碳纳米管加强混凝土柱抗侧性能试验研究

梁雲憑 宋晓滨 林 航 苏 航

(同济大学土木工程学院,上海 200092)

0 引 言

已有研究表明,多壁碳纳米管(Multi-walled Carbon Nanotubes,MWCT)可以显著提升水泥基材料包括延性在内的力学性能[1-2]。然而碳纳米管尺寸小,比表面积大,易发生团聚,因而碳纳米混凝土制备工艺复杂,设备要求严格,制造费用显著高于普通混凝土。另一方面,碳纳米粉剂对人体有害,制备时需特殊防护装置。这些特点都阻碍了碳纳米材料在混凝土领域的应用。

近年来随着碳纳米管工业化生产的发展,其成本已降至试验室生产时期的1%以下,碳纳米混凝土应用于工程实践的可行性大大提高。工业级碳纳米浆料质量稳定,价格更为合理。然而目前国内外学者的研究主要针对实验室精细化调制、分散的碳纳米混凝土,缺乏对工业级碳纳米浆料制成的混凝土材料和混凝土构件力学性能的研究。

我国处于环太平洋地震带与欧亚地震带的交汇处,结构震害严重,需要深入了解结构所用材料和主要结构构件的刚度、承载力和耗能系数等性能指标。然而目前对于碳纳米混凝土构件的研究主要集中于碳纳米管的分散方法和碳纳米复合材料机敏性能等方面,少有碳纳米混凝土构件抗震性能的研究成果。

综上,本文采用工业级碳纳米浆料制备碳纳米混凝土,通过碳纳米混凝土材料性能测试和碳纳米混凝土柱低周往复侧推试验研究碳纳米管掺量对材料力学性能的影响,并基于试验结果分析碳纳米管合理掺量,为工程应用提供研究支撑。

1 标准混凝土立方体试块抗压试验

1.1合理碳纳米掺量

Al-Rub等[3]的研究发现,分散良好的碳纳米管可在混凝土中形成许多具有桥连功能的连接键。连接键弹性好,强度大,在试块受力时提高了混凝土的抗折性能和材料延性。碳纳米管尺度极小,质量很少的粉体即包含数目可观的管单体,无需添加太多即可满足需求。若掺入量过多,管体间会发生团聚。团聚物与基体间粘结差,使复合材料力学性能不升反降[4]。为保证试验效果,在设计试件的碳纳米管掺量时应首先确定合理掺量范围。

文献显示长期以来国内外研究人员在试验中采用的碳纳米管规格不一,参数各异,试验得到的增强效果差异很大(表1)。这也从一个侧面凸显了标准化、工业化生产碳纳米混凝土的必要性。

相关研究者采用的材料除表1所述的参数不同外,其生产工艺、分散方式等对实验结果也有重要的影响。因而在采用不同规格的碳纳米管进行研究前,通过预试验确定碳纳米管分散方式和合理掺量范围是非常必要的。

本文首先进行了碳纳米混凝土立方体试块的标准抗压试验,并参考Song等[10]对用同批次碳纳米浆料制备的水泥砂浆的测试结果(表2),确定了本次试验所用碳纳米材料的分散方式和合理掺量范围。在此基础上进行了半柱试件的低周反复荷载试验。

1.2 试验材料、试件设计和试验依据

本次试验中,混凝土配合比为PO 52.5普通硅酸盐水泥∶河砂∶碎石∶水=1∶1.5∶2.9∶0.4。碳纳米管采用深圳某公司生产的工业级碳纳米浆料NTP2021,产品参数见表3。

表1国内外碳纳米管加强水泥材料力学性能试验数据

Table 1 Former statistics on mechanical properties of CNTs reinforced cement-based materials

表2针对同批次浆料制备水泥砂浆骨料界面的力学测试结果[10]

Table 2 Mechanical properties of mortar-aggregate with the same CNTs Plaster[10]

表3碳管浆料参数

Table 3 CNTs Pastee Index

本文根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》[11]的要求制作了六组试件,每组包括三个边长为150 mm的标准立方体试块。除零掺量组外,其他五组试件的碳纳米管掺量分别为0.05wt%,0.10wt%,0.15wt%,0.20wt%和0.25wt%,各组试件浇筑后在标准养护条件下养护28天。

