碳纳米管增强水泥砂浆在混凝土修补加固中的应用研究*

袁振霞，常利武，孙玉周

(中原工学院，河南郑州450007)

统计数据显示世界每年生产的混凝土都有上百亿吨，混凝土作为土木水利工程中最常见的材料，是以其经久耐用而著称，然而随着使用环境的多样化，混凝土受侵蚀引起事故的情况越来越多，从而成为土木领域内最为关注的问题之一。比如:在人为和自然环境的作用下，混凝土材料易发生老化、开裂、碳化、冻融剥蚀等损伤或弱化，影响其服役年限。为不影响结构的正常使用，常常需对在役老混凝土进行修补、加固和改造。然而在老混凝土修补、加固和改造工程中，新老混凝土界面的粘结性能是新老混凝土作为整体工作的关键，决定着修补效果的优劣［1-4］。影响新老混凝土界面粘结性能的因素很多，其中新混凝土收缩产生的微裂纹是粘结强度降低的主要原因之一［1］。为此，除选用收缩小的材料外，许多学者尝试采用多种方法以提高新老混凝土界面层的粘结性能，如在新混凝土中加入短碳纤维［5］、界面剂采用粉煤灰砂浆［6］、在新老砂浆界面间加入丁苯聚合物改性水泥砂浆［7］、采用新型AS界面剂［8］等的研究。本文研究了碳纳米管作为一种新型的纳米级纤维水泥增强材料在混凝土修补加固中的应用。

碳纳米管作为复合材料增强体，预计可表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，本文采用8字形新老砂浆抗拉粘结强度的试验方法，研究了不同界面粘结材料、不同配比条件下的粘结性能，以期找到粘结性能良好的新老砂浆界面粘结材料及其较佳配合比。

1 试验原料与试验仪器

1.1 试验原料

水泥为42.5普通硅酸盐水泥;砂为标准砂;粉煤灰符合国家一级粉煤灰标准;环氧树脂购自市场;减水剂为FDN高效减水剂;水为自来水;碳纳米管的基本物理参数见表1;分散剂为聚乙烯吡咯烷酮(PVP);消泡剂为磷酸三丁酯(TBP)溶液。

表1 碳纳米管的物理参数指标

1.2 试验仪器

精度为0.01 g的电子秤;行星式水泥胶砂搅拌机;HJ-5型磁力搅拌器;BX3300LH型超声波清洗器;模具为8字型砂浆模具;多功能强力仪。

2 试验方法

2.1 碳纳米管的分散方法

碳纳米管尺寸虽小，却具有巨大的比表面积及很高的长径比，它们之间存在强大的范德华引力(Van de Walls)，导致碳纳米管很容易发生缠绕或团聚，甚至团聚成彼此有微弱连接面的微米团聚体，对碳纳米管增强水泥基粘结材料而言，碳纳米管在水体溶液中的分散均匀性是影响材料性能的一个重要指标之一。对此，通过文献检索及对比分析分散效果，最终确定以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)做为分散剂，磁力搅拌并超声波处理的方法进行碳纳米管在水中的分散，实践表明得到的分散液均匀良好，不溶物少，符合试验的要求。具体分散方法为:

(1)将称量好的分散剂加入到盛有适量水的烧杯中，加热至60℃保持恒温直至完全溶解，然后将称量好的碳纳米管加入到溶液中;

(2)再将混合液在磁力搅拌器上进行磁力搅拌15 min(转速为600 r/min);

(3)然后将经过高速磁力搅拌后的碳纳米管分散液放入超声波清洗器中超声处理20 min(超声频率为40 kHz);

(4)将分散好的溶液放在室温下冷却，加入适量消泡剂备用。

2.2 试件制备与养护

制备工艺如下:

(1)将水泥、标准砂和水以质量比1∶3∶0.4倒入搅拌锅内先干拌均匀，再加水湿拌;

(2)养护室水中养护试模采用8字模，并在中部截面处插入5.0 mm厚的钢隔板;

(3)将砂浆拌和物浇入模具并在振动台上振动成型固化，脱模后在温度20±3℃，湿度90%以上的标准养护室中养护28 d，得到半8字型老砂浆粘结试件。

表2 试样配合比/wt%

按表2中的配合比称好材料，先将固态材料放入搅拌机中搅拌均匀，再将液态材料倒入搅拌均匀，得到修补砂浆，新砂浆的添加材料分别为碳纳米管、粉煤灰、环氧树脂三类。将不同掺量的碳纳米管分散到水中得到均匀的分散液，作为液态材料添加到修补砂浆中;粉煤灰作为胶凝材料按水泥用量的不同比例加入到新砂浆中，掺入粉煤灰后砂浆的水灰比按水泥和粉煤灰的总掺加量计算，环氧树脂按水泥用量的50%与固化剂拌合均匀后掺入拌制好的砂浆中。

