碳纳米管增强RPC弯曲疲劳性能

王 钧， 白雪石， 赵金友， 高琢雅

(东北林业大学 土木工程学院， 黑龙江 哈尔滨 150040)

活性粉末混凝土(RPC)自发明以来，被广泛应用于桥梁、铁路及公路等工程结构，相关资料统计[1]，采用RPC建造的桥梁已超过400座.这些结构在整个生命周期内承受交通、海浪甚至偶然地震等反复荷载作用，可能发生疲劳破坏.因此，明确RPC材料在反复荷载作用下的疲劳特性，提升RPC材料的抗疲劳性能，就显得尤为重要.

在过去相当长的一段时间内，众多学者相继开展了粉煤灰、硅灰、矿渣、钢纤维、聚丙烯纤维和碳纤维等掺和料对普通混凝土弯曲强度和疲劳性能的影响研究[2-7].近年来，随着纳米材料的兴起，有学者研究发现，在普通混凝土中掺入碳纳米管后，其抗压强度与断裂韧性显著增强[8-9]，但关于碳纳米管增强RPC拉伸韧性以及弯曲强度的研究尚不多见[10]，特别是关于碳纳米管增强RPC疲劳性能的研究未见报道.因此，本文采用三点静载弯曲与循环加载方式，研究不同掺量的碳纳米管对RPC弯曲强度的提升幅度及其对RPC疲劳性能的影响，探寻提高RPC弯曲强度和疲劳性能的更好途径.

1 试验

1.1 试验原材料

水泥采用P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其性能指标见表1；钢纤维直径0.22mm，长度13mm，抗拉强度不小于2850MPa；碳纳米管选用气相沉积法(CCVD)制备的多壁碳纳米管(MWCNTs)，其参数见表2；减水剂选用减水率(质量分数，本文所涉及的减水率、掺量、比值等均为质量分数或质量比)为35%的KY-1型聚羧酸高性能减水剂；掺和料采用Ⅰ级粉煤灰和微硅粉；细骨料为石英砂和石英粉.

表1 水泥性能指标

表2 碳纳米管性能指标

1.2 试件制作

依据GB/T 31387—2015《活性粉末混凝土规范》选取RPC试验配合比，见表3.选用水胶比mW/mB为0.19，碳纳米管掺量w(MWCNTs)分别为胶凝材料质量的0%、0.05%、0.10%和0.15%制备试件，试件规格和数量见表4.其中：弯曲强度和抗压强度试件根据碳纳米管的4种掺量分为4组，每组3个试件；疲劳加载试验的应力水平Smax=0.85、0.75、0.65，根据碳纳米管的4种掺量将试件分为4组，每组18个试件，即每种应力水平下各有6个试件.

表3 RPC试验配合比

表4 试件规格和数量

在试件制备过程中，采用水中超声分散法进行碳纳米管的分散，分散后的碳纳米管溶液呈黑色黏稠浆体，静置24h后无分层、沉淀状态.为保证分散后的碳纳米管浆体在混凝土中分散均匀，将其加水稀释后掺入拌和料强制搅拌均匀.试件标准养护24h后拆模，经90℃高温蒸汽养护72h后标养至28d.

1.3 试验方法

采用IPC Global UTM-30动态液压伺服多功能材料疲劳试验机，分别对碳纳米管增强RPC试件进行立方体抗压、静载弯曲和弯曲循环疲劳加载.RPC试件有效跨径120mm，弯曲加载示意如图1所示.在弯曲循环疲劳加载试验中，以应力控制方式进行等幅正弦波疲劳加载，应力水平Smax=0.85、0.75和0.65，加载频率为15Hz.

图1 加载示意图Fig.1 Loading diagram(size:mm)

2 试验结果及分析

2.1 力学性能及微观结构

4组立方体抗压与静载弯曲试验所测得的28d强度平均值见表5.

表5 各组试件的28d强度试验结果

由表5可见：与基准组试件RPC-M0相比，碳纳米管掺量为0.05%、0.10%的RPC-M05、RPC-M10组试件抗压强度提升10.95%、16.25%，碳纳米管掺量为0.15%的RPC-M15组试件则降低14.19%；RPC-M05组试件的弯曲强度增幅达12.46%，为4组试件的峰值，随着碳纳米管掺量的进一步增加，其弯曲强度增幅出现下降趋势，RPC-M10组试件的弯曲强度提升6.38%，RPC-M15组试件的弯曲强度则降低3.93%.

对经过立方体抗压试验后的材料内部结构进行扫描电镜(SEM)观察，照片见图2.由图2可见：试件RPC-M0的骨料与胶凝材料界面衔接效果较差，存在界面剥离破坏，且自身内部存在气孔，随着试验荷载增加，内部孔隙将贯通形成破坏界面；试件RPC-M05的胶凝材料与骨料界面衔接效果较好但仍存在少量孔洞；试件RPC-M10的骨料与胶凝材料结合非常紧密，界面黏结完美，融为一体，孔洞数量少、孔隙率低；当碳纳米管掺量达到0.15%时，材料内部存在大量孔隙且有碳纳米管团聚现象.

