碳纳米管增强面板混凝土的早龄期自收缩研究

赵志方,郑智宏,赵志刚,吉顺文,施 韬

(1.浙江工业大学 土木工程学院,浙江 杭州 310023;2.浙江传媒学院 媒体工程学院,浙江 杭州 310018;3.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020)

如何防止大体积混凝土开裂一直是土木工程领域的研究热点[1]。混凝土的低导热性会导致混凝土表面散热速率远快于内部,而大体积混凝土硬化过程会释放大量水化热,从而使结构表面与内部温差过大,导致了拉应力的产生,拉应力超过抗拉强度就会使结构开裂,降低结构耐久性[2-3]。导致大体积混凝土开裂的核心因素是混凝土的收缩变形,大体积混凝土开裂也主要是由温度收缩、自生收缩以及干燥收缩引起的。随着低水胶比的高强混凝土的普遍使用,大体积混凝土出现裂缝的时间往往在浇筑后几天内,甚至有的不到一天就有明显裂纹[4]。因此,大体积混凝土更需要注重早期抗裂性能。在这种情况下,干燥收缩的影响就并不那么重要,而温度变形以及自收缩变形对大体积混凝土早龄期开裂的影响则更为突出,研究自收缩变形对提高大体积混凝土早龄期抗裂性能具有非常重要的意义。在一些大坝工程中,常常采用粉煤灰代替部分水泥来降低水化热、预埋冷却管及掺入外加剂等作为控制开裂的措施。相较于其他方法,通过掺入外加剂减少早期自收缩变形来控制大体积混凝土开裂是较为简单、有效和经济的方法,比如膨胀剂、纤维就能有效减小大体积混凝土早龄期自收缩变形。随着近年来纳米材料的兴起,越来越多的研究人员尝试将纳米材料如碳纳米管、碳纳米纤维等作为外加剂掺入混凝土中,研究其对混凝土的性能优化效果。碳纳米管这一纳米材料在1991年被日本学者Iijima所发现[5]。这是一种由具有纳米尺寸和中空结构的石墨烯片组成的新型碳纳米材料,空心碳管的两端由两个球形帽封闭,并具有同心的圆形横截面[6]。碳纳米管根据石墨烯层数不同可以分为单壁碳纳米管(SWCNTs)和多壁碳纳米管(MWCNTs),SWCNTs由单层石墨烯卷成,而MWCNTs由两层及两层以上石墨烯卷成。碳纳米管具有非常优异的力学性能,其杨氏模量约为1 TPa,抗拉强度为50～200 GPa,密度约1.33 g/cm3[6-7]。因其具有优异的力学性能,许多学者对掺碳纳米管的水泥基材料进行了研究,发现碳纳米管的加入可以在一定程度上增强水泥基材料的强度、杨氏模量以及耐久性等[8-11]。

基于此,笔者对掺碳纳米管的大体积混凝土早期自收缩变形进行研究。出于对CNTs增强水泥基材料的现有研究成果考虑,以及CNTs本身具有成核、填充和桥接的特性,将CNTs作为增强剂掺入大体积混凝土中,研究CNTs对大体积混凝土早龄期自收缩性能的影响是一次新颖的尝试,可以进一步揭示碳纳米管在工程领域的应用前景。首先,根据某在建混凝土面板堆石坝工程实际筑坝的原材料和施工配合比,通过掺入外加剂制作了2组面板混凝土试件,即不掺任何外加剂的面板混凝土试件作为BC组,掺0.1% MWCNTs的面板混凝土试件作为CNC组,并基于温度—应力试验,获得恒温模式和温度匹配模式(TMC)下两组试件的温度历程曲线、应变发展曲线;然后,研究CNTs对大体积混凝土早龄期自收缩发展规律的影响;最后,提出面板混凝土早龄期自收缩发展模型,为研究约束状态下面板混凝土的早龄期自收缩发展规律提供参考。

