碳納米管改善面板混凝土早齡期變形研究

趙志方,鄭 康,趙志剛,施 韜,郝信凱

(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)

我國作為世界上水資源最豐富的國家之一,已建成近10萬座水庫大壩。隨著筑壩科學技術的飛速發展,壩體已由重力壩轉變為輕巧的混凝土面板堆石壩?；炷撩姘宥咽瘔坞m然具有抗滑、穩定性好、透水性好和施工導流方便等諸多優點,但同時也存在大型薄板混凝土結構早齡期開裂的缺點[1-3]。面板混凝土(FSC)早齡期開裂一般是由約束狀態下混凝土內部拉應力引起的,當其超過混凝土自身抗拉強度時將導致早齡期開裂。然而,在約束條件下FSC早齡期的應力發展主要取決于早齡期變形的發展歷程,包括自收縮變形、溫度變形和徐變變形。陳波等[4]研究發現:約束狀態下早齡期混凝土隨著水泥水化的進行先產生短暫的收縮變形,隨后膨脹產生壓應力,達到水化溫峰后溫度不斷降低,混凝土開始收縮產生拉應力,若超過極限拉應力,混凝土將開裂。在以往的施工過程中,為了解決大體積混凝土早齡期開裂問題,一般會采用冷卻骨料、倉面噴霧、混凝土拌合加冰、混凝土中鋪設冷卻管以及采用粉煤灰等傳統措施[5]。然而這些方法對工程成本控制、質量控制和進度控制都是不利的。近幾年來,碳納米管(CNTs)憑借其優異的力學性能及其高比表面積和高縱橫比等特點引起了許多研究者的關注。碳納米管水泥基材料作為新型材料因其具有強度高和耐久性好等優點而被廣泛研究。謝吉程[6]在砂漿中加入不同摻量的CNTs,研究發現當CNTs摻量為0.10%時,砂漿的抗壓、抗折強度均達到最高,相較于空白對照組,其抗壓、抗折強度提升顯著。Hawreen等[7]通過分析摻入0.1%～1.0% CNTs的水泥砂漿一年的收縮變化,發現在不同CNTs摻量及水灰比情況下,CNTs均能夠有效減少水泥基復合材料在各個測試齡期的收縮。Wang等[8]研究了不同摻量下CNTs增強砂漿的抗氯離子、抗硫酸鹽侵蝕性能差異,結果表明:當CNTs摻量為0.10%時,凈漿的氯離子滲透深度最淺,抗硫酸鹽侵蝕性能最好。

筆者對摻入CNTs的FSC早齡期變形進行研究,基于CNTs增強水泥基材料的現有研究成果,以及CNTs本身具有填充和橋接的特性,將CNTs摻入FSC,研究其對FSC早齡期變形性能的影響,以期進一步開拓CNTs在工程領域的應用前景。筆者根據某在建面板堆石壩工程實際筑壩的原材料和施工配合比,制作了兩組FSC試件,以不摻任何外加劑的FSC試件作為對照組(SC組),以摻0.1% CNTs的FSC試件作為測試組(TC組),利用溫度—應力試驗,獲得恒溫模式(CTC)和溫度匹配模式(TMC)下兩組試件的應力和應變發展曲線?；诔墒於壤碚?將FSC早期溫度變形與徐變變形分離,得到早齡期時變熱膨脹系數與徐變度發展曲線。通過深入研究CNTs對FSC早齡期變形的影響,以期為約束狀態下FSC早齡期開裂風險評估提供參考。

1 溫度—應力試驗

1.1 試驗原材料及配合比

試驗所用水泥為南方PO42.5水泥,密度為3 100 kg/m3;粉煤灰采用宣城雙樂F類Ⅰ級粉煤灰,密度為2 100 kg/m3,細度為10.8%;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2.63,2.62 kg/m3,細骨料的細度模數為2.97,粗骨料分5～20 mm,20～40 mm兩級。試驗采用長安育才生產的聚羧酸鹽減水劑和引氣劑。選用的CNTs由南京先豐碳納米科技公司生產,CNTs的性能如表1所示。兩種FSC具體配合比如表2所示。兩種FSC拌合物凝結時間和坍落度如表3所示。