1.3 测试结果

试验在NYL-2000D压力试验机上进行,测定混凝土立方体抗压强度值fcu,试验结果见表4。

表4试块抗压试验结果

Table 4 Cubic compressive strength test results

综合表2和表4的数据可知,虽然针对不同力学性能参数,碳纳米管对混凝土的影响规律不完全相同,总体而言0.05wt%～0.20wt%应属此批次碳纳米浆料的合理掺量范围。

2 钢筋混凝土半柱低周反复荷载试验

2.1 试验概况

2.1.1试件设计

为研究添加碳纳米浆料的钢筋混凝土柱的抗侧性能,本文制作了三个200 mm×200 mm×700 mm的半柱试件,试件底座尺寸为300 mm×300 mm×600 mm。三个试件除碳纳米管掺量外,混凝土配合比、配筋等均相同,三个柱试件的碳纳米浆料的掺量分别为0.00,0.05wt%和0.20wt%。

通过反复摸索,本文得到了一种较合理的、适用于工业级浆料的碳纳米混凝土制备方法:先将水泥与粗细骨料混合并干拌均匀,然后将在工厂分散均匀的碳纳米管浆料倒入水中充分混合,在搅拌锅中加入一半水并慢速搅拌2 min,加入剩余水慢速搅拌1 min,停1 min,最后快速搅拌4 min,而后振捣排除气泡。本次试验中所有柱试件采用立式浇筑,在自然状态下养护28天,试件配筋及具体尺寸见图1。

图1 试件尺寸、配筋及应变片位置(单位:mm)Fig.1 Specimen size,reinforcement and strain gauge arrangement (Unit:mm)

2.1.2试验材料

试验材料及混凝土配合比与材性试验相同。实测混凝土立方体抗压强度49.2 MPa。半柱试件沿受力方向单侧纵筋312,箍筋φ6@100。纵筋实测屈服强度342 MPa。

2.1.3加载制度与量测方法

本次试验在同济大学建筑结构试验室50 t反复荷载试验机上进行。加载过程中在竖向轴力保持恒定的同时施加水平反复荷载。竖向轴力116 kN由液压千斤顶施加,试件轴压比 0.5;水平反复荷载由液压伺服作动器施加并保持竖向千斤顶与水平作动器同步移动。

根据胡峰等的研究成果,在半柱低周反复荷载试验中采用销绞加载装置可使竖向加载端及水平加载端的作用点汇交于销铰轴,因而可有效模拟全柱试件的反弯点[12]。这种加载装置由L形传力件和连接件两部分组成,两者通过销铰连接。L形传力件两端分别连接试验机的水平向液压伺服作动器和竖向液压千斤顶,水平伺服作动器中心线与柱顶垂直距离为19 cm。本文采用这种加载装置。

试验加载制度参考《建筑抗震试验规程》[13],采取位移荷载综合控制法。试验开始前进行预加载,验证装置安装正确,试件对中。试验过程中,在采集系统上观察到柱两侧中任意一侧的纵筋应力应变曲线出现明显拐点,且图线重新进入稳定直线段时即判断为试件纵筋屈服。在荷载下降段取最高荷载的85%为破坏荷载,停止试验。加载装置见图2。

图2 加载装置设计与实物Fig.2 Testing setup

试验布置4个线位移计,柱顶柱底各两个,每个位移计距柱端部50 mm。箍筋应变片分别贴在距柱底60 mm和柱中位置处的箍筋表面,纵筋应变片布置在距柱底50 mm处。水平力作用平面内竖直粘贴混凝土应变片,水平力作用平面外水平粘贴混凝土应变片(见图1)。

2.2 试验现象描述

本文测试的三个柱试件的破坏形态如图3所示。其中,1号试件(零掺量)在屈服前有细裂缝产生,屈服时裂缝数量较多,最宽裂缝约0.08 mm。屈服时刻柱顶位移为破坏位移的25%左右,混凝土纵向应变857με。水平推力达到峰值时柱顶位移约为破坏位移的60%。在纵筋屈服后水平推力达到峰值前,柱底座以上30～200 mm范围内裂缝持续发展(长度120～150 mm,部分裂缝宽度已超过0.2 mm的宽度限值[14])。当柱顶位移达到极限位移的80%时,柱与基础相接四角处开始剥落,同时柱正面下部2/3柱高范围内裂缝贯穿,宽度加大。当柱顶位移达到20 mm时,水平荷载值达到最大值的85%,柱根部混凝土大块剥落,试件发生破坏。

