摘要
为研究聚乙烯醇(PVA)纤维和碳纳米管(CNTs)对混凝土力学性能的影响,制备了不同PVA纤维和CNTs掺量的混凝土试件来进行抗压、劈裂抗拉以及抗折试验,并通过数字图像相关(DIC)技术对试件在抗折试验下的裂缝扩展进行了全过程监测.结果表明:当PVA纤维体积分数和CNTs质量分数均为0.15%时,混凝土试件的力学性能最优;DIC应变云图直观展示了混凝土试件在抗折试验过程中的裂缝扩展,可以对裂缝的位置以及发育方向进行准确地判别;PVA纤维和CNTs通过桥接作用延缓了水泥基体中微裂缝的发展,改善了混凝土的微观结构,表现出正混杂效应.
混凝土在服役过程中容易产生裂缝,从而影响其力学和耐久性
近年来,碳纳米管(CNTs)由于其优异的力学性能,逐渐成为研究的热点.研究发
基于此,本文采用PVA纤维和CNTs作为增强材料,制备PVA纤维及CNTs增强混凝土复合材料,通过抗压、劈裂抗拉及抗折试验来研究单掺和复掺PVA/CNTs对混凝土力学性能的影响,以期能充分发挥PVA纤维与CNTs在宏观和微观尺度上抑制混凝土裂缝发展中的互补作用.同时,采用3D数字图像相关技术(DIC)对混凝土试件在抗折试验过程中裂缝的分布以及扩展过程进行实时监测.此外,通过扫描电镜(SEM)观察PVA纤维和CNTs增强混凝土的微观结构,继而探讨PVA纤维和CNTs对混凝土的增强机制.
水泥采用安徽海螺水泥有限公司生产的P∙O 42.5普通硅酸盐水泥,比表面积为1.439
CaO | SiO2 | Al2O3 | SO3 | Fe2O3 | MgO | IL |
---|---|---|---|---|---|---|
63.8 | 20.6 | 4.5 | 2.7 | 2.3 | 2.2 | 1.6 |
Diameter/nm | Length/µm | Purity(by mass)/% | Specific surface area/( | True density/(g·c | w(‑COOH)/% |
---|---|---|---|---|---|
10-30 | 10-30 | 95 | 110 | 2.1 | 1.55 |
Length/mm | Diameter/mm | Density/(g·c | Tensile strength/MPa | Elastic modulus/GPa | Elongation/% |
---|---|---|---|---|---|
12 | 0.04 | 1.3 | 1 560 | 41 | 6.5 |
本试验参考以往的研
Specimen No. | Mix proportion/(kg· | w(SP)/% | w(CNTs)/% | φ(PVA)/% | |||
---|---|---|---|---|---|---|---|
Cement | Sand | CAs | Water | ||||
C0 | 469 | 610 | 1 183 | 188 | 0.15 | 0 | 0 |
P15 | 469 | 610 | 1 183 | 188 | 0.15 | 0 | 0.15 |
C15 | 469 | 610 | 1 183 | 188 | 0.15 | 0.15 | 0 |
CP5 | 469 | 610 | 1 183 | 188 | 0.15 | 0.15 | 0.05 |
CP10 | 469 | 610 | 1 183 | 188 | 0.15 | 0.15 | 0.10 |
CP15 | 469 | 610 | 1 183 | 188 | 0.15 | 0.15 | 0.15 |
CP20 | 469 | 610 | 1 183 | 188 | 0.15 | 0.15 | 0.20 |
CP25 | 469 | 610 | 1 183 | 188 | 0.15 | 0.15 | 0.25 |
由于碳纳米管很难均匀的分布在水泥基复合材料中,导致不能发挥其增强功能.文献[
新拌混凝土的坍落度试验参照GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》进行.混凝土抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度试验均参照GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》进行.抗压强度和劈裂抗拉强度试验采用尺寸为100 mm的立方体试件,抗折强度试验采用尺寸为100 mm×100 mm×400 mm的棱柱体试件,每组试验准备3个平行试件,结果取其平均值.
采用WAW‑31000型万能试验机对混凝土试件进行抗压、劈裂抗拉和抗折试验.其中:抗压和劈裂抗拉试验的加载方式采用力控制,加载速率分别为0.5 MPa/s和0.05 MPa/s;抗折试验采用位移加载方式,加载速率为0.05 mm/min.同时,利用3D DIC对抗折试验中试件的裂缝发展过程进行全程观测.
