CN108558316A - 一种多壁碳纳米管混凝土 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多壁碳纳米管混凝土，其包括：自来水，粗骨料，细骨料，聚羧酸盐，多壁碳纳米管；所述水泥为普通硅酸盐水泥P.O42.5，所述粗骨料为连续级配的石灰石碎石，粒径范围为5mm‑12.5mm；所述细骨料的细度模数为2.7，属于中砂；所述混凝土的水灰比为0.28；其特征在于，所述混凝土中掺入多壁碳纳米管的掺入量为水泥质量的0.4%。本发明一种多壁碳纳米管混凝土，使水灰比为0.28的混凝土的抗折强度、混凝土的收缩率、抗开裂等性能显著改良。
Description
技术领域
本发明涉及增强混凝土，特别是涉及用多壁碳纳米管增强水灰比为0.28的混凝土。
背景技术
水泥混凝土是目前运用最为广泛的建筑工程材料，但其本身存在抗拉强度低、韧性差等缺点，近年来随着超高强混凝土的推广使用，工程结构物发生裂缝是一个普遍性的现象，严重影响混凝土结构的耐久性和安全性。 目前世界各国因混凝土结构物开裂问题带来的维修费用居高不下，严重制约土木行业的可持续发展。
碳纳米管(Carbon Nanotube, CNT)是改善水泥混凝土力学性能的有效组分之一。1991年，Lijima首先通过透射电子显微镜发现碳纳米管材料，该种材料属于一维纳米材料，具有优异的力学性能，其抗拉强度最高可达200GPa，弹性模量可达1TPa。根据结构的不同，碳纳米管可分为单壁结构和多壁结构。多壁碳纳米管由于制备和提纯技术要求不高，且价格相对较低，目前已经得到大规模的生产和运用。自被发现以外，碳纳米管材料被广泛地运用与增强陶瓷、合金、聚合物等复合材料，取得了很多实用性的成果。但碳纳米管在增强水泥基材料的研究中起步相对较晚。现有研究表明，碳纳米管材料的掺入，可以不同程度地提高水泥基材料的抗拉强度、抗压强度、弹性模量、断裂韧性、抗冻性和抗渗透性等。然而，当前有关碳纳米管对水泥混凝土的抗开裂性影响的研究还相对较少。
发明内容
本发明的目的是提供一种用多壁碳纳米管增强水灰比为0.28的混凝土，以解决现有的水灰比为0.28的混凝土抗拉强度、抗压强度、弹性模量、断裂韧性、抗冻性和抗渗透性不强的技术问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种多壁碳纳米管混凝土，所述混凝土包括水泥，自来水，粗骨料，细骨料，聚羧酸盐，多壁碳纳米管；所述水泥为普通硅酸盐水泥P.O42.5，所述粗骨料为连续级配的石灰石碎石，粒径范围为5mm-12.5mm；所述细骨料的细度模数为2.7，属于中砂；所述混凝土的水灰比为0.28；，其特征在于，所述混凝土中掺入多壁碳纳米管的掺入量为水泥质量的0.4%。
本发明如上所述的一种多壁碳纳米管混凝土，进一步，所述多壁碳纳米管的长度为10-30μm，直径为10-25nm，纯度不低于95%，比表面积不低于140 m2/g。
本发明的有益效果是：
利用本发明一种多壁碳纳米管混凝土，使水灰比为0.28的混凝土的抗折强度显著提高，混凝土的收缩率显著减少，抗开裂性能显著提高。
附图说明
图1为本发明实施例的多壁碳纳米管材料及其水溶液；
图2为本发明实施例的混凝土收缩试验装置；
图3为本发明实施例的混凝土环形约束试验装置；
图4为本发明实施例的不同CNT掺量混凝土的抗折强度；
图5为本发明实施例的不同CNT掺量混凝土收缩应变；
图6为本发明实施例的钢环应变发展；
图7为本发明实施例的混凝土开裂时间与CNT掺量关系；
图8 为本发明实施例的混凝土环裂缝宽度测试点；
图9 为本发明实施例的混凝土环裂缝宽度与CNT掺量关系。
具体实施方式
