖5(b),截取灌漿部分見圖5(c)。

圖5 混凝土中灌漿縫的CT照片F(xiàn)ig.5 CT images of gap in concrete after grouting

由圖5(a)、(b)可以看到,由于混凝土試件是通過劈裂試驗(yàn)斷裂開的,裂縫的位置與斷裂路徑并非沿直線斷裂,部分會(huì)沿著粗骨料的邊緣斷開,裂縫形態(tài)接近工程實(shí)際,有利于評(píng)價(jià)灌漿料的灌漿效果。從圖5(b)可以觀察到MWCNTs灌漿料對(duì)裂隙的填充效果較好,灌漿料均能滲入細(xì)小縫隙。對(duì)所截取的一定厚度灌漿部分的圖像進(jìn)行三維重建,如圖5(c)所示,分析灌漿部分孔隙率,結(jié)果見圖6。

圖6 灌漿部分孔隙率Fig.6 Porosity of grouting part

由圖6可以看到,G-0～G-0.10組灌漿部分孔隙率相對(duì)較小,灌漿料填充效果最好,表明灌漿料能流入細(xì)小裂縫,裂縫得以充分填充。G-0.20和G-0.30組灌漿部分孔隙率較高,應(yīng)該是由于G-0.20和G-0.30組灌漿料黏度大,降低了灌漿料的滲透性,使之滲入小裂隙的能力降低,導(dǎo)致孔隙率增大。圖6也表明,隨著灌漿料黏度增大到一定程度,灌漿后孔隙率可能存在突然增大的情況,如G-0.10組到G-0.20組,變化幅度較大。

2.3 灌漿后的黏結(jié)情況

2.3.1 斷裂情況

將灌漿完成的試件在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)至28 d,進(jìn)行二次劈裂試驗(yàn),根據(jù)觀察到的試件的斷裂情況,劃分三種斷裂模式,從宏觀角度說明MWCNTs灌漿料的黏結(jié)效果,見圖7。

圖7 灌漿后試件劈裂的斷裂模式Fig.7 Splitting fracture modes of samples after grouting

第一種情況:若二次劈裂時(shí),裂縫大部分出現(xiàn)在灌漿縫中,為灌漿料破壞;第二種情況:若二次劈裂時(shí),裂縫大部分出現(xiàn)在二者界面處,其中一側(cè)斷裂面露出大面積的混凝土,另一側(cè)則為大面積灌漿料,為黏結(jié)破壞;第三種情況:若二次劈裂時(shí),裂縫既存在于灌漿料中,又存在于混凝土試件中,且灌漿料部分較完整,兩個(gè)斷裂面也同時(shí)含有混凝土和灌漿料,為整體破壞。

將六組灌漿基體-混凝土試件依次劈裂開后,發(fā)現(xiàn)灌注G-0組灌漿料的試件斷裂破壞呈第一種情況——灌漿料破壞,即灌漿料自身抗劈拉強(qiáng)度較低,導(dǎo)致在劈裂的過程中,從灌漿料部分?jǐn)嗔验_,且灌漿料和混凝土黏結(jié)效果較差,混凝土表面已經(jīng)觀察不到灌漿料。使用G-0.02組灌漿料灌漿的試件經(jīng)二次劈裂呈第二種斷裂模式——黏結(jié)破壞,在混凝土與灌漿料的黏結(jié)界面處首先發(fā)生斷裂,二者黏結(jié)強(qiáng)度較低,界面處形成薄弱區(qū),掉落的殘?jiān)泻谢炷梁凸酀{料,灌漿料部分居多,且二者分散掉落。使用G-0.05～G-0.30組灌漿料灌漿后的混凝土試件斷裂破壞模式均呈第三種情況——整體破壞,此時(shí)灌漿料和混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度及灌漿料自身的抗劈拉強(qiáng)度較高,黏結(jié)部分并未形成薄弱區(qū)。

2.3.2 劈裂抗拉強(qiáng)度

灌漿后劈裂抗拉強(qiáng)度是反映灌漿后試件黏結(jié)情況的重要參數(shù)。將MWCNTs摻量作為變量,取多次試驗(yàn)平均值進(jìn)行比較,結(jié)果見圖8。可以發(fā)現(xiàn):未摻加MWCNTs的G-0組灌漿料灌漿試件的劈裂抗拉強(qiáng)度最低;G-0.02組灌漿料灌漿試件的劈裂抗拉強(qiáng)度略高于G-0組灌漿料灌漿試件,表明摻加少量的MWCNTs對(duì)灌漿料灌漿試件劈裂抗拉強(qiáng)度有所提升,但灌漿料與混凝土的黏結(jié)強(qiáng)度不高;G-0.05～G-0.30組灌漿料灌漿試件的劈裂抗拉強(qiáng)度較高,表明隨MWCNTs摻量增加,灌漿料能夠提升灌漿后試件的劈裂抗拉強(qiáng)度,最優(yōu)摻量出現(xiàn)在G-0.10組(MWCNTs摻量為0.10%)。G-0.20組和G-0.30組有所下降,可能與這兩組灌漿料可灌性較低、孔隙率較高有關(guān)。灌漿料硬化后,MWCNTs鑲嵌于灌漿料水化產(chǎn)物中,通過橋接作用對(duì)兩端水化產(chǎn)物進(jìn)行連接,受力時(shí)MWCNTs可以吸收部分能量,牽制裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展[22]。故MWCNTs的存在有利于灌漿料自身抗拉能力的提高,并在一定程度上提高了灌漿后試件的劈裂抗拉強(qiáng)度。

圖8 灌漿后試件的劈裂抗拉強(qiáng)度Fig.8 Splitting tensile strength of samples after grouting

3 結(jié) 論

1)MWCNTs對(duì)超細(xì)水泥灌漿料增強(qiáng)作用明顯,從7～56 d強(qiáng)度看,摻量在0.10%～0.20%時(shí)效果最佳,56 d最高抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度均出現(xiàn)在摻量為0.10%組,較空白組分別提高了24.3%、23.4%,折壓比提高了7.1%。

2)從截錐流動(dòng)度、流變曲線、灌漿高度差來看,隨著MWCNTs摻量逐漸增加,灌漿料的流動(dòng)度降低,黏度增加,需要的灌漿壓力增加。灌漿后孔隙率在MWCNTs摻量不高于0.10%時(shí)增加并不明顯,此時(shí)黏度隨摻量增加略有提高,可使灌漿料均勻性提高,灌漿料滲透性沒有明顯降低,灌漿效果較好。

3)灌漿后劈裂抗拉試驗(yàn)顯示,當(dāng)MWCNTs摻量高于0.05%時(shí),試件的破壞形式為整體破壞,表明摻入MWCNTs后,灌漿料自身強(qiáng)度增加,且改善了灌漿料與混凝土的黏結(jié)效果,劈裂抗拉強(qiáng)度也明顯提高。

4)直徑為10～20 nm的MWCNTs在超細(xì)水泥灌漿料中的最佳摻量為0.10%,在此摻量下,灌漿料的可灌性未發(fā)生明顯降低,力學(xué)性能明顯提高。