碳納米管增強(qiáng)RPC彎曲疲勞性能

王 鈞， 白雪石， 趙金友， 高琢雅

(東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150040)

活性粉末混凝土(RPC)自發(fā)明以來，被廣泛應(yīng)用于橋梁、鐵路及公路等工程結(jié)構(gòu)，相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)[1]，采用RPC建造的橋梁已超過400座.這些結(jié)構(gòu)在整個(gè)生命周期內(nèi)承受交通、海浪甚至偶然地震等反復(fù)荷載作用，可能發(fā)生疲勞破壞.因此，明確RPC材料在反復(fù)荷載作用下的疲勞特性，提升RPC材料的抗疲勞性能，就顯得尤為重要.

在過去相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，眾多學(xué)者相繼開展了粉煤灰、硅灰、礦渣、鋼纖維、聚丙烯纖維和碳纖維等摻和料對普通混凝土彎曲強(qiáng)度和疲勞性能的影響研究[2-7].近年來，隨著納米材料的興起，有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，在普通混凝土中摻入碳納米管后，其抗壓強(qiáng)度與斷裂韌性顯著增強(qiáng)[8-9]，但關(guān)于碳納米管增強(qiáng)RPC拉伸韌性以及彎曲強(qiáng)度的研究尚不多見[10]，特別是關(guān)于碳納米管增強(qiáng)RPC疲勞性能的研究未見報(bào)道.因此，本文采用三點(diǎn)靜載彎曲與循環(huán)加載方式，研究不同摻量的碳納米管對RPC彎曲強(qiáng)度的提升幅度及其對RPC疲勞性能的影響，探尋提高RPC彎曲強(qiáng)度和疲勞性能的更好途徑.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原材料

水泥采用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，其性能指標(biāo)見表1；鋼纖維直徑0.22mm，長度13mm，抗拉強(qiáng)度不小于2850MPa；碳納米管選用氣相沉積法(CCVD)制備的多壁碳納米管(MWCNTs)，其參數(shù)見表2；減水劑選用減水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，本文所涉及的減水率、摻量、比值等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比)為35%的KY-1型聚羧酸高性能減水劑；摻和料采用Ⅰ級粉煤灰和微硅粉；細(xì)骨料為石英砂和石英粉.

表1 水泥性能指標(biāo)

表2 碳納米管性能指標(biāo)

1.2 試件制作

依據(jù)GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土規(guī)范》選取RPC試驗(yàn)配合比，見表3.選用水膠比mW/mB為0.19，碳納米管摻量w(MWCNTs)分別為膠凝材料質(zhì)量的0%、0.05%、0.10%和0.15%制備試件，試件規(guī)格和數(shù)量見表4.其中：彎曲強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度試件根據(jù)碳納米管的4種摻量分為4組，每組3個(gè)試件；疲勞加載試驗(yàn)的應(yīng)力水平Smax=0.85、0.75、0.65，根據(jù)碳納米管的4種摻量將試件分為4組，每組18個(gè)試件，即每種應(yīng)力水平下各有6個(gè)試件.

表3 RPC試驗(yàn)配合比

表4 試件規(guī)格和數(shù)量

在試件制備過程中，采用水中超聲分散法進(jìn)行碳納米管的分散，分散后的碳納米管溶液呈黑色黏稠漿體，靜置24h后無分層、沉淀狀態(tài).為保證分散后的碳納米管漿體在混凝土中分散均勻，將其加水稀釋后摻入拌和料強(qiáng)制攪拌均勻.試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24h后拆模，經(jīng)90℃高溫蒸汽養(yǎng)護(hù)72h后標(biāo)養(yǎng)至28d.

1.3 試驗(yàn)方法

采用IPC Global UTM-30動態(tài)液壓伺服多功能材料疲勞試驗(yàn)機(jī)，分別對碳納米管增強(qiáng)RPC試件進(jìn)行立方體抗壓、靜載彎曲和彎曲循環(huán)疲勞加載.RPC試件有效跨徑120mm，彎曲加載示意如圖1所示.在彎曲循環(huán)疲勞加載試驗(yàn)中，以應(yīng)力控制方式進(jìn)行等幅正弦波疲勞加載，應(yīng)力水平Smax=0.85、0.75和0.65，加載頻率為15Hz.

圖1 加載示意圖Fig.1 Loading diagram(size:mm)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)

4組立方體抗壓與靜載彎曲試驗(yàn)所測得的28d強(qiáng)度平均值見表5.

