碳納米管加強(qiáng)混凝土柱抗側(cè)性能試驗(yàn)研究

梁雲(yún)憑 宋曉濱 林 航 蘇 航

(同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海 200092)

0 引 言

已有研究表明,多壁碳納米管(Multi-walled Carbon Nanotubes,MWCT)可以顯著提升水泥基材料包括延性在內(nèi)的力學(xué)性能[1-2]。然而碳納米管尺寸小,比表面積大,易發(fā)生團(tuán)聚,因而碳納米混凝土制備工藝復(fù)雜,設(shè)備要求嚴(yán)格,制造費(fèi)用顯著高于普通混凝土。另一方面,碳納米粉劑對人體有害,制備時需特殊防護(hù)裝置。這些特點(diǎn)都阻礙了碳納米材料在混凝土領(lǐng)域的應(yīng)用。

近年來隨著碳納米管工業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展,其成本已降至試驗(yàn)室生產(chǎn)時期的1%以下,碳納米混凝土應(yīng)用于工程實(shí)踐的可行性大大提高。工業(yè)級碳納米漿料質(zhì)量穩(wěn)定,價格更為合理。然而目前國內(nèi)外學(xué)者的研究主要針對實(shí)驗(yàn)室精細(xì)化調(diào)制、分散的碳納米混凝土,缺乏對工業(yè)級碳納米漿料制成的混凝土材料和混凝土構(gòu)件力學(xué)性能的研究。

我國處于環(huán)太平洋地震帶與歐亞地震帶的交匯處,結(jié)構(gòu)震害嚴(yán)重,需要深入了解結(jié)構(gòu)所用材料和主要結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度、承載力和耗能系數(shù)等性能指標(biāo)。然而目前對于碳納米混凝土構(gòu)件的研究主要集中于碳納米管的分散方法和碳納米復(fù)合材料機(jī)敏性能等方面,少有碳納米混凝土構(gòu)件抗震性能的研究成果。

綜上,本文采用工業(yè)級碳納米漿料制備碳納米混凝土,通過碳納米混凝土材料性能測試和碳納米混凝土柱低周往復(fù)側(cè)推試驗(yàn)研究碳納米管摻量對材料力學(xué)性能的影響,并基于試驗(yàn)結(jié)果分析碳納米管合理摻量,為工程應(yīng)用提供研究支撐。

1 標(biāo)準(zhǔn)混凝土立方體試塊抗壓試驗(yàn)

1.1合理碳納米摻量

Al-Rub等[3]的研究發(fā)現(xiàn),分散良好的碳納米管可在混凝土中形成許多具有橋連功能的連接鍵。連接鍵彈性好,強(qiáng)度大,在試塊受力時提高了混凝土的抗折性能和材料延性。碳納米管尺度極小,質(zhì)量很少的粉體即包含數(shù)目可觀的管單體,無需添加太多即可滿足需求。若摻入量過多,管體間會發(fā)生團(tuán)聚。團(tuán)聚物與基體間粘結(jié)差,使復(fù)合材料力學(xué)性能不升反降[4]。為保證試驗(yàn)效果,在設(shè)計試件的碳納米管摻量時應(yīng)首先確定合理摻量范圍。

文獻(xiàn)顯示長期以來國內(nèi)外研究人員在試驗(yàn)中采用的碳納米管規(guī)格不一,參數(shù)各異,試驗(yàn)得到的增強(qiáng)效果差異很大(表1)。這也從一個側(cè)面凸顯了標(biāo)準(zhǔn)化、工業(yè)化生產(chǎn)碳納米混凝土的必要性。

相關(guān)研究者采用的材料除表1所述的參數(shù)不同外,其生產(chǎn)工藝、分散方式等對實(shí)驗(yàn)結(jié)果也有重要的影響。因而在采用不同規(guī)格的碳納米管進(jìn)行研究前,通過預(yù)試驗(yàn)確定碳納米管分散方式和合理摻量范圍是非常必要的。