1 温度—应力试验

1.1 试验原材料及配合比

原材料选用普通波特兰水泥P.O42.5和宣城双乐F类Ⅰ级粉煤灰。骨料选用赤坞砂石系统生产的人工碎石,细骨料与粗骨料的密度分别为2.63 kg/m3和2.62 kg/m3。细骨料的细度模数为2.97。粗骨料分5～20 mm和20～40 mm两级,混合比(质量比)为9∶11。采用长安育才生产的聚羧酸盐减水剂和引气剂,掺减水剂或引气剂的混凝土检测性能符合DL/T 5100—2014《水工混凝土外加剂技术规程》标准要求。MWCNTs由南京先丰碳纳米科技公司通过碳的气相沉积(CCVD)生产。两种混凝土配合比如表1所示。

表1 面板混凝土的配合比

1.2 温度—应力试验的养护模式

通过温度—应力试验机对面板混凝土进行早龄期自收缩变形研究,采用了恒温模式和温度匹配模式(TMC),两种温度养护模式下的温度历程输入曲线如图1所示。

图1 面板混凝土温度历程输入曲线Fig.1 Temperature history input curve of concrete panel

1.2.1 TMC模式

模拟大坝内部温升的温度匹配模式(TMC模式)能够客观地对面板混凝土进行抗裂性评价[12]。根据某在建堆石坝面板混凝土工程在施工期的温度养护历程来确定TMC模式温度输入曲线(该大坝的浇筑期平均温度为11 ℃),因此面板混凝土的入模温度设为11 ℃。根据胶凝材料水化热得到面板混凝土的半绝热温升值,以此确定第一个温峰。采用该堆石坝面板混凝土工程所在地的历年最高气温38.7 ℃为第二温峰。维持温峰48 h不变,随后温度以0.45 ℃/h的速率下降,直至试件断裂。温度应力试验机最低设置温度为-15 ℃,受各方面因素影响,降温后未断裂的试件,最终采用机械力强制拉断试件以确定各项开裂参数。

1.2.2 恒温模式

恒温试验主要反映的是混凝土自收缩变形及其引起的约束应力,笔者采用20 ℃恒温养护。面板混凝土试件在模板中完成浇筑后,在硬化过程中会持续温升,此时就需要通过控温模板内的循环介质对试件进行降温,使试件中心温度始终保持在(20±1.5) ℃。根据成熟度理论,20 ℃恒温模式下的混凝土试件龄期即为等效龄期。TMC模式下试件降温时间点为8 d,为保持恒温模式与TMC模式相同的成熟度,将恒温模式试件降温点设为12.31 d,降温速率为0.45 ℃/h。

1.3 温度—应力试验原理

采用闭环计算机控制的温度—应力试验系统原理如图2所示,测试原理参考文献[13-14]。由图2可知:温度—应力试验机包含两个试件的模具,且两个模具形状、大小均一致,试件两端粗中间细,与骨头类似。两个模具分别用来制备自由试件和约束试件。其中自由试件是不受设备的约束作用(其位移不受限制),完全保持自由状态;与自由试件不同的是,约束试件受温度应力试验机完全约束(近似100%约束程度),这是因为约束试件两端有两个夹头,其中一个夹头是固定的,另外一个夹头是活动的,当约束试件一端发生变形达到某一定值(如1 μm),设备中的步进电机可以通过控制约束试件的活动夹头来对试件进行拉压动作,让约束试件的活动端一直保持在初始位置,从而实现对约束试件的近似完全约束。在试验开始前,给两个模具中浇筑混凝土,为了防止混凝土试件与环境发生水分交换引起干燥收缩干扰实验结果,试件的表面需要覆盖塑料薄膜后才能盖上保温模板,安装位移传感器;在试验过程中,温度应力试验机可以通过计算机控制位移传感器、荷载传感器和温度传感器自动记录试验自开始至结束整个过程的两组混凝土试件的应变、应力以及温度发展情况;在试验即将结束时,温度—应力试验机通过温控系统对试件进行强制降温直至试件断裂,降温速率维持恒定,若温度降低到试验设备极限试件还未断裂,试验设备将强制拉断试件,并记录拉断时的应力。

图2 温度-应力试验机系统原理图Fig.2 Schematic diagram of temperature stress testing machine system

