碳納米管混凝土抗開裂性能試驗研究

翁梅，王焱，王東煒

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術學院，河南 南陽 473000；2.鄭州大學 土木工程學院)

水泥混凝土是目前運用最為廣泛的建筑工程材料，但其本身存在抗拉強度低、韌性差等缺點，近年來隨著超高強混凝土的推廣使用，工程結構物發(fā)生裂縫是一個普遍性的現象，嚴重影響混凝土結構的耐久性和安全性。目前世界各國因混凝土結構物開裂問題帶來的維修費用居高不下，嚴重制約了土木行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

碳納米管(Carbon Nanotube, CNT)是改善水泥混凝土力學性能的有效組分之一。1991年，Lijima首先通過透射電子顯微鏡發(fā)現碳納米管材料，該種材料屬于一維納米材料，具有優(yōu)異的力學性能，其抗拉強度最高可達200 GPa，彈性模量可達1 TPa。根據結構的不同，碳納米管可分為單壁結構和多壁結構。多壁碳納米管由于制備和提純技術要求不高，且價格相對較低，目前已經得到大規(guī)模的生產和運用。自被發(fā)現以來，碳納米管材料被廣泛地運用于增強陶瓷、合金、聚合物等復合材料，取得了很多實用性的成果。但碳納米管在增強水泥基材料的研究中起步相對較晚?，F有研究表明，碳納米管材料的摻入，可以不同程度地提高水泥基材料的抗拉強度、抗壓強度、彈性模量、斷裂韌性、抗凍性和抗?jié)B透性等。然而，當前有關碳納米管對水泥混凝土的抗開裂性影響的研究還相對較少。

針對水灰比為0.28的水泥混凝土，摻入質量分數為水泥質量的0%、0.2%和0.4%的多壁碳納米管，開展抗折強度試驗、收縮試驗和環(huán)形約束收縮試驗，分析碳納米管摻量對混凝土開裂性能的影響規(guī)律。

1 原材料和試驗方法

1.1 原材料

試驗所用的混凝土材料配合比見表1，混凝土的水灰比為0.28。水泥為普通硅酸鹽水泥P.O.42.5級。粗骨料為連續(xù)級配的石灰石碎石，粒徑范圍為5～12.5 mm。細骨料的細度模數為2.7，屬于中砂。拌和水為自來水。為提高拌和料的工作性，采用聚羧酸鹽系高效減水劑。多壁碳納米管的摻量分別為水泥質量的0%、0.2%和0.4%，其物理參數如表2所示。

表1 混凝土材料配合比

表2 多壁碳納米管的物理指標

制備碳納米管混凝土的方法：稱取所需的碳納米管材料加入拌和水中，手工初步攪拌后將碳納米管水溶液放入頻率為50 kHz的超聲儀水槽中振動25 min，待碳納米管材料均勻分散在水溶液中，將其加入混凝土干料中進行攪拌，攪拌時間為180 s，最后成型相應的測試試件，放在溫度為(20±2)℃，相對濕度為95%的標準養(yǎng)護室內進行養(yǎng)護。

1.2 抗折強度試驗

混凝土抗折強度試驗的試件尺寸為400 mm×100 mm×100 mm，在標準養(yǎng)護至1、3、7和28 d后進行測試，有關測試步驟根據GB/T 50081-2016《普通混凝土力學性能試驗方法標準》進行操作。每組試驗進行3次平行試驗，取平均值為抗折強度。

1.3 收縮試驗

收縮試驗的試件尺寸為400 mm×100 mm×100 mm，在標準養(yǎng)護1 d后，移置恒溫恒濕條件[(20±2)℃，50%±5%]下測試收縮應變，每組試驗進行3次平行試驗，采用千分表讀取收縮應變值，千分表精度為0.001 mm。

1.4 環(huán)形約束試驗

混凝土環(huán)形約束試驗依據ASTM C1581標準進行測試，試驗設備如圖1所示。其中鋼環(huán)的內徑為305 mm，壁厚15 mm?；炷镰h(huán)的內徑為320 mm，壁厚40 mm，高度150 mm?；炷镰h(huán)試件澆筑前，在鋼環(huán)內壁距離底部75 mm，4等分點處貼應變片，通過測試鋼環(huán)因混凝土擠壓作用產生的變形來分析混凝土的抗開裂性能。混凝土環(huán)試件澆筑1 d后拆掉外鋼環(huán)，并置于與收縮試驗相同的環(huán)境進行測試。

圖1 混凝土環(huán)形約束試驗裝置

2 試驗結果與分析

2.1 抗折強度

不同摻量的碳納米管混凝土的抗折強度隨時間發(fā)展結果如圖2所示。

圖2 不同CNT摻量混凝土的抗折強度

由圖2可以看出：① 碳納米管摻量為0%、0.2%和0.4%試驗組的抗折強度均隨著齡期的增加而增大，該現象主要與水泥水化反應隨時間不斷進行有關;② 在碳納米管摻量為0～0.4%的范圍內，不同齡期下摻碳納米管的混凝土的抗折強度均要大于素混凝土的抗折強度，且碳納米管的摻量越大，混凝土的抗折強度越高。其原因與碳納米管在混凝土中起到了預期的增強效果有關。此外，現有研究表明，碳納米管材料在混凝土中存在一個最優(yōu)摻量，一旦超過該摻量，碳納米管混凝土的強度隨著摻量的增加而下降。