本文首先進(jìn)行了碳納米混凝土立方體試塊的標(biāo)準(zhǔn)抗壓試驗(yàn),并參考Song等[10]對用同批次碳納米漿料制備的水泥砂漿的測試結(jié)果(表2),確定了本次試驗(yàn)所用碳納米材料的分散方式和合理摻量范圍。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了半柱試件的低周反復(fù)荷載試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)材料、試件設(shè)計和試驗(yàn)依據(jù)

本次試驗(yàn)中,混凝土配合比為PO 52.5普通硅酸鹽水泥∶河砂∶碎石∶水=1∶1.5∶2.9∶0.4。碳納米管采用深圳某公司生產(chǎn)的工業(yè)級碳納米漿料NTP2021,產(chǎn)品參數(shù)見表3。

表1國內(nèi)外碳納米管加強(qiáng)水泥材料力學(xué)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

Table 1 Former statistics on mechanical properties of CNTs reinforced cement-based materials

表2針對同批次漿料制備水泥砂漿骨料界面的力學(xué)測試結(jié)果[10]

Table 2 Mechanical properties of mortar-aggregate with the same CNTs Plaster[10]

表3碳管漿料參數(shù)

Table 3 CNTs Pastee Index

本文根據(jù)《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[11]的要求制作了六組試件,每組包括三個邊長為150 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊。除零摻量組外,其他五組試件的碳納米管摻量分別為0.05wt%,0.10wt%,0.15wt%,0.20wt%和0.25wt%,各組試件澆筑后在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28天。

1.3 測試結(jié)果

試驗(yàn)在NYL-2000D壓力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,測定混凝土立方體抗壓強(qiáng)度值fcu,試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4試塊抗壓試驗(yàn)結(jié)果

Table 4 Cubic compressive strength test results

綜合表2和表4的數(shù)據(jù)可知,雖然針對不同力學(xué)性能參數(shù),碳納米管對混凝土的影響規(guī)律不完全相同,總體而言0.05wt%～0.20wt%應(yīng)屬此批次碳納米漿料的合理摻量范圍。

2 鋼筋混凝土半柱低周反復(fù)荷載試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)概況

2.1.1試件設(shè)計

為研究添加碳納米漿料的鋼筋混凝土柱的抗側(cè)性能,本文制作了三個200 mm×200 mm×700 mm的半柱試件,試件底座尺寸為300 mm×300 mm×600 mm。三個試件除碳納米管摻量外,混凝土配合比、配筋等均相同,三個柱試件的碳納米漿料的摻量分別為0.00,0.05wt%和0.20wt%。

通過反復(fù)摸索,本文得到了一種較合理的、適用于工業(yè)級漿料的碳納米混凝土制備方法:先將水泥與粗細(xì)骨料混合并干拌均勻,然后將在工廠分散均勻的碳納米管漿料倒入水中充分混合,在攪拌鍋中加入一半水并慢速攪拌2 min,加入剩余水慢速攪拌1 min,停1 min,最后快速攪拌4 min,而后振搗排除氣泡。本次試驗(yàn)中所有柱試件采用立式澆筑,在自然狀態(tài)下養(yǎng)護(hù)28天,試件配筋及具體尺寸見圖1。

圖1 試件尺寸、配筋及應(yīng)變片位置(單位:mm)Fig.1 Specimen size,reinforcement and strain gauge arrangement (Unit:mm)

2.1.2試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料及混凝土配合比與材性試驗(yàn)相同。實(shí)測混凝土立方體抗壓強(qiáng)度49.2 MPa。半柱試件沿受力方向單側(cè)縱筋312,箍筋φ6@100。縱筋實(shí)測屈服強(qiáng)度342 MPa。

2.1.3加載制度與量測方法

本次試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室50 t反復(fù)荷載試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。加載過程中在豎向軸力保持恒定的同時施加水平反復(fù)荷載。豎向軸力116 kN由液壓千斤頂施加,試件軸壓比 0.5;水平反復(fù)荷載由液壓伺服作動器施加并保持豎向千斤頂與水平作動器同步移動。

