碳納米管增強面板混凝土的早齡期自收縮研究

趙志方,鄭智宏,趙志剛,吉順文,施 韜

(1.浙江工業大學 土木工程學院,浙江 杭州 310023;2.浙江傳媒學院 媒體工程學院,浙江 杭州 310018;3.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

如何防止大體積混凝土開裂一直是土木工程領域的研究熱點[1]?；炷恋牡蛯嵝詴е禄炷帘砻嫔崴俾蔬h快于內部,而大體積混凝土硬化過程會釋放大量水化熱,從而使結構表面與內部溫差過大,導致了拉應力的產生,拉應力超過抗拉強度就會使結構開裂,降低結構耐久性[2-3]。導致大體積混凝土開裂的核心因素是混凝土的收縮變形,大體積混凝土開裂也主要是由溫度收縮、自生收縮以及干燥收縮引起的。隨著低水膠比的高強混凝土的普遍使用,大體積混凝土出現裂縫的時間往往在澆筑后幾天內,甚至有的不到一天就有明顯裂紋[4]。因此,大體積混凝土更需要注重早期抗裂性能。在這種情況下,干燥收縮的影響就并不那么重要,而溫度變形以及自收縮變形對大體積混凝土早齡期開裂的影響則更為突出,研究自收縮變形對提高大體積混凝土早齡期抗裂性能具有非常重要的意義。在一些大壩工程中,常常采用粉煤灰代替部分水泥來降低水化熱、預埋冷卻管及摻入外加劑等作為控制開裂的措施。相較于其他方法,通過摻入外加劑減少早期自收縮變形來控制大體積混凝土開裂是較為簡單、有效和經濟的方法,比如膨脹劑、纖維就能有效減小大體積混凝土早齡期自收縮變形。隨著近年來納米材料的興起,越來越多的研究人員嘗試將納米材料如碳納米管、碳納米纖維等作為外加劑摻入混凝土中,研究其對混凝土的性能優化效果。碳納米管這一納米材料在1991年被日本學者Iijima所發現[5]。這是一種由具有納米尺寸和中空結構的石墨烯片組成的新型碳納米材料,空心碳管的兩端由兩個球形帽封閉,并具有同心的圓形橫截面[6]。碳納米管根據石墨烯層數不同可以分為單壁碳納米管(SWCNTs)和多壁碳納米管(MWCNTs),SWCNTs由單層石墨烯卷成,而MWCNTs由兩層及兩層以上石墨烯卷成。碳納米管具有非常優異的力學性能,其楊氏模量約為1 TPa,抗拉強度為50～200 GPa,密度約1.33 g/cm3[6-7]。因其具有優異的力學性能,許多學者對摻碳納米管的水泥基材料進行了研究,發現碳納米管的加入可以在一定程度上增強水泥基材料的強度、楊氏模量以及耐久性等[8-11]。

基于此,筆者對摻碳納米管的大體積混凝土早期自收縮變形進行研究。出于對CNTs增強水泥基材料的現有研究成果考慮,以及CNTs本身具有成核、填充和橋接的特性,將CNTs作為增強劑摻入大體積混凝土中,研究CNTs對大體積混凝土早齡期自收縮性能的影響是一次新穎的嘗試,可以進一步揭示碳納米管在工程領域的應用前景。首先,根據某在建混凝土面板堆石壩工程實際筑壩的原材料和施工配合比,通過摻入外加劑制作了2組面板混凝土試件,即不摻任何外加劑的面板混凝土試件作為BC組,摻0.1% MWCNTs的面板混凝土試件作為CNC組,并基于溫度—應力試驗,獲得恒溫模式和溫度匹配模式(TMC)下兩組試件的溫度歷程曲線、應變發展曲線;然后,研究CNTs對大體積混凝土早齡期自收縮發展規律的影響;最后,提出面板混凝土早齡期自收縮發展模型,為研究約束狀態下面板混凝土的早齡期自收縮發展規律提供參考。

1 溫度—應力試驗

1.1 試驗原材料及配合比

原材料選用普通波特蘭水泥P.O42.5和宣城雙樂F類Ⅰ級粉煤灰。骨料選用赤塢砂石系統生產的人工碎石,細骨料與粗骨料的密度分別為2.63 kg/m3和2.62 kg/m3。細骨料的細度模數為2.97。粗骨料分5～20 mm和20～40 mm兩級,混合比(質量比)為9∶11。采用長安育才生產的聚羧酸鹽減水劑和引氣劑,摻減水劑或引氣劑的混凝土檢測性能符合DL/T 5100—2014《水工混凝土外加劑技術規程》標準要求。MWCNTs由南京先豐碳納米科技公司通過碳的氣相沉積(CCVD)生產。兩種混凝土配合比如表1所示。