表5 各組試件的28d強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表5可見：與基準(zhǔn)組試件RPC-M0相比，碳納米管摻量為0.05%、0.10%的RPC-M05、RPC-M10組試件抗壓強(qiáng)度提升10.95%、16.25%，碳納米管摻量為0.15%的RPC-M15組試件則降低14.19%；RPC-M05組試件的彎曲強(qiáng)度增幅達(dá)12.46%，為4組試件的峰值，隨著碳納米管摻量的進(jìn)一步增加，其彎曲強(qiáng)度增幅出現(xiàn)下降趨勢，RPC-M10組試件的彎曲強(qiáng)度提升6.38%，RPC-M15組試件的彎曲強(qiáng)度則降低3.93%.

對經(jīng)過立方體抗壓試驗(yàn)后的材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描電鏡(SEM)觀察，照片見圖2.由圖2可見：試件RPC-M0的骨料與膠凝材料界面銜接效果較差，存在界面剝離破壞，且自身內(nèi)部存在氣孔，隨著試驗(yàn)荷載增加，內(nèi)部孔隙將貫通形成破壞界面；試件RPC-M05的膠凝材料與骨料界面銜接效果較好但仍存在少量孔洞；試件RPC-M10的骨料與膠凝材料結(jié)合非常緊密，界面黏結(jié)完美，融為一體，孔洞數(shù)量少、孔隙率低；當(dāng)碳納米管摻量達(dá)到0.15%時(shí)，材料內(nèi)部存在大量孔隙且有碳納米管團(tuán)聚現(xiàn)象.

圖2 不同碳納米管摻量下各試件的SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM photos of specimens under different MWCNTs content

SEM觀察結(jié)果表明，適量碳納米管能填充RPC內(nèi)部微孔洞，優(yōu)化骨料與膠凝材料界面黏結(jié)性，但過多摻量的碳納米管會在RPC中產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，致使水化產(chǎn)物存在過多蜂窩狀微觀孔洞與孔隙.同時(shí)，由于碳納米管的中空結(jié)構(gòu)與較大的比表面積[11-12]，其摻入RPC中會奪取RPC水化反應(yīng)所需水分和增大RPC的比表面積，在水膠比不變情況下，RPC材料的流動性將隨著碳納米管摻量的增加有所下降；且碳納米管自身的類纖維特性也會發(fā)揮橋聯(lián)效應(yīng)，致使RPC內(nèi)部各材料之間的黏結(jié)性增大，振搗時(shí)內(nèi)部氣體難以溢出，未溢出氣體會形成較大宏觀孔隙，使材料自身強(qiáng)度降低.分析結(jié)果表明：適量碳納米管能優(yōu)化混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)并提升材料整體性，在RPC受裂界面以網(wǎng)格搭接形式增強(qiáng)其抗裂性能，初裂時(shí)消耗碳納米管自身較高的斷裂能，導(dǎo)致材料開裂強(qiáng)度提升，較大改善RPC力學(xué)性能；但過多摻量的碳納米管會對RPC力學(xué)性能產(chǎn)生負(fù)面影響，致使碳納米管的增強(qiáng)效果存在峰值.

2.2 疲勞性能

進(jìn)行3種應(yīng)力水平(0.85、0.75、0.65)下的疲勞加載試驗(yàn)，測得不同碳納米管摻量下各試件的彎曲疲勞壽命N(每種應(yīng)力水平下有6個(gè)試件，其疲勞壽命用N1～N6表示)，結(jié)果見表6.

表6 各試件的疲勞壽命

由表6可見，在彎曲疲勞荷載循環(huán)作用下，試件的疲勞壽命離散性與疲勞加載次數(shù)呈正相關(guān)；摻入碳納米管能較好改善RPC的抗疲勞性能.為預(yù)測碳納米管增強(qiáng)RPC的疲勞壽命，選擇Weibull分布方程，該方程可簡化為：

ln[ln(1/p)]=lnN-blnNa

(1)

式中各參數(shù)的物理意義見文獻(xiàn)[13].式中l(wèi)n[ln(1/p)]與lnN為線性相關(guān)，可令y=ln[ln(1/p)]，x=lnN，c=-blnNa，則式(1)可寫成：

y=bx+c

(2)

將平均秩作為母體破壞率的估計(jì)量，則母體存活率的估計(jì)量p為:

(3)

式中：i為破壞試件在該組試件中的序號，i=1，2，…，m，m為該碳納米管摻量下疲勞試件母體數(shù)量.

