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        氧化石墨烯對超高性能混凝土力學(xué)性能的影響研究

        2021-06-15 02:43:02吳玉友詹根瑞
        關(guān)鍵詞:抗折高性能力學(xué)性能

        魯 權(quán),吳玉友,詹根瑞

        (佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 交通與土木建筑學(xué)院,廣東 佛山 528000)

        超高性能混凝土(UHPC)是具有超高力學(xué)性能、優(yōu)異耐久性的水泥基材料的統(tǒng)稱,最早由LARRARD[1]等人于1994 年提出。通過剔除粗骨料、優(yōu)化顆粒級配、使用聚羧酸減水劑、摻入活性礦物摻和料、摻入鋼纖維和加溫加壓養(yǎng)護等方法降低UHPC 的孔隙率使得基體更加密實從而提高強度。我國規(guī)范《活性粉末混凝土》(GB/T31387-2015)[2]對UHPC 用原材料提出了明確的要求,但對于原材料的優(yōu)化設(shè)計并沒有提出明確要求。冷政[3]采用水泥、硅灰、微珠與偏高嶺土等膠凝材料設(shè)計的UHPC 標養(yǎng)90 d 抗壓強度可達208.8 MPa。劉永道[4]采用水泥、微珠、硅灰、河砂與石英粉等原材料制備出標養(yǎng)28 d抗壓強度達179.6 MPa 的UHPC。

        納米材料是20 世紀末發(fā)展起來的一種新型材料,由于其獨特的性能與廣闊的應(yīng)用前景,相關(guān)的研究取得了長足的發(fā)展,被譽為跨世紀的新材料。徐慎春、吳成清[5]研究了鋼纖維與納米SiO2、納米CaCO3、納米TiO2和Al2O3復(fù)摻對UHPC 力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明2.5%超細鋼纖維與3%納米Al2O3組合對UHPC 的力學(xué)性能的增強最為明顯。黃政宇、曹方良[6],黃政宇、祖天鈺[7]研究了納米CaCO3對UHPC 性能的影響,結(jié)果表明摻入3%的納米碳酸鈣會導(dǎo)致UHPC 工作性能的下降,但力學(xué)性能的提升顯著,與對照組相比抗折強度提升28.22%。YU[8]等將納米SiO2用于UHPC 中并研究了其對UHPC 水化和微觀結(jié)構(gòu)發(fā)展的影響,納米SiO2的成核效應(yīng)補償了由于大摻量高效減水劑引起的延緩水化作用;隨著納米SiO2的加入,UHPC 粘度增加,提高了體系中的含氣量,在低孔隙率UHPC 的條件下,納米SiO2的成核效應(yīng)與引氣效果可以得到很好的平衡。

        氧化石墨烯(GO)具有獨特的準二維層狀結(jié)構(gòu),層間距為0.7~1.2 nm,彈性模量可達0.25 TPa,其表面含有大量的極性含氧基團如羥基、羧基、環(huán)氧基和酯基等,這使得GO 具有活性且易與許多聚合物基質(zhì)相容,因此成為提高水泥基材料密實度的理想材料。雷斌[9]研究了氧化石墨烯對再生混凝土的性能影響,結(jié)果表明摻入氧化石墨烯能夠提高混凝土的抗壓和抗折強度,再生混凝土中摻入氧化石墨烯后的抗凍性能先下降后提高,摻入0.06% GO 使再生砂漿和普通砂漿的微觀結(jié)構(gòu)更加致密,孔隙率降低,生成了更多的水化產(chǎn)物。WU 等[10]研究了氧化石墨烯混凝土的力學(xué)性能,結(jié)果表明:當(dāng)GO 摻量為0.03%時,混凝土的劈拉強度最大,混凝土的力學(xué)性能隨著GO 摻量的增加而提高。LU 等[11]研究了氧化石墨烯(GO)納米片對超高強混凝土力學(xué)性能的影響,結(jié)果表明隨著納米GO 的摻入,流動度降低,適當(dāng)?shù)膿搅亢土己梅稚O 納米片能夠有效地提升超高強混凝土的力學(xué)性能。但GO 對UHPC 力學(xué)性能的影響卻鮮有報道。

        基于以上文獻,本文制備了氧化石墨烯超高性能混凝土(GO-UHPC),研究了標準養(yǎng)護下與蒸汽養(yǎng)護下GO 對UHPC 流動度、抗壓強度、抗折強度等性能的影響,為GO-UHPC 的發(fā)展及可能工程應(yīng)用進行了探索。

        1 試驗

        1.1 試驗材料

        水泥采用哈爾濱亞泰集團生產(chǎn)的天鵝牌P.O.425 水泥;硅灰平均粒徑為0.1 um,比表面積大于16×104 cm2/g,SiO2含量為95.3%;S95 礦粉,比表面積為418 kg/m2;一級粉煤灰,300~400 目;所用砂為機制石英砂;石英粉目數(shù)為300 目;減水劑采用上海錦宣實業(yè)公司提供的白色粉末狀聚羧酸高效減水劑,減水率30%以上;氧化石墨烯由深圳烯材科技有限公司提供,其主要片徑分布范圍為0.5~3 um,單層率為91%,平均厚度為1.1~1.2 nm,具有良好分散性。試驗配合比表1,GO 摻量分別為0、0.01%、0.02%、0.03%、0.04%,并分別以GUh-0、GUh-1、GUh-2、GUh-3、GUh-4 表示。