表1 CNTs技術參數

表2 FSC的配合比

表3 FSC拌合物凝結時間和坍落度

1.2 溫度—應力試驗的養護模式

利用溫度—應力試驗并選擇CTC和TMC兩種模式對FSC進行早齡期變形研究,兩種養護模式下的溫度養護歷程曲線如圖1所示。

圖1 溫度養護歷程曲線Fig.1 Temperature curing history curve

1.2.1 TMC模式

TMC模式可以模擬實際工程中混凝土的開裂行為,客觀評價FSC的抗裂性能。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模式溫度養護歷程。將FSC的入模溫度設為11 ℃(該工程的澆筑期平均溫度為11 ℃)。通過溫度—應力試驗機進行絕熱溫升試驗,得到FSC的半絕熱溫升值為13 ℃,溫峰時間為48 h,以此確定TMC模式第1個溫峰24 ℃,設定第1個溫峰起始時間為48 h。采用該工程所在地的歷年最高氣溫38.7 ℃為第2個溫峰。為方便試驗操作,結合第1個溫峰形成時間,設定每次試驗歷時48 h,將溫度升高并保持在設計溫度峰值,冷卻速率為0.45 ℃/h,直至試件斷裂。將溫度—應力試驗機最低溫度設置為-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以確定各項開裂參數。

1.2.2 CTC模式

CTC模式由兩個階段組成:恒溫階段和降溫階段。恒溫階段將溫度—應力試驗機中的循環介質溫度控制在20 ℃,使得試件的中心溫度保持在(20±1.5) ℃。根據成熟度理論,降溫階段將TMC模式的實際降溫時間點換算為等效齡期(參考溫度為20 ℃)下的降溫時間點,即為恒溫模式的實際降溫時間點12.31 d,降溫速率與TMC模式一致(0.45 ℃/h)。

1.3 溫度—應力試驗裝置

使用航源平洋公司開發的HYPY-TSTM-I溫度—應力試驗機研究FSC早齡期變形性能。試驗裝置如圖2所示,該裝置采用兩個狗骨狀試件進行試驗,一個受到100%全約束,另一個自由變形。試件的中心截面為150 mm×150 mm,試件有效長度為1 500 mm。兩個試件在同一溫度養護模式下養護,用塑料片將其包裹并密封在模具中,避免因蒸發而產生干燥收縮。溫度—應力試驗機系統配備了2個模具、1個荷載傳感器、1個溫度控制系統、1個溫度傳感器和1個位移傳感器。計算機連接溫度應力機,自動記錄混凝土溫度、施加荷載和試件變形。鑄造后立即開始測量,每1 min記錄1次測試數據。

圖2 溫度—應力試驗機Fig.2 Temperature-stress testing machine

2 FSC早齡期變形

2.1 FSC早齡期自收縮變形

試驗通過塑料薄膜包裹試件來創造絕濕條件,可忽略干燥收縮的影響,CTC養護模式下養護溫度基本恒定,不會產生溫度變形,自由試件的變形即為FSC自收縮變形,結果如圖3所示。

圖3 早齡期自收縮變形Fig.3 Autogenous shrinkage deformation at early age

由圖3可知:在20 ℃恒溫養護模式下,兩種FSC的自收縮變形在最初的50 h內迅速增長,自收縮變形相差不大,SC組為-16.9×10-6,TC組為-13.3×10-6。然而隨著混凝土成熟度的發展,摻入CNTs的TC組混凝土表現出較好的減縮效果。在降溫前,SC組和TC組的自收縮變形分別達到了-31.5×10-6,-23.8×10-6,相較于SC組,TC組的自收縮變形減少了24.4%。這說明CNTs的摻入能夠有效減少FSC的早齡期自收縮變形,有利于早齡期抗裂。CNTs的摻入對FSC早齡期自收縮變形的改善作用可能體現在以下兩個方面:CNTs具有較高的長徑比,可以橋聯早齡期水化產物形成網狀結構,對FSC早期自收縮的發展產生約束作用,從而抑制早齡期自收縮變形[7,9];混凝土早齡期自收縮的發展與早齡期水化產物中細孔(直徑小于20 nm的細孔)的數量成正比,而CNTs的成核、填充作用可以生成更加密實的水化產物,減少中細孔的數量,使得毛細管應力減小,從而減少自收縮變形[10]。

2.2 等效齡期

對于同一配合比的混凝土,其成熟度主要取決于養護溫度與養護齡期。Rastrup[11]提出了等效齡期的概念,即將變溫養護環境下水泥基材料水化時間等效為某一參考溫度養護環境下的時間(本研究參考溫度為20 ℃)。公式涉及混凝土活化能這一概念,Hansen等[12]進行混凝土活化能(單位為kJ/mol)的計算,得出的計算模型為