以ln[ln(1/p)]為縱坐標(biāo)，lnN為橫坐標(biāo)，得到ln[ln(1/p)]-lnN關(guān)系曲線，如圖3所示.線性擬合后發(fā)現(xiàn)，不同應(yīng)力水平下，ln[ln(1/p)]與lnN的相關(guān)系數(shù)平均值在0.9以上，表明Weibull分布方程可較好地表述碳納米管增強(qiáng)RPC的彎曲疲勞壽命.

圖3 不同碳納米管摻量下各試件的ln[ln(1/p)]-ln N擬合關(guān)系曲線Fig.3 ln[ln(1/p)]-ln N fitting curves of specimens under different MWCNTs contents

根據(jù)Weibull分布方程，擬合得到不同加載應(yīng)力水平下碳納米管增強(qiáng)RPC的彎曲疲勞壽命曲線，即Smax-N曲線；對Smax與疲勞壽命N取對數(shù)，可得到圖4所示的lgSmax-lnN雙對數(shù)曲線.不同碳納米管摻量下的lgSmax-lnN擬合方程見表7.由表7可見，lgSmax與lnN具有良好的線性關(guān)系，可通過這些擬合方程來準(zhǔn)確預(yù)估碳納米管增強(qiáng)RPC在不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命.不同摻量碳納米管增強(qiáng)RPC的疲勞壽命與應(yīng)力水平的對應(yīng)關(guān)系基本一致，即其疲勞壽命均隨著應(yīng)力水平降低而增大；相同條件下試件RPC-M05的疲勞壽命改善最為顯著.

圖4 lg Smax-ln N線性關(guān)系Fig.4 Linear relationship of lg Smax-ln N

表7 不同碳納米管摻量下各組試件的lg Smax-ln N擬合方程

疲勞壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：相同膠凝材料質(zhì)量下，RPC中摻入一定量的碳納米管可明顯提升其抗疲勞性能，尤其以碳納米管摻量為0.05%時(shí)的提升幅度最為顯著，當(dāng)應(yīng)力水平分別為0.85、0.75和0.65時(shí)，RPC-M05組試件的平均壽命較基準(zhǔn)組試件分別提升20.84%、102.82%和30.03%.值得注意的是，碳納米管增強(qiáng)RPC的疲勞壽命隨碳納米管摻量變化的規(guī)律與彎曲強(qiáng)度改善規(guī)律一致.當(dāng)加載應(yīng)力水平減小至0.65時(shí)，RPC-M05與RPC-M10組試件的疲勞壽命趨于接近，且RPC-M10組試件的疲勞預(yù)估壽命大于RPC-M05組試件.這是由于在一定摻量范圍內(nèi)，試件依靠內(nèi)部更多的碳納米管消耗開裂能量，同時(shí)依靠其附著、包裹作用來增大膠凝材料與骨料、鋼纖維之間的黏結(jié)，抑制裂縫擴(kuò)展，從而改善了低應(yīng)力水平下的RPC疲勞性能.

3 結(jié)論

(1)碳納米管可使RPC的微觀結(jié)構(gòu)和整體性有較好提升，顯著改善骨料與膠凝材料銜接界面；對RPC彎曲強(qiáng)度和疲勞性能均有增強(qiáng)作用且規(guī)律相同，在0.05%摻量時(shí)達(dá)到增幅峰值.

(2)碳納米管增強(qiáng)RPC的立方體抗壓強(qiáng)度與彎曲強(qiáng)度隨著碳納米管摻量的增加呈先增后降趨勢.與基準(zhǔn)組試件RPC-M0相比，碳納米管摻量為0.05%、0.10%的RPC-M05、RPC-M10組試件抗壓強(qiáng)度分別提升10.95%、16.25%，而碳納米管摻量為0.15%的RPC-M15組試件降低14.19%；RPC-M05、RPC-M10組試件的彎曲強(qiáng)度分別提升12.46%與6.38%，而RPC-M15組試件降低3.93%.

(3)碳納米管增強(qiáng)RPC的彎曲疲勞壽命符合Weibull分布模型，其疲勞曲線呈現(xiàn)良好的規(guī)律性.根據(jù)Smax-N曲線擬合的Weibull分布方程，可有效預(yù)測不同應(yīng)力水平下碳納米管增強(qiáng)RPC材料的疲勞壽命.