表1 面板混凝土的配合比

1.2 溫度—應力試驗的養護模式

通過溫度—應力試驗機對面板混凝土進行早齡期自收縮變形研究,采用了恒溫模式和溫度匹配模式(TMC),兩種溫度養護模式下的溫度歷程輸入曲線如圖1所示。

圖1 面板混凝土溫度歷程輸入曲線Fig.1 Temperature history input curve of concrete panel

1.2.1 TMC模式

模擬大壩內部溫升的溫度匹配模式(TMC模式)能夠客觀地對面板混凝土進行抗裂性評價[12]。根據某在建堆石壩面板混凝土工程在施工期的溫度養護歷程來確定TMC模式溫度輸入曲線(該大壩的澆筑期平均溫度為11 ℃),因此面板混凝土的入模溫度設為11 ℃。根據膠凝材料水化熱得到面板混凝土的半絕熱溫升值,以此確定第一個溫峰。采用該堆石壩面板混凝土工程所在地的歷年最高氣溫38.7 ℃為第二溫峰。維持溫峰48 h不變,隨后溫度以0.45 ℃/h的速率下降,直至試件斷裂。溫度應力試驗機最低設置溫度為-15 ℃,受各方面因素影響,降溫后未斷裂的試件,最終采用機械力強制拉斷試件以確定各項開裂參數。

1.2.2 恒溫模式

恒溫試驗主要反映的是混凝土自收縮變形及其引起的約束應力,筆者采用20 ℃恒溫養護。面板混凝土試件在模板中完成澆筑后,在硬化過程中會持續溫升,此時就需要通過控溫模板內的循環介質對試件進行降溫,使試件中心溫度始終保持在(20±1.5) ℃。根據成熟度理論,20 ℃恒溫模式下的混凝土試件齡期即為等效齡期。TMC模式下試件降溫時間點為8 d,為保持恒溫模式與TMC模式相同的成熟度,將恒溫模式試件降溫點設為12.31 d,降溫速率為0.45 ℃/h。

1.3 溫度—應力試驗原理

采用閉環計算機控制的溫度—應力試驗系統原理如圖2所示,測試原理參考文獻[13-14]。由圖2可知:溫度—應力試驗機包含兩個試件的模具,且兩個模具形狀、大小均一致,試件兩端粗中間細,與骨頭類似。兩個模具分別用來制備自由試件和約束試件。其中自由試件是不受設備的約束作用(其位移不受限制),完全保持自由狀態;與自由試件不同的是,約束試件受溫度應力試驗機完全約束(近似100%約束程度),這是因為約束試件兩端有兩個夾頭,其中一個夾頭是固定的,另外一個夾頭是活動的,當約束試件一端發生變形達到某一定值(如1 μm),設備中的步進電機可以通過控制約束試件的活動夾頭來對試件進行拉壓動作,讓約束試件的活動端一直保持在初始位置,從而實現對約束試件的近似完全約束。在試驗開始前,給兩個模具中澆筑混凝土,為了防止混凝土試件與環境發生水分交換引起干燥收縮干擾實驗結果,試件的表面需要覆蓋塑料薄膜后才能蓋上保溫模板,安裝位移傳感器;在試驗過程中,溫度應力試驗機可以通過計算機控制位移傳感器、荷載傳感器和溫度傳感器自動記錄試驗自開始至結束整個過程的兩組混凝土試件的應變、應力以及溫度發展情況;在試驗即將結束時,溫度—應力試驗機通過溫控系統對試件進行強制降溫直至試件斷裂,降溫速率維持恒定,若溫度降低到試驗設備極限試件還未斷裂,試驗設備將強制拉斷試件,并記錄拉斷時的應力。

圖2 溫度-應力試驗機系統原理圖Fig.2 Schematic diagram of temperature stress testing machine system