(1)

同時提出等效齡期te的計算公式,眾多學者普遍認為該公式更具普適性。利用此概念,基于參考溫度,可以將不同溫度養護條件下的混凝土發展齡期轉化為達到相同成熟度的等效齡期。te計算式為

(2)

式中:T(t)為混凝土的養護溫度歷程,℃;Tr為混凝土的參考溫度,℃(本研究為標準養護條件下的20 ℃);R為理想氣體常數,數值為8.315 J/(mol·K)。

對TSTM實測的兩種模式下各組FSC的養護齡期進行等效齡期轉化,結果如圖4所示。

圖4 實際齡期—等效齡期換算Fig.4 Actual-equivalent age conversion

2.3 FSC早齡期熱膨脹系數

混凝土早齡期熱膨脹系數(CTE)的發展對早齡期溫度變形起著決定性作用。本研究利用溫度—應力試驗對兩種FSC分別進行TMC和CTC養護模式試驗,以獲得各自養護模式下早齡期自由應變曲線,進而探究FSC早齡期CTE發展規律。兩種FSC早齡期自由應變曲線如圖5所示。兩種FSC經過等效齡期轉換后的早齡期自由應變曲線如圖6所示。

圖5 早齡期自由應變隨實際齡期的發展曲線Fig.5 Development curve of free strain with actual age at early age

圖6 早齡期自由應變隨等效齡期的發展曲線Fig.6 Development curve of free strain with equivalent age at early age

試驗中通過塑料薄膜包裹試件來創造絕濕條件,可忽略干燥收縮的影響,因此混凝土試件自由變形僅考慮自生體積變形和溫度變形,然而在混凝土成熟過程中,這兩種變形一般都是同時發生、相互耦合的,具體滿足如下關系:

εf=εth+εas

(3)

εth=∑αt(t)·ΔT

(4)

式中:εf為自由變形(自由試件讀取);εth為溫度應變;εas為自收縮變形;αt(t)為熱膨脹系數(隨齡期變化);ΔT為溫度變化增量。

對于同一種FSC,經過等效齡期轉換后運用公式可得到兩種溫度歷程下混凝土的自由應變發展形式,公式中耦合了各自模式下的溫度變形和自生體積變形,即

εf1(te)=∑αt1(te)·ΔTi(te)+εas1(te)

(5)

εf2(te)=∑αt2(te)·ΔTi(te)+εas2(te)

(6)

混凝土的養護溫度直接影響膠凝材料的水化反應速率,進而影響其早齡期的變形發展。因此,在分離溫度變形與自收縮變形時不可忽略溫度的影響。Turcry等[13]在研究時還發現:在一定養護溫度范圍(10～40 ℃)內,混凝土早齡期CTE與自收縮變形發展僅與其成熟度有關。Viviani等[14]也提出混凝土CTE和自收縮變形與混凝土強度一樣可被看作混凝土的固有屬性,此發現可利用等效齡期概念。因此,以下等式成立,即

εas1(te)=εas2(te)

(7)

αt1(te)=αt2(te)

(8)

在Δti時間段內,CTE可視為常量,對式(5,6)取微增量,可得

Δεf1(te)=αt1(te)·ΔT1(te)+Δεas1(te)

(9)

Δεf2(te)=αt2(te)·ΔT2(te)+Δεas2(te)

(10)

結合式(7,8),兩種模式下自由變形微增量相減,可推得Δti內混凝土的CTE表達式,即

(11)

由式(11)可知:對于某給定混凝土CTE的計算,可轉化為該混凝土在兩種不同溫度歷程下同一齡期時間段的變形差與溫度差的比值。對同一齡期區段內的數據點進行線性擬合,該曲線的斜率就可估算為CTE。

因為在試驗設置時CTC養護模式的降溫點和TMC養護模式同一等效齡期下的時間點一致,所以在等效齡期下的應變、溫度發展圖中有一致的升溫區段和降溫區段。由于升溫時間設置較長,已滿足混凝土發展過程中CTE趨于穩定的時間,因此僅對升溫階段進行擬合考慮。在擬合CTE過程中,得到兩種養護模式在同一等效齡期下的應變差—溫度差發展曲線,結果如圖7所示,曲線上某點的切線斜率即為該時刻混凝土的CTE。

圖7 早齡期應變差—溫度差發展曲線Fig.7 Strain difference and temperature difference development curve at early age