根據(jù)胡峰等的研究成果,在半柱低周反復(fù)荷載試驗(yàn)中采用銷絞加載裝置可使豎向加載端及水平加載端的作用點(diǎn)匯交于銷鉸軸,因而可有效模擬全柱試件的反彎點(diǎn)[12]。這種加載裝置由L形傳力件和連接件兩部分組成,兩者通過銷鉸連接。L形傳力件兩端分別連接試驗(yàn)機(jī)的水平向液壓伺服作動器和豎向液壓千斤頂,水平伺服作動器中心線與柱頂垂直距離為19 cm。本文采用這種加載裝置。

試驗(yàn)加載制度參考《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》[13],采取位移荷載綜合控制法。試驗(yàn)開始前進(jìn)行預(yù)加載,驗(yàn)證裝置安裝正確,試件對中。試驗(yàn)過程中,在采集系統(tǒng)上觀察到柱兩側(cè)中任意一側(cè)的縱筋應(yīng)力應(yīng)變曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn),且圖線重新進(jìn)入穩(wěn)定直線段時即判斷為試件縱筋屈服。在荷載下降段取最高荷載的85%為破壞荷載,停止試驗(yàn)。加載裝置見圖2。

圖2 加載裝置設(shè)計與實(shí)物Fig.2 Testing setup

試驗(yàn)布置4個線位移計,柱頂柱底各兩個,每個位移計距柱端部50 mm。箍筋應(yīng)變片分別貼在距柱底60 mm和柱中位置處的箍筋表面,縱筋應(yīng)變片布置在距柱底50 mm處。水平力作用平面內(nèi)豎直粘貼混凝土應(yīng)變片,水平力作用平面外水平粘貼混凝土應(yīng)變片(見圖1)。

2.2 試驗(yàn)現(xiàn)象描述

本文測試的三個柱試件的破壞形態(tài)如圖3所示。其中,1號試件(零摻量)在屈服前有細(xì)裂縫產(chǎn)生,屈服時裂縫數(shù)量較多,最寬裂縫約0.08 mm。屈服時刻柱頂位移為破壞位移的25%左右,混凝土縱向應(yīng)變857με。水平推力達(dá)到峰值時柱頂位移約為破壞位移的60%。在縱筋屈服后水平推力達(dá)到峰值前,柱底座以上30～200 mm范圍內(nèi)裂縫持續(xù)發(fā)展(長度120～150 mm,部分裂縫寬度已超過0.2 mm的寬度限值[14])。當(dāng)柱頂位移達(dá)到極限位移的80%時,柱與基礎(chǔ)相接四角處開始剝落,同時柱正面下部2/3柱高范圍內(nèi)裂縫貫穿,寬度加大。當(dāng)柱頂位移達(dá)到20 mm時,水平荷載值達(dá)到最大值的85%,柱根部混凝土大塊剝落,試件發(fā)生破壞。

圖3 試件破壞形態(tài)Fig.3 Failure patterns

2號試件(碳納米管摻量0.05wt%)屈服前無明顯可見裂縫,屈服時刻相比其它兩個試件裂縫數(shù)量最少,寬度最小 (0.04mm以下) 。屈服時刻柱頂位移為破壞位移的27%左右。水平推力峰值對應(yīng)的柱頂位移約為破壞位移的80%。在柱頂位移達(dá)到屈服位移兩倍時,試件出現(xiàn)20～30 mm長的可見裂縫。隨著水平荷載的不斷施加,裂縫向柱底方向傾斜,柱底50～150 mm范圍內(nèi)的試件正面裂縫變寬并逐漸貫通,大部分裂縫寬度仍在0.2 mm限值范圍內(nèi)。當(dāng)柱頂位移達(dá)到15 mm時,水平荷載值達(dá)到最大值的85%,柱根部表面混凝土開始剝落,新裂縫不再產(chǎn)生。柱整體形態(tài)完整,無明顯剪切破壞。