浇筑修补砂浆之前，需要对老混凝土的表面进行处理，将老混凝土表面损坏的，松动的及杂质杂物清理干净，使其露出坚固的骨料，形成表面粗糙，更好的反应三种不同材料、不同比例的修补砂浆的粘结效果。这些准备工作做好之后就可以将得到的搅拌均匀的三种不同材料、不同比例的修补砂浆浇筑到8字型模具的空隙部分，捣筑成型，1d后拆模，放入标准养护箱中按原养护制度养护至测试期。

将按上述方法制备和养护好的试件取出，在多功能强力仪上拉断，测试其抗拉粘结强度值。

3 数据分析与讨论

3.1 试验数据

通过试验可以发现不同的添加物类型对试样破坏时的抗拉强度值影响不同，界面破坏形式也各有所异，界面破坏者沿新老砂浆粘结界面被拉断，其新老界面粘结强度低于砂浆本体强度;非界面破坏者沿砂浆侧破坏，其砂浆本体抗拉强度低于界面粘结强度。表3详细列出了各项试验数据及破坏结果。

表3 不同砂浆界面剂下新老砂浆粘结界面抗拉强度平均值

3.2 数据分析

由表3可以看出，掺碳纳米管的粘结砂浆及低掺量的粉煤灰粘结砂浆为界面破坏，说明其砂浆本体强度优于界面粘结强度，其它非界面破坏说明其砂浆本体抗拉强度较低。另外，不难发现，环氧树脂砂浆与水泥净浆抗拉强度值明显低于其他两类砂浆，原因如下:环氧树脂为不溶于水的高分子有机物，其在室温大掺量情况下与水不能很好地融合，以致不能很好的发挥其优良的固化粘结性能，因此，环氧树脂在掺入砂浆中时应着重考虑水存在的影响;水泥砂浆中水泥为极细的颗粒，其能够渗入到老砂浆中去形成较好的界面粘结，但其本体抗拉强度较低，故其试验测试数据较低。

图1 不同砂浆界面粘结抗拉强度最大值

由图1可以得知，掺碳纳米管和粉煤灰的砂浆粘结性能明显优于其它两类砂浆，说明其能够改善砂浆在混凝土修补粘结中的作用。

3.3 碳纳米管掺量的分析

由试验数据可以得知碳纳米管能够明显改善砂浆的粘结性能，同时可以看出不同的碳纳米管掺量对粘结性能的改善作用有所不同。

由图3可以看出，随着碳纳米管掺量的增加，其界面抗拉强度值先是增大，随后减小，而后又逐渐增大，当碳纳米管掺量为0.2wt%时，其粘结抗拉强度达到最大值2.02 MPa，较界面为水泥净浆时增加36%;但随着掺量的继续增大，其粘结抗拉强度值呈现出下降趋势，在掺量为0.3wt%时达到最低值1.23 MPa，其值低于水泥净浆抗拉强度值，其后虽随着掺量增加强度值发生回升，但回升幅度有限。由于碳纳米管价格昂贵，故从经济的角度来说其高掺量带来的粘结强度增加并不可取，即碳纳米管最优掺加量为0.2wt%，但掺量高于或低于此值时，其粘结强度都有不同程度的降低。

图2 碳纳米管掺量对修补砂浆强度的影响

4 结论

(1)掺入碳纳米管能够显著改善新老砂浆的界面粘结性能，提高修补粘结强度值，较净浆强度增幅高达36%，可以达到增强修补效果的目的。

(2)不同的碳纳米管掺量对粘结强度提高效果不同，随着掺量的增加，其抗拉强度值有所提高，但超过临界值后，其粘结性能下降，此后增幅亦不再明显。试验结果表明，碳纳米管掺量最优值为0.2wt%。

［1］程红强.新老混凝土粘结面冻融劈拉实验研究［J］.四川建筑科学研究，2007(2):60-62.

［2］赵国藩，赵志方，袁群，等.新老混凝土粘结机理和测试方法研究［R］//国家基础性研究重大项目(攀登计划B)之5.2(1)课题1998年年度总结报告.大连:大连理工大学，1997.

［3］刘金伟，谢慧才.修补后龄期对新老混凝土粘结强度的影响［J］.土木工程学报，2001，34(1):30-32.

［4］Geng ying Li A new w ay to in crease the long-term bond strength of new-to-old concrete by the use of fly ash［J］.Cement and Concrete Research，2003，33:799-806.

［5］Chen Pu-Woei，Fu Xu-li.Improving the bonding between old and new concrete by adding carbon fibers to the new concrete［J］.Cement and Concrete Research，1995，25(3):491-496.

［6］李庚英，谢慧才.一种改善新老混凝土修补界面长期性能的方法［J］.工业建筑，2002(9):54-56.

［7］农金龙，彭勃，黄政宇，等.丁苯砂浆界面粘结及强度试验分析［J］.建筑结构，2009(4):60-64.

［8］冯颖慧，张梦芳，孔德玉，等.新型AS界面剂对新老混凝土界面粘结性能的影响及机理［J］.新型建筑材料，2010(1):5-10.