图3 试件破坏形态Fig.3 Failure patterns

2号试件(碳纳米管掺量0.05wt%)屈服前无明显可见裂缝,屈服时刻相比其它两个试件裂缝数量最少,宽度最小 (0.04mm以下) 。屈服时刻柱顶位移为破坏位移的27%左右。水平推力峰值对应的柱顶位移约为破坏位移的80%。在柱顶位移达到屈服位移两倍时,试件出现20～30 mm长的可见裂缝。随着水平荷载的不断施加,裂缝向柱底方向倾斜,柱底50～150 mm范围内的试件正面裂缝变宽并逐渐贯通,大部分裂缝宽度仍在0.2 mm限值范围内。当柱顶位移达到15 mm时,水平荷载值达到最大值的85%,柱根部表面混凝土开始剥落,新裂缝不再产生。柱整体形态完整,无明显剪切破坏。

3号试件(碳纳米管掺量0.2wt%)裂缝数量少于1号试件而多于2号试件。试件第一条宽度为0.02 mm的可见裂缝在加载达到屈服荷载前后出现。屈服时柱顶位移为破坏位移的24%左右。水平推力峰值对应的柱顶位移约为破坏位移的82%。水平推力达到峰值时,试件表面混凝土开始部分剥落。当柱顶位移达到17 mm时,水平荷载值达到最大值的85%,柱底以上200～500 mm范围内的裂缝基本贯通,宽度超限并向柱根部发展,长度达150 mm以上。此时柱与基础交界四角处的混凝土开始剥落。

总体而言,在相同的轴压比下(轴压比0.5),3个试件的屈服位移均在4～5 mm区间内。碳纳米管对低周反复荷载作用下混凝土柱弹性阶段的结构响应影响不大。但加入碳纳米管后,试件破坏时柱顶位移减小,开裂时刻推迟,破坏时试件形态更加完整。

2.3 试验数据分析

2.3.1滞回曲线

滞回曲线反映了构件在反复荷载作用下的变形特征、刚度退化及能量消耗,是进行结构抗震弹塑性动力分析的主要依据,也是结构抗震性能的综合体现[13]。本文试验中各试件水平荷载-柱顶水平位移的滞回曲线见图4。由于试件加载过程中的损伤累积以及荷载和构件初始不对称,试验结果在正反向加载阶段有偏差。本次试验中,试件3的滞回曲线不对称性较明显,这可能和试件制作和加载精度有关。

图4 荷载-位移滞回曲线Fig.4 Load-displacement hysteretic curves

分析图4可知,碳纳米管对试件弹性阶段的荷载位移曲线影响不大,三个试件屈服前的图线均为直线,且相应侧移较小。三个试件屈服后位移增大,P-Δ线呈现出明显的非线性,卸载阶段存在残余变形,试件的屈服强度远小于极限强度。三个试件的极限承载力差异不大,加载达到峰值后,水平方向残余变形5～10 mm。但添加适量的碳纳米管可以使构件的滞回曲线更加丰满。其中2号试件的滞回曲线最饱满,呈梭形,反映出试件的变形能力强,具有良好的耗能能力。而1号试件滞回曲线形状最不饱满,包围面积最小,耗能能力差。3号试件虽存在较大不对称性,然而在较为完整的反向加载阶段,荷载-位移曲线依然具有良好的形状。

2.3.2能量耗散能力

试件的能量耗散能力是试件抗震性能评价的一个重要指标,以荷载-变形滞回曲线所包围面积的大小来衡量。滞回环越饱满,曲线包围面积越大,说明试件的耗能能力越好。能量耗散系数可按《建筑抗震试验规程》[13]推荐的方法计算,本文的计算结果见表5。