2 面板混凝土早齡期自收縮計算

2.1 等效齡期

等效齡期的概念是將變溫養護條件下水泥基材料達到相同的成熟度,等效為養護溫度是20 ℃恒溫條件下的時間[15]。為了確定兩種面板混凝土試件早齡期熱膨脹系數,需要將TMC模式和恒溫養護模式下的實際齡期轉化為等效齡期。等效齡期te可根據Freiesleben和Pedersen模型求得,經離散化處理后[16]表達式為

(1)

式中:Ti為混凝土溫度,℃;R為理想氣體常數,取值8.315 J/mol;Eα為活化能,kJ/mol,其值與溫度等因素相關,可參照文獻[17]計算得到;Δti為時間間隔,h。

將實際齡期轉化為等效齡期后,則原兩種面板混凝土試件的試驗結果即可轉化為在兩種溫度養護模式下溫度和自由試件應變隨等效齡期的發展曲線。兩組試件的轉化結果分別如圖3,4所示。圖3,4中：με為微應變的單位符號，1 με=10-6ε。

圖3 BC混凝土的溫度、自由應變隨等效齡期的發展曲線Fig.3 Development curve of temperature and free strain with equivalent age of BC concrete

圖4 CNC混凝土的溫度、自由應變隨等效齡期的發展曲線Fig.4 Development curve of temperature and free strain with equivalent age of CNC concrete

2.2 熱膨脹系數計算

熱膨脹系數是混凝土的固有屬性,傳統的標準試驗方法難以獲得混凝土早齡期熱膨脹系數。趙志方等[16-17]基于溫度應力試驗確定了混凝土早期時變熱膨脹系數的計算方法,筆者采取這種方法計算面板混凝土的早期熱膨脹系數,其計算式為

(2)

式中:αT(te)為等效齡期為te時的熱膨脹系數,με/℃;Δε1(te)為在恒溫模式下某微段等效齡期內自由試件的應變,με;Δε2(te)為在溫度匹配模式下某微段等效齡期內自由試件的應變,με;ΔT1(te)為在恒溫模式下某微段等效齡期內自由試件的溫度變化,℃;ΔT2(te)為在溫度匹配模式下某微段等效齡期內自由試件的溫度變化,℃。

由式(2)可知:面板混凝土早齡期熱膨脹系數的計算,最終可轉化為某一等效齡期時間段內兩種溫度養護模式下試件的變形差和溫度差的計算,即根據不同等效齡期時間段內兩種溫度養護模式下試件的溫度差和變形差畫出散點圖,擬合散點圖得到的斜率為該時間段內的熱膨脹系數值。以BC組9.4～11.4 h和11.5～14.5 h這兩個等效齡期階段為例,畫出等效齡期階段對應的應變差—溫度差散點圖,進而擬合得到的直線的斜率即為該階段內的熱膨脹系數,具體情況如圖5所示。

圖5 BC面板混凝土的熱膨脹系數擬合值Fig.5 Fitting value of thermal expansion coefficient of BC face slab concrete

按照式(2)的熱膨脹系數計算方法,根據不同的等效齡期時間段對兩種面板混凝土試件在恒溫模式和TMC模式下的溫度差—應變差進行線性擬合,即可得到兩組試件在不同等效齡期區間的熱膨脹系數,擬合結果如表2所示。

表2 兩種面板混凝土早齡期熱膨脹系數值

基于表2所示兩種面板混凝土的熱膨脹系數值,并考慮成熟度對混凝土熱膨脹系數的影響,進一步得出大體積混凝土早齡期熱膨脹系數發展模型,計算式為

(3)

式中:αs為熱膨脹系數發展穩定值,με/℃;m和n為待擬合參數。結合表2中兩組試件熱膨脹系數,可得熱膨脹系數發展模型參數:BC的αs=8.1,m=17.1,n=-1.4;CNC的αs=6.7,m=1 227.2,n=-2.3。

兩種面板混凝土試件的熱膨脹系數擬合值以及通過大體積混凝土早齡期熱膨脹系數發展模型得到的預測曲線如圖6所示。由圖6可知:該模型可較好預測大體積混凝土早齡期熱膨脹系數發展規律,可利用該模型進行大體積混凝土早齡期溫度變形及自收縮變形的分離。

圖6 兩種面板混凝土等效齡期下的熱膨脹系數發展曲線Fig.6 Development curve of thermal expansion coefficient of two kinds of face slab concrete under equivalent age

