碳納米管增強(qiáng)水泥砂漿在混凝土修補(bǔ)加固中的應(yīng)用研究*

袁振霞，常利武，孫玉周

(中原工學(xué)院，河南鄭州450007)

統(tǒng)計(jì)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(jiàn)的材料，是以其經(jīng)久耐用而著稱(chēng)，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(lái)越多，從而成為土木領(lǐng)域內(nèi)最為關(guān)注的問(wèn)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(kāi)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(gòu)的正常使用，常常需對(duì)在役老混凝土進(jìn)行修補(bǔ)、加固和改造。然而在老混凝土修補(bǔ)、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(guān)鍵，決定著修補(bǔ)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(qiáng)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(xué)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(jí)纖維水泥增強(qiáng)材料在混凝土修補(bǔ)加固中的應(yīng)用。

碳納米管作為復(fù)合材料增強(qiáng)體，預(yù)計(jì)可表現(xiàn)出良好的強(qiáng)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(qiáng)度的試驗(yàn)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(yàn)原料與試驗(yàn)儀器

1.1 試驗(yàn)原料

水泥為42.5普通硅酸鹽水泥;砂為標(biāo)準(zhǔn)砂;粉煤灰符合國(guó)家一級(jí)粉煤灰標(biāo)準(zhǔn);環(huán)氧樹(shù)脂購(gòu)自市場(chǎng);減水劑為FDN高效減水劑;水為自來(lái)水;碳納米管的基本物理參數(shù)見(jiàn)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(biāo)

1.2 試驗(yàn)儀器

精度為0.01 g的電子秤;行星式水泥膠砂攪拌機(jī);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(qiáng)力儀。

2 試驗(yàn)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(zhǎng)徑比，它們之間存在強(qiáng)大的范德華引力(Van de Walls)，導(dǎo)致碳納米管很容易發(fā)生纏繞或團(tuán)聚，甚至團(tuán)聚成彼此有微弱連接面的微米團(tuán)聚體，對(duì)碳納米管增強(qiáng)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(gè)重要指標(biāo)之一。對(duì)此，通過(guò)文獻(xiàn)檢索及對(duì)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(jìn)行碳納米管在水中的分散，實(shí)踐表明得到的分散液均勻良好，不溶物少，符合試驗(yàn)的要求。具體分散方法為:

(1)將稱(chēng)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(chēng)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(jìn)行磁力攪拌15 min(轉(zhuǎn)速為600 r/min);

(3)然后將經(jīng)過(guò)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(hù)

制備工藝如下:

(1)將水泥、標(biāo)準(zhǔn)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(hù)室水中養(yǎng)護(hù)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(dòng)臺(tái)上振動(dòng)成型固化，脫模后在溫度20±3℃，濕度90%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)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(chēng)好材料，先將固態(tài)材料放入攪拌機(jī)中攪拌均勻，再將液態(tài)材料倒入攪拌均勻，得到修補(bǔ)砂漿，新砂漿的添加材料分別為碳納米管、粉煤灰、環(huán)氧樹(shù)脂三類(lèi)。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(bǔ)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(jì)算，環(huán)氧樹(shù)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(bǔ)砂漿之前，需要對(duì)老混凝土的表面進(jìn)行處理，將老混凝土表面損壞的，松動(dòng)的及雜質(zhì)雜物清理干凈，使其露出堅(jiān)固的骨料，形成表面粗糙，更好的反應(yīng)三種不同材料、不同比例的修補(bǔ)砂漿的粘結(jié)效果。這些準(zhǔn)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(bǔ)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(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中按原養(yǎng)護(hù)制度養(yǎng)護(hù)至測(cè)試期。

將按上述方法制備和養(yǎng)護(hù)好的試件取出，在多功能強(qiáng)力儀上拉斷，測(cè)試其抗拉粘結(jié)強(qiáng)度值。

3 數(shù)據(jù)分析與討論

3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過(guò)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)不同的添加物類(lèi)型對(duì)試樣破壞時(shí)的抗拉強(qiáng)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(qiáng)度低于砂漿本體強(qiáng)度;非界面破壞者沿砂漿側(cè)破壞，其砂漿本體抗拉強(qiáng)度低于界面粘結(jié)強(qiáng)度。表3詳細(xì)列出了各項(xiàng)試驗(yàn)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(qiáng)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(shuō)明其砂漿本體強(qiáng)度優(yōu)于界面粘結(jié)強(qiáng)度，其它非界面破壞說(shuō)明其砂漿本體抗拉強(qiáng)度較低。另外，不難發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧樹(shù)脂砂漿與水泥凈漿抗拉強(qiáng)度值明顯低于其他兩類(lèi)砂漿，原因如下:環(huán)氧樹(shù)脂為不溶于水的高分子有機(jī)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(shù)脂在摻入砂漿中時(shí)應(yīng)著重考慮水存在的影響;水泥砂漿中水泥為極細(xì)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(qiáng)度較低，故其試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)較低。

圖1 不同砂漿界面粘結(jié)抗拉強(qiáng)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(lèi)砂漿，說(shuō)明其能夠改善砂漿在混凝土修補(bǔ)粘結(jié)中的作用。

3.3 碳納米管摻量的分析

由試驗(yàn)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(shí)可以看出不同的碳納米管摻量對(duì)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(qiáng)度值先是增大，隨后減小，而后又逐漸增大，當(dāng)碳納米管摻量為0.2wt%時(shí)，其粘結(jié)抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值2.02 MPa，較界面為水泥凈漿時(shí)增加36%;但隨著摻量的繼續(xù)增大，其粘結(jié)抗拉強(qiáng)度值呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，在摻量為0.3wt%時(shí)達(dá)到最低值1.23 MPa，其值低于水泥凈漿抗拉強(qiáng)度值，其后雖隨著摻量增加強(qiáng)度值發(fā)生回升，但回升幅度有限。由于碳納米管價(jià)格昂貴，故從經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)說(shuō)其高摻量帶來(lái)的粘結(jié)強(qiáng)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(shí)，其粘結(jié)強(qiáng)度都有不同程度的降低。

圖2 碳納米管摻量對(duì)修補(bǔ)砂漿強(qiáng)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(bǔ)粘結(jié)強(qiáng)度值，較凈漿強(qiáng)度增幅高達(dá)36%，可以達(dá)到增強(qiáng)修補(bǔ)效果的目的。

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

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