表5各试件能量耗散系数

Table 5 Energy dissipation coefficient

2.3.3骨架曲线

骨架曲线是低周反复荷载试验中每次循环的荷载-位移曲线峰值点连接后得到的包络线。骨架曲线能较全面地反映试件的刚度、承载力和延性等特征,并可用于确定试件的屈服点、最大荷载点以及极限点等特征点。本试验各试件的骨架曲线见图5,其中,2号和3号试件曲线较平缓,强度的衰减速率较低,损伤累积较慢。

图5 试件骨架曲线图Fig.5 Skeleton curve

2.3.4刚度

本文中,混凝土柱的抗侧刚度(用荷载位移曲线的割线刚度表示)按式(1)计算得到:

(1)

式中,Fi是荷载位移曲线第i次峰值点的荷载值;Xi是第i次峰值点的位移值。按上式计算所得结果如图6、表6所示。

分析图6、表6,并取K1为个试件初始割线刚度,可发现添加碳纳米管后，2号试件的初始割线刚度较1号试件提升62.9%，3号试件较1号试件提升288.9%。结构损伤会使试件刚度随加载级数的上升而下降,但掺加碳纳米管后刚度退化速度会变慢。比较15 mm柱顶位移时三个试件的割线刚度,1号、2号和3号试件分别下降到4.23 kN/mm、4.63 kN/mm和5.09 kN/mm。相对于1号试件，2号和3号试件损伤刚度分别提高9.4%和20.3%。

图6 试件割线刚度Fig.6 Secant rigidity of the tested specimens

表6试件刚度计算结果

Table 6 Calculation of specimens’ stiffness

试验还表明,碳纳米管对混凝土柱刚度的提升作用会随着试件的损伤累积而降低。从刚度位移曲线可知,当试件柱顶水平位移超过4 mm后,三个试件刚度曲线的下降均趋于平缓,碳纳米管对于混凝土柱刚度下降曲线拐点的位置影响不大。

2.3.5延性系数

延性一般用位移延性系数和极限层间相对位移角两个指标来表征。按照《建筑抗震试验规程》[13]中推荐的方法计算,可得本试验中各试件的屈服点、极限点、延性系数和极限位移角,详见表7。

由表7可知,添加碳纳米管后混凝土柱延性提升,极限转角减小。这主要是因为碳纳米管对混凝土柱刚度的提升使得试件的屈服位移和极限位移都变小,对于屈服位移影响更大。结合本文对试验现象的描述可知,采用碳纳米管加强混凝土柱可使结构的层间位移角和屈服位移减小,构件破坏后的形态保持更为完整,裂缝数量也有一定的减少。

表7试件各阶段荷载位移值、延性系数及极限位移角

Table 7 Loads,displacements,ductility and ultimate drift angles of diffevent specimens

注:现行抗震规范要求在大震(罕遇烈度地震)作用下,钢筋混凝土框架结构的层间位移角应小于1/50,移延性系数大于3。

3 结 论

本文开展了添加工业级碳纳米浆料的混凝土材料力学性能和钢筋混凝土柱抗侧性能的试验研究,并总结了工业级碳纳米浆料的最优掺量,以及碳纳米钢筋混凝土柱的刚度、承载力、能量耗散系数和延性系数等性能指标和碳纳米管用量的关系。

研究结果表明,添加工业级碳纳米浆料的混凝土柱在低周反复荷载作用下的破坏模式与普通混凝土柱基本相同,试件滞回环更加饱满,掺量为0.05wt%～0.2wt%时,能量耗散系数提升20%～30%,在同级荷载多次作用下试件的损伤累积速率明显下降。同时,添加碳纳米管的混凝土柱的初始刚度有很大提升,掺量为0.05wt%～0.2wt%时相同位移对应的刚度可提升80%左右;试件裂缝出现时间推后,裂缝宽度变细且长度变短,试件破坏时的完整性大大提高。此外,添加碳纳米管后试件的屈服强度略有提升,屈服位移略有下降。延性有较大提升。

由于碳纳米混凝土材料及构件的力学性能受碳纳米管的分布影响较大,且试验中所用的混凝土质量也有一定的变异性,因而本文的主要结论还需通过更多试验结果进一步检验和修正。

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