碳納米管增強水泥砂漿在混凝土修補加固中的應用研究*

袁振霞，常利武，孫玉周

(中原工學院，河南鄭州450007)

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示世界每年生產(chǎn)的混凝土都有上百億噸，混凝土作為土木水利工程中最常見的材料，是以其經(jīng)久耐用而著稱，然而隨著使用環(huán)境的多樣化，混凝土受侵蝕引起事故的情況越來越多，從而成為土木領域內(nèi)最為關注的問題之一。比如:在人為和自然環(huán)境的作用下，混凝土材料易發(fā)生老化、開裂、碳化、凍融剝蝕等損傷或弱化，影響其服役年限。為不影響結(jié)構的正常使用，常常需對在役老混凝土進行修補、加固和改造。然而在老混凝土修補、加固和改造工程中，新老混凝土界面的粘結(jié)性能是新老混凝土作為整體工作的關鍵，決定著修補效果的優(yōu)劣［1-4］。影響新老混凝土界面粘結(jié)性能的因素很多，其中新混凝土收縮產(chǎn)生的微裂紋是粘結(jié)強度降低的主要原因之一［1］。為此，除選用收縮小的材料外，許多學者嘗試采用多種方法以提高新老混凝土界面層的粘結(jié)性能，如在新混凝土中加入短碳纖維［5］、界面劑采用粉煤灰砂漿［6］、在新老砂漿界面間加入丁苯聚合物改性水泥砂漿［7］、采用新型AS界面劑［8］等的研究。本文研究了碳納米管作為一種新型的納米級纖維水泥增強材料在混凝土修補加固中的應用。

碳納米管作為復合材料增強體，預計可表現(xiàn)出良好的強度、彈性、抗疲勞性及各向同性，本文采用8字形新老砂漿抗拉粘結(jié)強度的試驗方法，研究了不同界面粘結(jié)材料、不同配比條件下的粘結(jié)性能，以期找到粘結(jié)性能良好的新老砂漿界面粘結(jié)材料及其較佳配合比。

1 試驗原料與試驗儀器

1.1 試驗原料

水泥為42.5普通硅酸鹽水泥;砂為標準砂;粉煤灰符合國家一級粉煤灰標準;環(huán)氧樹脂購自市場;減水劑為FDN高效減水劑;水為自來水;碳納米管的基本物理參數(shù)見表1;分散劑為聚乙烯吡咯烷酮(PVP);消泡劑為磷酸三丁酯(TBP)溶液。

表1 碳納米管的物理參數(shù)指標

1.2 試驗儀器

精度為0.01 g的電子秤;行星式水泥膠砂攪拌機;HJ-5型磁力攪拌器;BX3300LH型超聲波清洗器;模具為8字型砂漿模具;多功能強力儀。

2 試驗方法

2.1 碳納米管的分散方法

碳納米管尺寸雖小，卻具有巨大的比表面積及很高的長徑比，它們之間存在強大的范德華引力(Van de Walls)，導致碳納米管很容易發(fā)生纏繞或團聚，甚至團聚成彼此有微弱連接面的微米團聚體，對碳納米管增強水泥基粘結(jié)材料而言，碳納米管在水體溶液中的分散均勻性是影響材料性能的一個重要指標之一。對此，通過文獻檢索及對比分析分散效果，最終確定以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)做為分散劑，磁力攪拌并超聲波處理的方法進行碳納米管在水中的分散，實踐表明得到的分散液均勻良好，不溶物少，符合試驗的要求。具體分散方法為:

(1)將稱量好的分散劑加入到盛有適量水的燒杯中，加熱至60℃保持恒溫直至完全溶解，然后將稱量好的碳納米管加入到溶液中;

(2)再將混合液在磁力攪拌器上進行磁力攪拌15 min(轉(zhuǎn)速為600 r/min);

(3)然后將經(jīng)過高速磁力攪拌后的碳納米管分散液放入超聲波清洗器中超聲處理20 min(超聲頻率為40 kHz);

(4)將分散好的溶液放在室溫下冷卻，加入適量消泡劑備用。

2.2 試件制備與養(yǎng)護

制備工藝如下:

(1)將水泥、標準砂和水以質(zhì)量比1∶3∶0.4倒入攪拌鍋內(nèi)先干拌均勻，再加水濕拌;

(2)養(yǎng)護室水中養(yǎng)護試模采用8字模，并在中部截面處插入5.0 mm厚的鋼隔板;

(3)將砂漿拌和物澆入模具并在振動臺上振動成型固化，脫模后在溫度20±3℃，濕度90%以上的標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護28 d，得到半8字型老砂漿粘結(jié)試件。