2 面板混凝土早龄期自收缩计算

2.1 等效龄期

等效龄期的概念是将变温养护条件下水泥基材料达到相同的成熟度,等效为养护温度是20 ℃恒温条件下的时间[15]。为了确定两种面板混凝土试件早龄期热膨胀系数,需要将TMC模式和恒温养护模式下的实际龄期转化为等效龄期。等效龄期te可根据Freiesleben和Pedersen模型求得,经离散化处理后[16]表达式为

(1)

式中:Ti为混凝土温度,℃;R为理想气体常数,取值8.315 J/mol;Eα为活化能,kJ/mol,其值与温度等因素相关,可参照文献[17]计算得到;Δti为时间间隔,h。

将实际龄期转化为等效龄期后,则原两种面板混凝土试件的试验结果即可转化为在两种温度养护模式下温度和自由试件应变随等效龄期的发展曲线。两组试件的转化结果分别如图3,4所示。图3,4中：με为微应变的单位符号，1 με=10-6ε。

图3 BC混凝土的温度、自由应变随等效龄期的发展曲线Fig.3 Development curve of temperature and free strain with equivalent age of BC concrete

图4 CNC混凝土的温度、自由应变随等效龄期的发展曲线Fig.4 Development curve of temperature and free strain with equivalent age of CNC concrete

2.2 热膨胀系数计算

热膨胀系数是混凝土的固有属性,传统的标准试验方法难以获得混凝土早龄期热膨胀系数。赵志方等[16-17]基于温度应力试验确定了混凝土早期时变热膨胀系数的计算方法,笔者采取这种方法计算面板混凝土的早期热膨胀系数,其计算式为

(2)

式中:αT(te)为等效龄期为te时的热膨胀系数,με/℃;Δε1(te)为在恒温模式下某微段等效龄期内自由试件的应变,με;Δε2(te)为在温度匹配模式下某微段等效龄期内自由试件的应变,με;ΔT1(te)为在恒温模式下某微段等效龄期内自由试件的温度变化,℃;ΔT2(te)为在温度匹配模式下某微段等效龄期内自由试件的温度变化,℃。

由式(2)可知:面板混凝土早龄期热膨胀系数的计算,最终可转化为某一等效龄期时间段内两种温度养护模式下试件的变形差和温度差的计算,即根据不同等效龄期时间段内两种温度养护模式下试件的温度差和变形差画出散点图,拟合散点图得到的斜率为该时间段内的热膨胀系数值。以BC组9.4～11.4 h和11.5～14.5 h这两个等效龄期阶段为例,画出等效龄期阶段对应的应变差—温度差散点图,进而拟合得到的直线的斜率即为该阶段内的热膨胀系数,具体情况如图5所示。

图5 BC面板混凝土的热膨胀系数拟合值Fig.5 Fitting value of thermal expansion coefficient of BC face slab concrete

按照式(2)的热膨胀系数计算方法,根据不同的等效龄期时间段对两种面板混凝土试件在恒温模式和TMC模式下的温度差—应变差进行线性拟合,即可得到两组试件在不同等效龄期区间的热膨胀系数,拟合结果如表2所示。

表2 两种面板混凝土早龄期热膨胀系数值

基于表2所示两种面板混凝土的热膨胀系数值,并考虑成熟度对混凝土热膨胀系数的影响,进一步得出大体积混凝土早龄期热膨胀系数发展模型,计算式为

(3)

式中:αs为热膨胀系数发展稳定值,με/℃;m和n为待拟合参数。结合表2中两组试件热膨胀系数,可得热膨胀系数发展模型参数:BC的αs=8.1,m=17.1,n=-1.4;CNC的αs=6.7,m=1 227.2,n=-2.3。

两种面板混凝土试件的热膨胀系数拟合值以及通过大体积混凝土早龄期热膨胀系数发展模型得到的预测曲线如图6所示。由图6可知:该模型可较好预测大体积混凝土早龄期热膨胀系数发展规律,可利用该模型进行大体积混凝土早龄期温度变形及自收缩变形的分离。

图6 两种面板混凝土等效龄期下的热膨胀系数发展曲线Fig.6 Development curve of thermal expansion coefficient of two kinds of face slab concrete under equivalent age