在下文中，将参照附图描述本发明的一种多壁碳纳米管混凝土的实施例。
在此记载的实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案。
本说明书的附图为示意图，辅助说明本发明的构思，示意性地表示各部分的形状及其相互关系。请注意，为了便于清楚地表现出本发明实施例的各部件的结构，各附图之间并未按照相同的比例绘制。相同的参考标记用于表示相同的部分。
实施例：
针对水灰比为0.28的水泥混凝土，掺入质量分数为水泥质量的0%、0.2%和0.4%的多壁碳纳米管，开展抗折强度试验、收缩试验和环形约束收缩试验，分析碳纳米管掺量对混凝土开裂性能的影响规律，以期为混凝土工程建设提供参考。
试验所用的混凝土材料配合比如表1所示，混凝土的水灰比为0.28。水泥为普通硅酸盐水泥P.O42.5。粗骨料为连续级配的石灰石碎石，粒径范围为5mm-12.5mm。细骨料的细度模数为2.7，属于中砂。拌合水为自来水。为提高拌合料的工作性，采用聚羧酸盐系高效减水剂。多壁碳纳米管的掺量分别为水泥质量的0%，0.2%和0.4%，其物理参数如表2所示。
表1 混凝土材料配合比
表2 多壁碳纳米管的物理指标
制备多壁碳纳米管混凝土的方法：称取所需的多壁碳纳米管材料加入拌合水中，手工初步搅拌后将碳纳米管水溶液放入频率为50kHz的超声仪水槽中振动25min，待多壁碳纳米管材料均匀分散在水溶液中(如图1所示)，将其加入混凝土干料中进行搅拌，搅拌时间为180s，最后成型相应的测试试件，放在温度为20±2℃，相对湿度为95%的标准养护室内进行养护。
1. 抗折强度试验
混凝土抗折强度试验的试件尺寸为400mm×100mm×100mm，在标准养护至1d、3d、7d和28d后进行测试，有关测试步骤根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2016)进行操作。每组试验进行3次平行试验，取平均值为抗折强度。
2.收缩试验
收缩试验的试件尺寸为400mm×100mm ×100mm，在标准养护1d后，移置恒温恒湿条件(20±2℃，50±5%)中测试收缩应变，每组试验进行3次平行试验，采用千分表读取收缩应变值，千分表精度为0.001mm，收缩装置如图2所示。
3. 环形约束试验
混凝土环形约束试验依据ASTM C1581标准进行测试，试验设备如图3所示。其中钢环的内径为305mm壁厚为15mm。混凝土环的内径为320mm，壁厚为40mm，高度为150mm。混凝土环试件浇筑前，在钢环内壁距离底部75mm，4等分点处贴应变片，通过测试钢环因混凝土挤压作用产生的变形来分析混凝土的抗开裂性能。混凝土环试件浇筑1d后拆掉外钢环，并置于与收缩试验相同的环境进行测试。
试验结果与分析
1. 抗折强度
不同掺量的碳纳米管混凝土的抗折强度随时间发展结果如图4所示。由图4可以看到，碳纳米管掺量为0%、0.2%和0.4%试验组的抗折强度均随着龄期的增加而增大，该现象主要与水泥水化反应随时间不断进行有关。
由图4还可看到，在碳纳米管掺量为0%-0.4%的范围内，不同龄期下掺碳纳米管的混凝土的抗折强度均要大于素混凝土的抗折强度，且碳纳米管的掺量越大，混凝土的抗折强度越高。例如，掺0.2%和0.4%碳纳米管的混凝土28d抗折强度分别比素混凝土的抗折强度高13.6%和21.3%，其原因与碳纳米管在混凝土中起到了预期的增强效果有关。此外，现有研究表明，碳纳米管材料在混凝土中存在一个最优掺量，一旦超过该掺量，碳纳米管混凝土的强度随着掺量的增加而下降。由图4推测可知，对于本研究采用的混凝土，0%-0.4%的碳纳米管掺量仍位于最优掺量范围内，且超声振荡方式能将碳纳米管材料均匀地分散在混凝土中。