表2 試樣配合比/wt%

按表2中的配合比稱好材料，先將固態(tài)材料放入攪拌機中攪拌均勻，再將液態(tài)材料倒入攪拌均勻，得到修補砂漿，新砂漿的添加材料分別為碳納米管、粉煤灰、環(huán)氧樹脂三類。將不同摻量的碳納米管分散到水中得到均勻的分散液，作為液態(tài)材料添加到修補砂漿中;粉煤灰作為膠凝材料按水泥用量的不同比例加入到新砂漿中，摻入粉煤灰后砂漿的水灰比按水泥和粉煤灰的總摻加量計算，環(huán)氧樹脂按水泥用量的50%與固化劑拌合均勻后摻入拌制好的砂漿中。

澆筑修補砂漿之前，需要對老混凝土的表面進行處理，將老混凝土表面損壞的，松動的及雜質(zhì)雜物清理干凈，使其露出堅固的骨料，形成表面粗糙，更好的反應三種不同材料、不同比例的修補砂漿的粘結(jié)效果。這些準備工作做好之后就可以將得到的攪拌均勻的三種不同材料、不同比例的修補砂漿澆筑到8字型模具的空隙部分，搗筑成型，1d后拆模，放入標準養(yǎng)護箱中按原養(yǎng)護制度養(yǎng)護至測試期。

將按上述方法制備和養(yǎng)護好的試件取出，在多功能強力儀上拉斷，測試其抗拉粘結(jié)強度值。

3 數(shù)據(jù)分析與討論

3.1 試驗數(shù)據(jù)

通過試驗可以發(fā)現(xiàn)不同的添加物類型對試樣破壞時的抗拉強度值影響不同，界面破壞形式也各有所異，界面破壞者沿新老砂漿粘結(jié)界面被拉斷，其新老界面粘結(jié)強度低于砂漿本體強度;非界面破壞者沿砂漿側(cè)破壞，其砂漿本體抗拉強度低于界面粘結(jié)強度。表3詳細列出了各項試驗數(shù)據(jù)及破壞結(jié)果。

表3 不同砂漿界面劑下新老砂漿粘結(jié)界面抗拉強度平均值

3.2 數(shù)據(jù)分析

由表3可以看出，摻碳納米管的粘結(jié)砂漿及低摻量的粉煤灰粘結(jié)砂漿為界面破壞，說明其砂漿本體強度優(yōu)于界面粘結(jié)強度，其它非界面破壞說明其砂漿本體抗拉強度較低。另外，不難發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧樹脂砂漿與水泥凈漿抗拉強度值明顯低于其他兩類砂漿，原因如下:環(huán)氧樹脂為不溶于水的高分子有機物，其在室溫大摻量情況下與水不能很好地融合，以致不能很好的發(fā)揮其優(yōu)良的固化粘結(jié)性能，因此，環(huán)氧樹脂在摻入砂漿中時應著重考慮水存在的影響;水泥砂漿中水泥為極細的顆粒，其能夠滲入到老砂漿中去形成較好的界面粘結(jié)，但其本體抗拉強度較低，故其試驗測試數(shù)據(jù)較低。

圖1 不同砂漿界面粘結(jié)抗拉強度最大值

由圖1可以得知，摻碳納米管和粉煤灰的砂漿粘結(jié)性能明顯優(yōu)于其它兩類砂漿，說明其能夠改善砂漿在混凝土修補粘結(jié)中的作用。

3.3 碳納米管摻量的分析

由試驗數(shù)據(jù)可以得知碳納米管能夠明顯改善砂漿的粘結(jié)性能，同時可以看出不同的碳納米管摻量對粘結(jié)性能的改善作用有所不同。

由圖3可以看出，隨著碳納米管摻量的增加，其界面抗拉強度值先是增大，隨后減小，而后又逐漸增大，當碳納米管摻量為0.2wt%時，其粘結(jié)抗拉強度達到最大值2.02 MPa，較界面為水泥凈漿時增加36%;但隨著摻量的繼續(xù)增大，其粘結(jié)抗拉強度值呈現(xiàn)出下降趨勢，在摻量為0.3wt%時達到最低值1.23 MPa，其值低于水泥凈漿抗拉強度值，其后雖隨著摻量增加強度值發(fā)生回升，但回升幅度有限。由于碳納米管價格昂貴，故從經(jīng)濟的角度來說其高摻量帶來的粘結(jié)強度增加并不可取，即碳納米管最優(yōu)摻加量為0.2wt%，但摻量高于或低于此值時，其粘結(jié)強度都有不同程度的降低。

圖2 碳納米管摻量對修補砂漿強度的影響

4 結(jié)論

(1)摻入碳納米管能夠顯著改善新老砂漿的界面粘結(jié)性能，提高修補粘結(jié)強度值，較凈漿強度增幅高達36%，可以達到增強修補效果的目的。

(2)不同的碳納米管摻量對粘結(jié)強度提高效果不同，隨著摻量的增加，其抗拉強度值有所提高，但超過臨界值后，其粘結(jié)性能下降，此后增幅亦不再明顯。試驗結(jié)果表明，碳納米管摻量最優(yōu)值為0.2wt%。

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