碳纳米管增强水泥基材料的自收缩与抗裂性能

摘要水泥基材料早期收缩变形引发的开裂是约束条件下材料破坏的主要问题。本文将碳纳米管CNTs掺入水泥基材料中通过线性收缩和圆环试验研究新型复合材料的自收缩与抗裂性能。结果表明CNTs显著抑制了水泥基材料的自收缩最大抑制率超过40%同时显著提高了抗裂性能最佳掺量为0.1 wt%。CNTs不仅能抑制自收缩还能在一定程度上抑制干燥收缩。因此CNTs具有解决水泥基材料收缩引起破坏的潜力。关键词水泥基材料碳纳米管自收缩抗裂性引言水泥基材料早期收缩开裂仍是约束条件下的主要破坏问题。传统混凝土脆性大拉压强度差异显著微小变形即可引发宏观裂缝。掺加外加剂可控制收缩但不同外加剂影响各异减水剂可能增大收缩膨胀剂虽能减缩但对强度影响中等收缩降低剂效果显著。纤维桥接水化产物也能控制收缩开裂。例如纳米合成纤维可使开裂面积减少30%以上。内养护和自修复技术也有助于缓解早期开裂但不直接影响收缩程度。自碳纳米管CNTs被发现以来因其优异的力学和电光性能受到广泛关注。CNTs已被用于水泥基材料中改善其电学、耐久性和水化性能。已有研究表明多壁CNT能提升水泥基材料在干湿和冻融条件下的力学和物理性能。CNTs有助于降低超高性能混凝土UHPC的后期自收缩。然而关于CNTs对水泥基材料收缩和抗裂性影响的研究仍较少。基于此本文研究两个主要问题1CNTs对水泥基材料自收缩的影响程度2CNTs是否也能影响干燥收缩。为此本文将CNTs掺入水泥基材料中评估其自收缩和开裂性能。材料与方法2.1 材料与CNTs悬浮液制备采用多壁碳纳米管深圳Nano Port有限公司其物理参数见表1分散前后的TEM图像见图1。分散后CNTs未发生团聚分散效果优异。水泥为P-II 52.5R其化学、矿物组成及物理性能见表2-4。标准砂为中国ISO标准砂。图片 图1CNTs分散前后的TEM图像CNTs首先在含高效减水剂Lons-P聚羧酸系减水率25%的水中超声分散采用FS-750T设备冰浴控温20°C超声15 min功率60%工作15 s停3 s得到均匀分散液。2.2 自收缩试验CNTs掺量设为0.00、0.05、0.10、0.15 wt%水灰比分别为0.30、0.35、0.40配比见表5。依据ASTM C1698-09标准改进测试装置图2采用波纹管法测量自收缩。数据通过TDS303采集仪自动记录试验温度21.0±2.0°C湿度55±5%。 图2自收缩测试装置示意图表4水泥物理力学性能比表面积、标准稠度用水量、凝结时间、安定性、抗压/抗折强度表5不同CNTs掺量水泥浆配合比2.3 圆环收缩试验依据ASTM C1581改进圆环装置图3采用应变片BX120-5AA和数据采集仪TDS303测量环形试件的应变。试件分为半封闭仅内环约束上表面封蜡和全封闭全表面封蜡两种状态以区分总收缩和自收缩。试验温度21.0±2.0°C湿度60±5%。 图3圆环试验装置及试件详图结果与讨论3.1 线性收缩表7不同水灰比和CNTs掺量下水泥浆体的收缩值μ/m/m160 h水灰比 0.00 wt% 0.05 wt% 0.10 wt% 0.15 wt%0.30 -1390 -1180 -1119 -13180.35 -1170 -884 -780 -9900.40 -1132 -778 -638 -981CNTs掺入总体抑制自收缩最佳掺量0.10 wt%。水灰比越高抑制效果越明显0.30、0.35、0.40水灰比下自收缩分别降低20.3%、33.8%、43.6%。高水灰比体系中CNTs抑制作用更显著低水灰比体系中水灰比本身影响更大。 图4不同水灰比下水泥浆体收缩随时间变化曲线三阶段分布CNTs抑制自收缩的原因填充微孔降低孔隙率形成更致密结构高长径比CNTs在水泥基体中形成桥接效应约束基质收缩。3.1.2 CNTs掺量与水泥浆体收缩在8–20 h测试期间试件出现轻微膨胀主要由于早期水化放热和C-S-H等水化产物体积增大所致图5。 图5CNTs水泥浆体温度变化曲线3.2 圆环应变3.2.1 CNTs掺量与水泥砂浆抗裂性能水灰比0.30下半封闭与全封闭状态下的环形应变曲线见图6。 图6CNTs水泥砂浆开裂应变曲线W/C0.3表8不同CNTs掺量水泥砂浆开裂指标W/C0.3CNTs (wt%) 半封闭开裂时间(h) 半封闭开裂应变(×10⁻⁶) 全封闭开裂时间(h) 全封闭开裂应变(×10⁻⁶)0.00 101.3 -150 717.2 -1470.05 98.3 -110 723.7 -1330.10 102.3 -115 310.2 -1380.15 99.8 -107 248.5 -121全封闭状态下CNTs掺量为0.10 wt%时开裂时间延迟46.2%效果最佳。CNTs通过抑制微裂纹扩展、填充孔隙、形成致密微观结构延迟开裂。表9不同CNTs掺量下水泥砂浆的自收缩应变与总收缩应变W/C0.3CNTs (wt%) 自收缩应变 ε₁ (×10⁻⁶) 总收缩应变 ε (×10⁻⁶) ε₁/ε (%)0.00 -106 -150 70.70.05 -94 -110 85.50.10 -92 -115 80.00.15 -84 -110 78.5CNTs掺入后自收缩在总收缩中占比下降说明CNTs对干燥收缩的抑制更明显。3.2.2 水灰比与水泥砂浆抗裂性能CNTs掺量0.05 wt%时不同水灰比下的环形应变曲线见图7。 图7不同水灰比下CNTs水泥砂浆开裂应变曲线表10不同水灰比水泥砂浆开裂指标CNTs0.05 wt%水灰比 半封闭开裂时间(h) 半封闭开裂应变(×10⁻⁶) 全封闭开裂时间(h) 全封闭开裂应变(×10⁻⁶)0.30 98.3 -120 310.7 -1450.35 104.6 -117 370.5 -1240.40 111.5 -107 340.3 -114水灰比越高抗裂性越好。原因高水灰比提供更多可蒸发水延缓临界压力破坏时间且有利于CNTs均匀分散。表11不同水灰比下水泥砂浆的自收缩与总收缩应变CNTs0.05 wt%水灰比越高自收缩和总收缩均降低自收缩占比下降。结论CNTs抑制收缩最佳掺量0.1 wt%时自收缩抑制率约40%。水灰比越高抑制效果越显著。机制填充效应和桥接效应。抑制率数据水灰比0.30、0.35、0.40时抑制率分别为20.3%、33.8%、43.6%。抗裂性提升圆环试验表明CNTs显著提高抗裂性同时抑制自收缩和干燥收缩。机制抑制微裂纹扩展填充孔隙形成致密结构。水灰比影响高水灰比下CNTs抑制自收缩更有效。综上CNTs在解决水泥基材料收缩开裂方面具有良好应用潜力为后续工程应用提供参考。参考文献精选Iijima, S. (1991). Nature, 349, 56–58.Li et al. (2004). Carbon, 42(6), 1279–1284.Shi et al. (2019). Construction and Building Materials, 202, 290–301.Hogancamp Grasley (2017). Cement Concrete Composites, 83, 405–414.等。公众号科研硕博