2.收缩应变
不同掺量的碳纳米管混凝土在相对湿度为50%环境下的收缩应变如图5所示。三组试验的收缩应变均随着龄期的增加而增大，其原因与混凝土的水化反应消耗水分以及干燥失水有关。
在0%-0.4%碳纳米管掺量范围内，碳纳米管的掺量越大，混凝土的收缩应变越小。当碳纳米管掺量从0%增加至0.4%时，混凝土50d的收缩应变可减小18.4%，这与已有研究成果基本吻合。究其原因，混凝土的收缩应变与混凝土内部的微孔(直径小于20nm)含量有关，微孔含量越高，混凝土的收缩应变越大。本研究所用的碳纳米管的直径为10nm-25nm，碳纳米管在混凝土中能起到填充微孔的效果，减小微孔的含量，从而减小混凝土内部的毛细孔压力，因此混凝土的收缩应变减小。
暴露于干燥环境下的普通混凝土可采用式(1)来表征收缩应变的发展。本研究采用该式对不同掺量混凝土的收缩应变进行拟合，结果如图5曲线所示，可以看到拟合曲线与实测结果吻合较好，说明碳纳米管的掺入并不改变混凝土的收缩机理。
(1)
式中：εsh为混凝土收缩应变，a1、a2和a3分别为拟合参数；t0为混凝土的终凝时间，td为混凝土开始干燥的龄期。
3. 环形约束开裂性能
不同碳纳米管掺量试验组的钢环应变发展如图6所示。当混凝土暴露于干燥环境时，混凝土将发生收缩，该收缩变形受到钢环的约束，混凝土产生拉应力，而钢环产生压应力。图6中负的钢环应变值代表钢环受到混凝土挤压而产生的压应变。虽然环形约束试验不能直接测量混凝土的拉应力发展，但是通过分析钢环的压应变发展可以评估混凝土在收缩和徐变等多因素作用下的抗开裂性能。
由图6可以看到，三组试验的钢环压应变随着龄期的增加而增大，当钢环的压应变增大到一定值时，由于混凝土环的拉应力超过其抗拉强度，混凝土发生开裂，作用在钢环上的压应力被释放，因此钢环的应变恢复为零。
混凝土环的抗开裂性能可以根据ASTM C1581标准采用净开裂时间进行定量表征。图7汇总了三组试验的净开裂时间。由图7可以看到，混凝土的净开裂时间随着碳纳米管掺量增加而增大，当掺量从0%增大至0.4%时，净开裂时间从10.3d增加至14.8d，提高了43.2%，该结果表明，碳纳米管的掺入有助提高混凝土的抗开裂性能。其原因与碳纳米管在混凝土中起到桥联作用有关。这种桥联作用能使均匀分散在混凝土的碳纳米管承受一定的荷载，减小混凝土的受力，因此能有效地延缓混凝土的净开裂时间，提高混凝土的抗开裂性能。
本研究还对混凝土环开裂后的裂缝宽度进行分析。采用读数显微镜测量裂缝的宽度，三组试验裂缝宽度的测试均在混凝土龄期达到20d时进行。测点共计5个，沿高度方向等距分布，如图8所示，取平均值作为裂缝宽度，三组试验的裂缝宽度如图9所示。由图9可以看到，混凝土的裂缝宽度随着碳纳米管掺量的增加而减小。当碳纳米管掺量从0%增大至0.4%时，裂缝宽度从0.27mm降低至0.19mm。该现象表明，碳纳米管不仅可以提高混凝土的抗开裂性能，还有利于减小裂缝宽度。
Claims (2)
1.一种碳纳米管混凝土，所述混凝土包括水泥，自来水，粗骨料，细骨料，聚羧酸盐，多壁碳纳米管；所述水泥为普通硅酸盐水泥P.O42.5，所述粗骨料为连续级配的石灰石碎石，粒径范围为5mm-12.5mm；所述细骨料的细度模数为2.7，属于中砂；所述混凝土的水灰比为0.28；其特征在于，所述混凝土中掺入多壁碳纳米管的掺入量为水泥质量的0.4%。
2.根据权利要求1所述的混凝土，其特征在于，多壁碳纳米管的长度为10-30μm，直径为10-25nm，纯度不低于95%，比表面积不低于140 m2/g。
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