2.3 自收縮變形分離

得到的兩組面板混凝土試件早齡期熱膨脹系數發展模型與實測值吻合度較高,可利用該模型得到面板混凝土早齡期的溫度變形。由于在試驗過程中,試件表面覆蓋有一層塑料薄膜,加蓋保溫模板后,試件與外界無水分交換,自由試件變形僅包含自收縮變形以及溫度變形。因此,通過TSTM試驗測得的自由試件的應變值減去溫度變形,即可得到面板混凝土早齡期自收縮變形發展曲線,變形分離結果如圖7所示，自收縮應變εA(te)表達式為

εA(te)=εtot(te)-∑αT(te)ΔT

(4)

式中:εtot(te)為總應變,即自由應變,με;ΔT為溫度增量,℃。

圖7 兩種面板混凝土TMC模式下的溫度變形和自收縮變形發展曲線Fig.7 Development curves of temperature deformation and autogenous shrinkage deformation of two kinds of face slab concrete under TMC mode

對BC,CNC在溫度匹配模式下的早齡期自收縮變形發展進行對比分析,TMC模式下兩種混凝土的自收縮變形如圖8所示。

圖8 兩種面板混凝土TMC模式下的自收縮變形發展曲線Fig.8 Development curves of autogenous shrinkage deformation of two kinds of face slab concrete under TMC mode

由圖8可知:雖然在面板混凝土開始養護的最初階段,兩組面板混凝土試件自收縮變形相差不大,但是隨著混凝土成熟度的發展,相較于BC組,摻入MWCNTs的CNC組表現出較好的減縮效果。在降溫前,BC和CNC的自收縮變形分別達到了-53.0 με和-40.1 με,相較于BC組,CNC組試件的自收縮變形減少了24.3%,CNTs外加劑能夠很好地減少面板混凝土早齡期自收縮變形,有利于面板混凝土早齡期抗裂。CNTs外加劑對面板混凝土自收縮變形的抑制作用可能體現在以下兩個方面:一方面,收縮的發展與早期黏合劑中細孔(直徑小于20 nm的細孔)的數量成正比,而CNTs的成核、填充作用可以減少膠凝體系中細孔的數量,使得毛細應力減小,導致自收縮變形減小[18];另一方面,CNTs本身有很高的長徑比,具有橋接裂紋特性,這種作用可以對面板混凝土早期自收縮的發展產生約束作用,從而抑制面板混凝土早齡期自收縮變形[19-20]。

3 面板混凝土早齡期自收縮發展模型

基于TSTM試驗所測數據,并考慮面板混凝土成熟度發展對早齡期自收縮變形的影響,提出面板混凝土早齡期自收縮發展模型,表達式為

(5)

式中:εA(te)為等效齡期時刻面板混凝土的自收縮應變值;ε0為面板混凝土自收縮最終穩定值;μ和η為待擬合系數。最終確定的兩種面板混凝土自收縮發展模型的參數:BC的ε0=-51.64,μ=60.11,η=1.6;CNC的ε0=-38.83,μ=21.2,η=1.1。

兩種面板混凝土的自收縮應變實際值以及由筆者提出的自收縮發展模型得到的自收縮發展預測曲線如圖9所示。由圖9可知:筆者自收縮發展模型得到的預測曲線與自收縮應變實際值吻合程度較高,可利用該模型預測大體積混凝土早齡期自收縮發展規律。

圖9 兩種面板混凝土試件早齡期自收縮變形實際值與預測曲線Fig.9 Measured values and predicted curves of autogenous shrinkage deformation of two kinds of panel concrete specimens at early age

4 結 論

采用TMC模式和恒溫模式兩種溫度歷程養護模式,進行基準面板混凝土和摻碳納米管面板混凝土的溫度應力試驗。從早齡期自由應變中近似分離溫度變形,可得到兩種大壩混凝土的早期自收縮變形。根據早期自收縮變形的結果可知摻入碳納米管能夠有效減小面板混凝土早期自收縮變形。相較于基準混凝土,摻碳納米管面板混凝土早期自收縮變形減少了24.3%。僅從自收縮這個角度看,碳納米管作為外加劑有利于面板混凝土早期抗裂。此外,還提出了兩種面板混凝土早齡期自收縮發展模型,經過驗證筆者模型與自收縮實際值吻合程度較高,可用于預測大體積混凝土早齡期自收縮變形發展規律,從而用于其早齡期開裂風險評估。