3號試件(碳納米管摻量0.2wt%)裂縫數(shù)量少于1號試件而多于2號試件。試件第一條寬度為0.02 mm的可見裂縫在加載達(dá)到屈服荷載前后出現(xiàn)。屈服時柱頂位移為破壞位移的24%左右。水平推力峰值對應(yīng)的柱頂位移約為破壞位移的82%。水平推力達(dá)到峰值時,試件表面混凝土開始部分剝落。當(dāng)柱頂位移達(dá)到17 mm時,水平荷載值達(dá)到最大值的85%,柱底以上200～500 mm范圍內(nèi)的裂縫基本貫通,寬度超限并向柱根部發(fā)展,長度達(dá)150 mm以上。此時柱與基礎(chǔ)交界四角處的混凝土開始剝落。

總體而言,在相同的軸壓比下(軸壓比0.5),3個試件的屈服位移均在4～5 mm區(qū)間內(nèi)。碳納米管對低周反復(fù)荷載作用下混凝土柱彈性階段的結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響不大。但加入碳納米管后,試件破壞時柱頂位移減小,開裂時刻推遲,破壞時試件形態(tài)更加完整。

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.3.1滯回曲線

滯回曲線反映了構(gòu)件在反復(fù)荷載作用下的變形特征、剛度退化及能量消耗,是進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震彈塑性動力分析的主要依據(jù),也是結(jié)構(gòu)抗震性能的綜合體現(xiàn)[13]。本文試驗(yàn)中各試件水平荷載-柱頂水平位移的滯回曲線見圖4。由于試件加載過程中的損傷累積以及荷載和構(gòu)件初始不對稱,試驗(yàn)結(jié)果在正反向加載階段有偏差。本次試驗(yàn)中,試件3的滯回曲線不對稱性較明顯,這可能和試件制作和加載精度有關(guān)。

圖4 荷載-位移滯回曲線Fig.4 Load-displacement hysteretic curves

分析圖4可知,碳納米管對試件彈性階段的荷載位移曲線影響不大,三個試件屈服前的圖線均為直線,且相應(yīng)側(cè)移較小。三個試件屈服后位移增大,P-Δ線呈現(xiàn)出明顯的非線性,卸載階段存在殘余變形,試件的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)小于極限強(qiáng)度。三個試件的極限承載力差異不大,加載達(dá)到峰值后,水平方向殘余變形5～10 mm。但添加適量的碳納米管可以使構(gòu)件的滯回曲線更加豐滿。其中2號試件的滯回曲線最飽滿,呈梭形,反映出試件的變形能力強(qiáng),具有良好的耗能能力。而1號試件滯回曲線形狀最不飽滿,包圍面積最小,耗能能力差。3號試件雖存在較大不對稱性,然而在較為完整的反向加載階段,荷載-位移曲線依然具有良好的形狀。

2.3.2能量耗散能力

試件的能量耗散能力是試件抗震性能評價的一個重要指標(biāo),以荷載-變形滯回曲線所包圍面積的大小來衡量。滯回環(huán)越飽滿,曲線包圍面積越大,說明試件的耗能能力越好。能量耗散系數(shù)可按《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》[13]推薦的方法計算,本文的計算結(jié)果見表5。

表5各試件能量耗散系數(shù)

Table 5 Energy dissipation coefficient

2.3.3骨架曲線

骨架曲線是低周反復(fù)荷載試驗(yàn)中每次循環(huán)的荷載-位移曲線峰值點(diǎn)連接后得到的包絡(luò)線。骨架曲線能較全面地反映試件的剛度、承載力和延性等特征,并可用于確定試件的屈服點(diǎn)、最大荷載點(diǎn)以及極限點(diǎn)等特征點(diǎn)。本試驗(yàn)各試件的骨架曲線見圖5,其中,2號和3號試件曲線較平緩,強(qiáng)度的衰減速率較低,損傷累積較慢。

圖5 試件骨架曲線圖Fig.5 Skeleton curve

2.3.4剛度

本文中,混凝土柱的抗側(cè)剛度(用荷載位移曲線的割線剛度表示)按式(1)計算得到:

(1)