選取合適的齡期區段對兩種FSC的應變差—溫度差發展曲線進行線性擬合,以求得相應的CTE,擬合結果如圖8所示。

圖8 早齡期時變熱膨脹系數Fig.8 Time varying thermal expansion coefficient at early age

由圖8可知:兩種FSC的CTE在早齡期隨齡期增長變化顯著,從澆筑入模開始,CTE短時間內迅速增大至峰值,而后迅速降低至最小值,再緩慢增長至穩定值。本試驗中兩種FSC的CTE到達峰值的等效齡期分別為13,17 h,CTE峰值分別為29.9×10-6,23.9×10-6℃-1。已測得SC組與TC組的第一零應力時間[4]分別為15.6,19.8 h,等效第一零應力時間分別為11.2,16.8 h,可以發現兩種FSC的CTE均在等效第一零應力時間附近達到峰值。約14 h后CTE均降低至最小值,隨后再緩慢增長至穩定值。SC組與TC組7 d齡期時的CTE分別為8.1×10-6,7.0×10-6℃-1。兩種FSC的CTE在早齡期的變化規律大致分為3個階段,具體如下:

1) 澆筑初始至第一零應力時間階段

該階段CTE迅速發展,SC組的CTE從8.2×10-6℃-1升高至29.9×10-6℃-1,TC組的CTE從7.1×10-6℃-1升高至23.9×10-6℃-1?？梢园l現兩種FSC的CTE均由較小值迅速發展,并且TC組的CTE峰值小于SC組。對于新拌混凝土而言,由于在前期尚未凝結的時候,內部不具備穩定的骨架結構,具有較強的流動性能,因此在第一零應力時間之前,各組分在自重的驅動下會出現內部水分向上定向遷移至表面的現象[15]。水的CTE高達210×10-6℃-1,遠大于混凝土其他組分的CTE,內部水分受熱膨脹會受到骨料的約束作用,表面自由水分受熱膨脹不受約束,故表面自由水熱膨脹產生的體積變形遠大于內部約束水。當混凝土中的水分由內部約束狀態向上遷移至表面自由狀態時,整個試件的CTE迅速增加。Homma等[16]發現混凝土中水分子幾乎均勻地凝聚在碳納米管表面。由于TC組中的CNTs會吸附一部分水,使得遷移至表面的自由水量小于SC組,故TC組的CTE略小于SC組。

2) 第一零應力時間至CTE最小值階段

該階段SC組與TC組的CTE以大致相同的速率迅速下降至最小值。SC組的CTE從29.9×10-6℃-1降低至最小值5.2×10-6℃-1,TC組的CTE從23.9×10-6℃-1降低至最小值4.6×10-6℃-1,兩者均經歷了大約14 h。第一零應力時間后,混凝土中形成了穩定的結構,固態物質基本無法發生相對運動,內部水分向上遷移的行為逐漸消失,混凝土中水分的擴散運動逐漸凸顯出來,此擴散運動驅動力主要來自于水分含量的梯度。隨著水泥水化的不斷進行,內部水作為反應物逐漸被消耗,內部水化耗水導致水分降低,此時前期遷移至表面的水分又重新入滲到內部[15],因此自由水分與整體水分不斷減少,故CTE迅速降低。第一零應力時間之后,混凝土的彈性模量迅速發展。CNTs具有良好的填充與橋接作用,填充作用使得水化產物的總體孔隙率減小,橋接作用使得水化之間聯系更加緊密,增大了混凝土的彈性模量[17],內部約束水分熱膨脹受約束更大而不易產生變形,故TC組的CTE略小于SC組。

3) 穩定上升階段

該階段CTE穩定上升,SC組的CTE從5.2×10-6℃-1升高至8.1×10-6℃-1,TC組的CTE從4.6×10-6℃-1升高至7.0×10-6℃-1。該階段孔隙逐漸形成且密閉,水泥水化消耗孔隙中的水分,濕度不斷下降,Yeon等[18]指出相對濕度對水泥漿體和混凝土的CTE有一定影響,當相對濕度為70%～80%時CTE最大。Zhang等[19]研究發現混凝土內部濕度變化規律為澆筑開始的0～2 d保持100%相對濕度,隨后緩慢減少,密封狀態下混凝土的相對濕度維持在80%以上。因此隨著養護齡期的增長,混凝土內部相對濕度減小,CTE緩慢增加。由于CNTs可以密實水化產物,增大抗拉彈模[17],故相對濕度引起的濕熱膨脹所受到的約束更大,TC組產生的溫度變形較小,CTE也較小。