图2 不同碳纳米管掺量下各试件的SEM照片Fig.2 SEM photos of specimens under different MWCNTs content

SEM观察结果表明，适量碳纳米管能填充RPC内部微孔洞，优化骨料与胶凝材料界面黏结性，但过多掺量的碳纳米管会在RPC中产生团聚现象，致使水化产物存在过多蜂窝状微观孔洞与孔隙.同时，由于碳纳米管的中空结构与较大的比表面积[11-12]，其掺入RPC中会夺取RPC水化反应所需水分和增大RPC的比表面积，在水胶比不变情况下，RPC材料的流动性将随着碳纳米管掺量的增加有所下降；且碳纳米管自身的类纤维特性也会发挥桥联效应，致使RPC内部各材料之间的黏结性增大，振捣时内部气体难以溢出，未溢出气体会形成较大宏观孔隙，使材料自身强度降低.分析结果表明：适量碳纳米管能优化混凝土内部结构并提升材料整体性，在RPC受裂界面以网格搭接形式增强其抗裂性能，初裂时消耗碳纳米管自身较高的断裂能，导致材料开裂强度提升，较大改善RPC力学性能；但过多掺量的碳纳米管会对RPC力学性能产生负面影响，致使碳纳米管的增强效果存在峰值.

2.2 疲劳性能

进行3种应力水平(0.85、0.75、0.65)下的疲劳加载试验，测得不同碳纳米管掺量下各试件的弯曲疲劳寿命N(每种应力水平下有6个试件，其疲劳寿命用N1～N6表示)，结果见表6.

表6 各试件的疲劳寿命

由表6可见，在弯曲疲劳荷载循环作用下，试件的疲劳寿命离散性与疲劳加载次数呈正相关；掺入碳纳米管能较好改善RPC的抗疲劳性能.为预测碳纳米管增强RPC的疲劳寿命，选择Weibull分布方程，该方程可简化为：

ln[ln(1/p)]=lnN-blnNa

(1)

式中各参数的物理意义见文献[13].式中ln[ln(1/p)]与lnN为线性相关，可令y=ln[ln(1/p)]，x=lnN，c=-blnNa，则式(1)可写成：

y=bx+c

(2)

将平均秩作为母体破坏率的估计量，则母体存活率的估计量p为:

(3)

式中：i为破坏试件在该组试件中的序号，i=1，2，…，m，m为该碳纳米管掺量下疲劳试件母体数量.

以ln[ln(1/p)]为纵坐标，lnN为横坐标，得到ln[ln(1/p)]-lnN关系曲线，如图3所示.线性拟合后发现，不同应力水平下，ln[ln(1/p)]与lnN的相关系数平均值在0.9以上，表明Weibull分布方程可较好地表述碳纳米管增强RPC的弯曲疲劳寿命.

图3 不同碳纳米管掺量下各试件的ln[ln(1/p)]-ln N拟合关系曲线Fig.3 ln[ln(1/p)]-ln N fitting curves of specimens under different MWCNTs contents

根据Weibull分布方程，拟合得到不同加载应力水平下碳纳米管增强RPC的弯曲疲劳寿命曲线，即Smax-N曲线；对Smax与疲劳寿命N取对数，可得到图4所示的lgSmax-lnN双对数曲线.不同碳纳米管掺量下的lgSmax-lnN拟合方程见表7.由表7可见，lgSmax与lnN具有良好的线性关系，可通过这些拟合方程来准确预估碳纳米管增强RPC在不同应力水平下的疲劳寿命.不同掺量碳纳米管增强RPC的疲劳寿命与应力水平的对应关系基本一致，即其疲劳寿命均随着应力水平降低而增大；相同条件下试件RPC-M05的疲劳寿命改善最为显著.

图4 lg Smax-ln N线性关系Fig.4 Linear relationship of lg Smax-ln N

表7 不同碳纳米管掺量下各组试件的lg Smax-ln N拟合方程

疲劳寿命试验数据表明：相同胶凝材料质量下，RPC中掺入一定量的碳纳米管可明显提升其抗疲劳性能，尤其以碳纳米管掺量为0.05%时的提升幅度最为显著，当应力水平分别为0.85、0.75和0.65时，RPC-M05组试件的平均寿命较基准组试件分别提升20.84%、102.82%和30.03%.值得注意的是，碳纳米管增强RPC的疲劳寿命随碳纳米管掺量变化的规律与弯曲强度改善规律一致.当加载应力水平减小至0.65时，RPC-M05与RPC-M10组试件的疲劳寿命趋于接近，且RPC-M10组试件的疲劳预估寿命大于RPC-M05组试件.这是由于在一定掺量范围内，试件依靠内部更多的碳纳米管消耗开裂能量，同时依靠其附着、包裹作用来增大胶凝材料与骨料、钢纤维之间的黏结，抑制裂缝扩展，从而改善了低应力水平下的RPC疲劳性能.

3 结论

(1)碳纳米管可使RPC的微观结构和整体性有较好提升，显著改善骨料与胶凝材料衔接界面；对RPC弯曲强度和疲劳性能均有增强作用且规律相同，在0.05%掺量时达到增幅峰值.

(2)碳纳米管增强RPC的立方体抗压强度与弯曲强度随着碳纳米管掺量的增加呈先增后降趋势.与基准组试件RPC-M0相比，碳纳米管掺量为0.05%、0.10%的RPC-M05、RPC-M10组试件抗压强度分别提升10.95%、16.25%，而碳纳米管掺量为0.15%的RPC-M15组试件降低14.19%；RPC-M05、RPC-M10组试件的弯曲强度分别提升12.46%与6.38%，而RPC-M15组试件降低3.93%.

(3)碳纳米管增强RPC的弯曲疲劳寿命符合Weibull分布模型，其疲劳曲线呈现良好的规律性.根据Smax-N曲线拟合的Weibull分布方程，可有效预测不同应力水平下碳纳米管增强RPC材料的疲劳寿命.