式中,Fi是荷載位移曲線第i次峰值點(diǎn)的荷載值;Xi是第i次峰值點(diǎn)的位移值。按上式計算所得結(jié)果如圖6、表6所示。

分析圖6、表6,并取K1為個試件初始割線剛度,可發(fā)現(xiàn)添加碳納米管后，2號試件的初始割線剛度較1號試件提升62.9%，3號試件較1號試件提升288.9%。結(jié)構(gòu)損傷會使試件剛度隨加載級數(shù)的上升而下降,但摻加碳納米管后剛度退化速度會變慢。比較15 mm柱頂位移時三個試件的割線剛度,1號、2號和3號試件分別下降到4.23 kN/mm、4.63 kN/mm和5.09 kN/mm。相對于1號試件，2號和3號試件損傷剛度分別提高9.4%和20.3%。

圖6 試件割線剛度Fig.6 Secant rigidity of the tested specimens

表6試件剛度計算結(jié)果

Table 6 Calculation of specimens’ stiffness

試驗(yàn)還表明,碳納米管對混凝土柱剛度的提升作用會隨著試件的損傷累積而降低。從剛度位移曲線可知,當(dāng)試件柱頂水平位移超過4 mm后,三個試件剛度曲線的下降均趨于平緩,碳納米管對于混凝土柱剛度下降曲線拐點(diǎn)的位置影響不大。

2.3.5延性系數(shù)

延性一般用位移延性系數(shù)和極限層間相對位移角兩個指標(biāo)來表征。按照《建筑抗震試驗(yàn)規(guī)程》[13]中推薦的方法計算,可得本試驗(yàn)中各試件的屈服點(diǎn)、極限點(diǎn)、延性系數(shù)和極限位移角,詳見表7。

由表7可知,添加碳納米管后混凝土柱延性提升,極限轉(zhuǎn)角減小。這主要是因?yàn)樘技{米管對混凝土柱剛度的提升使得試件的屈服位移和極限位移都變小,對于屈服位移影響更大。結(jié)合本文對試驗(yàn)現(xiàn)象的描述可知,采用碳納米管加強(qiáng)混凝土柱可使結(jié)構(gòu)的層間位移角和屈服位移減小,構(gòu)件破壞后的形態(tài)保持更為完整,裂縫數(shù)量也有一定的減少。

表7試件各階段荷載位移值、延性系數(shù)及極限位移角

Table 7 Loads,displacements,ductility and ultimate drift angles of diffevent specimens

注:現(xiàn)行抗震規(guī)范要求在大震(罕遇烈度地震)作用下,鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的層間位移角應(yīng)小于1/50,移延性系數(shù)大于3。

3 結(jié) 論

本文開展了添加工業(yè)級碳納米漿料的混凝土材料力學(xué)性能和鋼筋混凝土柱抗側(cè)性能的試驗(yàn)研究,并總結(jié)了工業(yè)級碳納米漿料的最優(yōu)摻量,以及碳納米鋼筋混凝土柱的剛度、承載力、能量耗散系數(shù)和延性系數(shù)等性能指標(biāo)和碳納米管用量的關(guān)系。

研究結(jié)果表明,添加工業(yè)級碳納米漿料的混凝土柱在低周反復(fù)荷載作用下的破壞模式與普通混凝土柱基本相同,試件滯回環(huán)更加飽滿,摻量為0.05wt%～0.2wt%時,能量耗散系數(shù)提升20%～30%,在同級荷載多次作用下試件的損傷累積速率明顯下降。同時,添加碳納米管的混凝土柱的初始剛度有很大提升,摻量為0.05wt%～0.2wt%時相同位移對應(yīng)的剛度可提升80%左右;試件裂縫出現(xiàn)時間推后,裂縫寬度變細(xì)且長度變短,試件破壞時的完整性大大提高。此外,添加碳納米管后試件的屈服強(qiáng)度略有提升,屈服位移略有下降。延性有較大提升。

由于碳納米混凝土材料及構(gòu)件的力學(xué)性能受碳納米管的分布影響較大,且試驗(yàn)中所用的混凝土質(zhì)量也有一定的變異性,因而本文的主要結(jié)論還需通過更多試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步檢驗(yàn)和修正。

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