        表1 超高性能混凝土配合比

        1.2 試驗制備

        將膠凝材料、機制石英砂與減水劑一同倒入攪拌鍋中,干拌2 min,在之后的30 s 內(nèi),將制備的氧化石墨烯分散液均勻投入到攪拌鍋中,低速攪拌2 min,再高速攪拌3 min。攪拌完成后倒入40×40×160 mm試模中,及時覆蓋塑料保鮮膜,將試件置于養(yǎng)護室內(nèi)靜停24 h 后拆模。試件分別放置在標準養(yǎng)護室與蒸汽養(yǎng)護中,其中蒸汽養(yǎng)護是以15 ℃/h 的升溫升至90 ℃保持48 h,再以10 ℃/h 降溫至室內(nèi)溫度,最后移入標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護至檢測齡期。

        1.3 試驗方法

        流動度按照《水泥膠砂流動度測定方法》(GB/T2419-2015)規(guī)定的跳桌法進行;強度測試按照《活性粉末混凝土》(GB/T31385-2015)要求,抗折強度加荷速率為0.1 MPa/s,抗壓強度加荷速率為1.2 MPa/s。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 GO 對UHPC 流動度的影響

        圖1 為摻入氧化石墨烯后GO-UHPC 的流動度大小,可以看到,隨著氧化石墨烯的摻入,流動度呈逐漸降低的趨勢,摻入0.01%與摻入0.02%時流動度變化不大。由于氧化石墨烯的粒徑非常小,具有小尺寸效應(yīng),能夠填充膠凝材料中的孔隙,置換出部分自由水,導(dǎo)致膠凝材料能接觸到的自由水變少;GO 較大的比表面積所需的表層吸附水量增加,對膠凝材料需水量的影響較大,導(dǎo)致UHPC 基體的稠度增加,粘聚性增強,流動度下降。

        圖1 GO 對UHPC 流動度的影響

        2.2 GO 對UHPC 抗壓強度的影響

        圖2 為蒸汽養(yǎng)護和標準養(yǎng)護時氧化石墨烯對超高性能混凝土抗壓強度的影響。從圖中可以看出,在蒸養(yǎng)與標養(yǎng)的條件下抗壓強度均隨著氧化石墨烯的摻入而提高。在蒸汽養(yǎng)護的條件下,當(dāng)摻入0.02%GO 時,GO-UHPC 抗壓強度達到最大值,7 d、28 d、56 d 的抗壓強度分別為97.56 MPa、125.91 MPa 和130.12 MPa。與未摻入GO 的基準UHPC 相比,7 d、28 d、56 d 的抗壓強度分別為90.86 MPa、108.01 MPa 和112.58 MPa,同比提升7.37%、16.6%和15.58%。在標準養(yǎng)護條件下,強度規(guī)律亦是如此。摻入0.02%GO 抗壓強度分別提升5.33%、1.83%和7.46%,相比蒸汽養(yǎng)護提升非常小。一方面是由于蒸汽養(yǎng)護能夠加快水化速率,促進C-S-H 凝膠的形成,火山灰效應(yīng)明顯,導(dǎo)致在蒸汽養(yǎng)護下UHPC 的抗壓強度遠遠大于標準養(yǎng)護下的UHPC[12];另一方面說明氧化石墨烯具有一定的促進水化作用,能夠進一步填充UHPC 水泥基的孔隙,提高密實度,達到提高抗壓強度的效果。對比標準養(yǎng)護和蒸汽養(yǎng)護的強度可以發(fā)現(xiàn),標準養(yǎng)護的后期強度增長率明顯高于蒸汽養(yǎng)護增長率,其原因主要與水化程度有關(guān)。

        圖2 GO 對UHPC 抗壓強度的影響

        2.3 GO 對UHPC 抗折強度的影響

        圖3 為蒸汽養(yǎng)護與標準養(yǎng)護的條件下,氧化石墨烯對超高性能混凝土抗折強度的影響。從圖中可以看出GO 對超高性能混凝土抗折強度的影響與抗壓強度相似,在蒸汽養(yǎng)護下,當(dāng)摻入0.02%的GO 時UHPC 的抗折強度在7 d、28 d、56 d 分別為20.83 MPa、23.17 MPa 和24.82 MPa,與不摻GO 的對照組相比分別提升了7.04%、13.2%和5.57%。而在標準養(yǎng)護的條件下,摻入0.03%GO 抗折強度高于同條件下0.02%摻量的GO-UHPC,28 d 抗折強度提升17.4%。說明在適當(dāng)?shù)膿搅肯?,氧化石墨烯有效提高了基體的密實性,延緩了裂紋出現(xiàn)的時間,提高了GO-UHPC 抵抗應(yīng)變的能力。

        圖3 GO 對UHPC 抗折強度的影響

        3 結(jié)論

        本文研究了蒸汽養(yǎng)護和標準養(yǎng)護下氧化石墨烯對超高性能混凝土流動度、抗壓強度和抗折強度等性能的影響,結(jié)果表明:

        (1)摻入氧化石墨烯會降低超高性能混凝土的流動度,當(dāng)摻入0.02%GO 時,流動度與摻入0.01%GO 時變化不大,表明0.02%GO 是UHPC 體系中摻量較優(yōu)值;

        (2)蒸汽養(yǎng)護與標準養(yǎng)護下氧化石墨烯均能夠提升UHPC 的力學(xué)性能,其中摻入0.02%GO 提升最為明顯,這與流動度的結(jié)論相符合;

        (3)實驗結(jié)果表明摻入0.02%GO 對UHPC 性能具有較大的提升作用,摻入過量的GO 對UHPC 強度提升有限。

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