由圖2推測可知：對于此次研究采用的混凝土，0～0.4%的碳納米管摻量仍位于最優(yōu)摻量范圍內，且超聲振蕩方式能將碳納米管材料均勻地分散在混凝土中。

2.2 收縮應變

不同摻量的碳納米管混凝土在相對濕度為50%環(huán)境下的收縮應變如圖3所示。

由圖3可知：① 3組試驗的收縮應變均隨著齡期的增加而增大，其原因與混凝土的水化反應消耗水分以及干燥失水有關;② 在0～0.4%碳納米管摻量范圍內，碳納米管的摻量越大，混凝土的收縮應變越小。當碳納米管摻量從0%增加至0.4%時，混凝土50 d的收縮應變可減小18.4%，這與已有研究成果基本吻合。究其原因，混凝土的收縮應變與混凝土內部的微孔(直徑小于20 nm)含量有關，微孔含量越高，混凝土的收縮應變越大。此次研究所用的碳納米管的直徑為10～25 nm，碳納米管在混凝土中能起到填充微孔的效果，減小微孔的含量，從而減小混凝土內部的毛細孔壓力，因此混凝土的收縮應變減小。

圖3 不同CNT摻量混凝土收縮應變

暴露于干燥環(huán)境下的普通混凝土可采用式(1)來表征收縮應變的發(fā)展。研究采用該式對不同摻量混凝土的收縮應變進行擬合，結果如圖3所示，可以看到擬合曲線與實測結果吻合較好，說明碳納米管的摻入并不改變混凝土的收縮機理。

εsh=a1(t-t0)a2+a3(t-td)0.5

(1)

式中：εsh為混凝土收縮應變;a1、a2和a3分別為擬合參數；t0為混凝土的終凝時間；td為混凝土開始干燥的齡期。

2.3 環(huán)形約束開裂性能

不同碳納米管摻量試驗組的鋼環(huán)應變發(fā)展如圖4所示。當混凝土暴露于干燥環(huán)境時，混凝土將發(fā)生收縮，該收縮變形受到鋼環(huán)的約束，混凝土產生拉應力，而鋼環(huán)產生壓應力。圖4中負的鋼環(huán)應變值代表鋼環(huán)受到混凝土擠壓而產生的壓應變。雖然環(huán)形約束試驗不能直接測量混凝土的拉應力發(fā)展，但是通過分析鋼環(huán)的壓應變發(fā)展可以評估混凝土在收縮和徐變等多因素作用下的抗開裂性能。

由圖4可以看出：3組試驗的鋼環(huán)壓應變隨著齡期的增加而增大，當鋼環(huán)的壓應變增大到一定值時，由于混凝土環(huán)的拉應力超過其抗拉強度，混凝土發(fā)生開裂，作用在鋼環(huán)上的壓應力被釋放，因此鋼環(huán)的應變恢復為零。

圖4 鋼環(huán)應變發(fā)展

混凝土環(huán)的抗開裂性能可以根據ASTM C1581標準采用凈開裂時間進行定量表征。圖5匯總了3組試驗的凈開裂時間。

由圖5可以看出：混凝土的凈開裂時間隨著碳納米管摻量增加而增大，當摻量從0%增大至0.4%時，凈開裂時間從10.3 d增加至14.8 d，提高了43.2%，該結果表明：碳納米管的摻入有助提高了混凝土的抗開裂性能。其原因與碳納米管在混凝土中起到橋聯作用有關。這種橋聯作用能夠使均勻分散在混凝土中的碳納米管承受一定的荷載，減小混凝土的受力，因此能有效地延緩混凝土的凈開裂時間，提高混凝土的抗開裂性能。

圖5 混凝土開裂時間與CNT摻量關系

研究還對混凝土環(huán)開裂后的裂縫寬度進行了分析。采用讀數顯微鏡測量裂縫的寬度，3組試驗裂縫寬度的測試均在混凝土齡期達到20 d時進行。測點共計5個，沿高度方向等距分布，如圖6所示，取平均值作為裂縫寬度，3組試驗的裂縫寬度如圖7所示。

圖6 混凝土環(huán)裂縫寬度測試點

圖7 混凝土環(huán)裂縫寬度與CNT摻量關系

由圖7可以看出：混凝土的裂縫寬度隨著碳納米管摻量的增加而減小。當碳納米管摻量從0%增大至0.4%時，裂縫寬度從0.27 mm降低至0.19 mm。該現象表明：碳納米管不僅可以提高混凝土的抗開裂性能，還有利于減小裂縫寬度。

3 結論

(1)在0～0.4%摻量范圍內，混凝土的抗折強度隨著碳納米管摻量的增加而增大，當碳納米管摻量為0.4%時，28 d抗折強度可提高21.3%。

(2)混凝土的收縮應變隨著碳納米管摻量的增加而減小，50 d收縮應變可減小約18.4%，其原因與碳納米管的摻入填充混凝土中的微孔，降低混凝土內部的毛細孔壓力有關。

(3)碳納米管的摻入有助于提高混凝土的抗開裂性能，碳納米管的摻量越大，混凝土的抗開裂性能越好，其原因與碳納米管的橋聯作用有關。