2.4 FSC早齡期徐變變形

采用Kolver等[20]提出的應變評估方法。由于補償變形是彈性的,因此可以將補償周期中所有恢復的變形累積為一條恰好是總彈性應變的累積曲線[18](圖9)。

圖9 徐變的確定方法Fig.9 Determination method of creep

基于以上考慮,通過從自由變形中減去累積曲線來計算徐變,即

Δεth+Δεas+Δεcr+Δεe=0

(12)

累計各個調整周期的各應變增量,即

εth(t)+εas(t)+εcr(t)+εe(t)=0

(13)

再代入式(3)可得

εcr(t)+εe(t)=-εf(t)

(14)

式中:Δεth,Δεas,Δεcr和Δεe分別為每個調整周期內的溫度應變、自收縮應變、徐變和彈性應變。Δεe可通過約束應力發展曲線和混凝土時變的彈性模量確定。

本研究采用張濤[21]提到的Kanstad改良彈性模量發展模型,即

(15)

式中:te為等效齡期,h;t0為第一零應力時間,h;Ect,28為28 d的拉伸彈性模量;s為常數,基準混凝土s取0.25,摻入碳納米管混凝土s取0.35;nE為表征拉伸彈性模量發展系數,本試驗取值為0.5。已測得兩種FSC的28 d彈模分別為SC組41.8 GPa,TC組39.8 GPa,基于成熟度理論公式計算得到兩種FSC對應于20 ℃標準養護下的等效齡期。將求得的等效齡期代入早齡期的彈性模量公式,求得模擬的早齡期彈性模量。

選取t1,t2兩個齡期,其差值為Δt,約束狀態下的應力差為Δσ。取t1,t2兩處的彈性模量的平均值作為該時間段的彈性模量E。根據彈性變形公式Δε=Δσ/E求得該時間段所產生的彈性應變。通過以上方法先求得各個時間段累計的彈性應變,然后將試件的自由應變減去累計彈性應變得到拉伸徐變。

徐變度是指單位荷載下所對應的徐變,可以衡量混凝土在不同應力下的徐變性能。在本試驗中,變應力下的徐變度可定義為某一時刻累計徐變和該時刻溫度—應力試驗機所測得的拉應力之比。

根據上述徐變及徐變度的計算方法,計算TMC養護模式下SC組和TC組混凝土的拉伸徐變和徐變度,結果如圖10所示。

圖10 早齡期拉伸徐變和徐變度Fig.10 Tensile creep and specific creep at early age

由圖10(a)可知:SC組和TC組的拉伸徐變分別從215,209 h開始呈近似線性快速發展,待TSTM降溫至-15 ℃時,兩種FSC的拉徐變分別為SC組208.6×10-6,TC組217.0×10-6,可以發現摻入CNTs增加了FSC的早齡期拉伸徐變。這可能是由于CNTs具有良好的成核效應,可以有效促進水泥水化,產生體積膨脹,使得降溫時的拉伸徐變增加。由圖10(b)可知:剛開始兩種FSC的徐變度迅速發展達到峰值,隨后迅速下降并逐漸穩定,且徐變度曲線十分接近。根據徐變度的計算方法可知:因為混凝土早齡期拉應力很小,所以導致拉伸徐變發生變化會引起徐變度劇烈改變。隨著拉應力逐漸增加,徐變度在達到峰值后逐漸趨于平穩。相較于SC組,TC組更早出現徐變度,這也符合圖10(a)中TC組更早出現拉伸徐變的現象。

3 結 論

采用溫度—應力試驗的方法將基準面板混凝土和摻碳納米管面板混凝土放置在溫度匹配養護模式和恒溫匹配養護模式兩種溫度歷程下進行養護,并基于混凝土成熟度理論將面板混凝土早齡期溫度變形與拉伸徐變從自由變形中分離出來。相較于基準面板混凝土,摻碳納米管面板混凝土早齡期自收縮變形減小了24.4%,早齡期時變熱膨脹系數隨養護齡期的發展均有不同程度的減小。此外,摻入碳納米管使得面板混凝土的徐變度更早出現,可以有效增加面板混凝土的早齡期拉伸徐變。由此可知摻入碳納米管可以有效改善面板混凝土早齡期變形。在實際工程中,約束狀態下的早齡期變形越小,面板混凝土內部所產生的應力也隨之降低,故可以有效降低早齡期開裂風險。