2.3 自收缩变形分离

得到的两组面板混凝土试件早龄期热膨胀系数发展模型与实测值吻合度较高,可利用该模型得到面板混凝土早龄期的温度变形。由于在试验过程中,试件表面覆盖有一层塑料薄膜,加盖保温模板后,试件与外界无水分交换,自由试件变形仅包含自收缩变形以及温度变形。因此,通过TSTM试验测得的自由试件的应变值减去温度变形,即可得到面板混凝土早龄期自收缩变形发展曲线,变形分离结果如图7所示，自收缩应变εA(te)表达式为

εA(te)=εtot(te)-∑αT(te)ΔT

(4)

式中:εtot(te)为总应变,即自由应变,με;ΔT为温度增量,℃。

图7 两种面板混凝土TMC模式下的温度变形和自收缩变形发展曲线Fig.7 Development curves of temperature deformation and autogenous shrinkage deformation of two kinds of face slab concrete under TMC mode

对BC,CNC在温度匹配模式下的早龄期自收缩变形发展进行对比分析,TMC模式下两种混凝土的自收缩变形如图8所示。

图8 两种面板混凝土TMC模式下的自收缩变形发展曲线Fig.8 Development curves of autogenous shrinkage deformation of two kinds of face slab concrete under TMC mode

由图8可知:虽然在面板混凝土开始养护的最初阶段,两组面板混凝土试件自收缩变形相差不大,但是随着混凝土成熟度的发展,相较于BC组,掺入MWCNTs的CNC组表现出较好的减缩效果。在降温前,BC和CNC的自收缩变形分别达到了-53.0 με和-40.1 με,相较于BC组,CNC组试件的自收缩变形减少了24.3%,CNTs外加剂能够很好地减少面板混凝土早龄期自收缩变形,有利于面板混凝土早龄期抗裂。CNTs外加剂对面板混凝土自收缩变形的抑制作用可能体现在以下两个方面:一方面,收缩的发展与早期黏合剂中细孔(直径小于20 nm的细孔)的数量成正比,而CNTs的成核、填充作用可以减少胶凝体系中细孔的数量,使得毛细应力减小,导致自收缩变形减小[18];另一方面,CNTs本身有很高的长径比,具有桥接裂纹特性,这种作用可以对面板混凝土早期自收缩的发展产生约束作用,从而抑制面板混凝土早龄期自收缩变形[19-20]。

3 面板混凝土早龄期自收缩发展模型

基于TSTM试验所测数据,并考虑面板混凝土成熟度发展对早龄期自收缩变形的影响,提出面板混凝土早龄期自收缩发展模型,表达式为

(5)

式中:εA(te)为等效龄期时刻面板混凝土的自收缩应变值;ε0为面板混凝土自收缩最终稳定值;μ和η为待拟合系数。最终确定的两种面板混凝土自收缩发展模型的参数:BC的ε0=-51.64,μ=60.11,η=1.6;CNC的ε0=-38.83,μ=21.2,η=1.1。

两种面板混凝土的自收缩应变实际值以及由笔者提出的自收缩发展模型得到的自收缩发展预测曲线如图9所示。由图9可知:笔者自收缩发展模型得到的预测曲线与自收缩应变实际值吻合程度较高,可利用该模型预测大体积混凝土早龄期自收缩发展规律。

图9 两种面板混凝土试件早龄期自收缩变形实际值与预测曲线Fig.9 Measured values and predicted curves of autogenous shrinkage deformation of two kinds of panel concrete specimens at early age

4 结 论

采用TMC模式和恒温模式两种温度历程养护模式,进行基准面板混凝土和掺碳纳米管面板混凝土的温度应力试验。从早龄期自由应变中近似分离温度变形,可得到两种大坝混凝土的早期自收缩变形。根据早期自收缩变形的结果可知掺入碳纳米管能够有效减小面板混凝土早期自收缩变形。相较于基准混凝土,掺碳纳米管面板混凝土早期自收缩变形减少了24.3%。仅从自收缩这个角度看,碳纳米管作为外加剂有利于面板混凝土早期抗裂。此外,还提出了两种面板混凝土早龄期自收缩发展模型,经过验证笔者模型与自收缩实际值吻合程度较高,可用于预测大体积混凝土早龄期自收缩变形发展规律,从而用于其早龄期开裂风险评估。