Specimen No. | Slump/mm | Growth rate/% | Specimen No. | Slump/mm | Growth rate/% |
---|---|---|---|---|---|
C0 | 174 | CP10 | 107 | -38.51 | |
P15 | 155 | -10.92 | CP15 | 100 | -42.53 |
C15 | 122 | -29.89 | CP20 | 89 | -48.85 |
CP5 | 115 | -33.91 | CP25 | 81 | -53.45 |
(1)单掺PVA纤维略微降低了混凝土的坍落度,单掺CNTs则显著降低了混凝土的坍落度.这是因为CNTs的尺寸达到纳米级,具有较大的比表面积,可以吸附更多的水,增大了混凝土的需水量,从而使新拌混凝土的坍落度降低.
(2)复掺PVA/CNTs时混凝土的坍落度低于单掺PVA纤维和CNTs混凝土的坍落度,且随着PVA纤维掺量的增加,混凝土的坍落度逐渐降低.这是因为PVA纤维会互相搭接形成“网络结构”,阻碍了新拌混凝土的流动.随着PVA纤维掺量的增加,这种“网络结构”逐渐增多,降低了混凝土的流动
PVA纤维和CNTs对混凝土强度的影响如
Specimen No. | Compressive strength/MPa | Growth rate of compressive strength/% | Splitting tensile strength/MPa | Growth rate of splitting tensile strength/% |
---|---|---|---|---|
C0 | 43.08 | 3.10 | ||
P15 | 44.62 | 3.58 | 4.13 | 33.23 |
C15 | 45.37 | 5.32 | 4.01 | 29.35 |
CP5 | 47.37 | 9.96 | 4.05 | 30.65 |
CP10 | 47.01 | 9.12 | 4.10 | 32.26 |
CP15 | 46.80 | 8.64 | 4.25 | 37.10 |
CP20 | 46.46 | 7.85 | 4.32 | 39.35 |
CP25 | 43.03 | -0.12 | 3.86 | 24.52 |
(1)单掺PVA纤维和CNTs均可提高混凝土的抗压强度.复掺PVA/CNTs后,混凝土的抗压强度较单掺时有所提高,当PVA纤维掺量为0.05%时强度达到最大值.继续增大PVA纤维的掺量,混凝土的抗压强度逐渐降低.当PVA纤维掺量为0.20%时,混凝土的抗压强度甚至低于对照组.
(2)相比于抗压强度,PVA纤维和CNTs对混凝土劈裂抗拉强度的提升效果更为显著.与试件C0相比,试件P15和C15的劈裂抗拉强度分别提高了33.23%和29.35%.复掺PVA/CNTs后,混凝土的劈裂抗拉强度随着PVA纤维掺量的增加呈现出先增大后降低的趋势.当PVA纤维掺量为0.20%时,复掺PVA/CNTs混凝土的劈裂抗拉强度达到最大值,比对照组混凝土提高了39.35%.
Specimen No. | Flexural strength/MPa | Growth rate/% | Specimen No. | Flexural strength/MPa | Growth rate/% |
---|---|---|---|---|---|
C0 | 4.46 | CP10 | 5.18 | 16.14 | |
P15 | 5.16 | 15.70 | CP15 | 5.32 | 19.28 |
C15 | 5.07 | 13.68 | CP20 | 5.21 | 16.82 |
CP5 | 5.12 | 14.80 | CP25 | 4.98 | 11.66 |

图1 PVA纤维和CNTs增强混凝土的抗折荷载-位移曲线
Fig.1 Flexural load‑displacement curves of PVA fibers and CNTs reinforced concrete
(1)单掺PVA纤维和CNTs也能显著提高混凝土的抗折强度.与抗压强度、劈裂抗拉强度类似,复掺PVA/CNTs混凝土的抗折强度优于单掺PVA纤维和CNTs的混凝土,体现了PVA纤维和CNTs的“正混杂效应”.此外,复掺PVA/CNTs时,随着PVA纤维掺量的增加,混凝土的抗折强度先增大后降低.与试件C0相比,试件CP5、CP10、CP15、CP20和CP25的抗折强度分别提高了14.80%、16.14%、19.28%、16.82%和11.66%.当PVA纤维掺量为0.15%时,混凝土的抗折强度取得最大值5.32 MPa. 当PVA纤维掺量超过0.15%后,混凝土的抗折强度有所下降.
(2)所有试件在达到峰值荷载前均表现出近似的线性行为,并且在达到峰值荷载后曲线陡然下降,这与Sagar
荷载位移曲线下的面积代表了挠曲韧性,可用于评估PVA纤维和CNTs增强混凝土的断裂

图2 单掺和复掺PVA/CNTs增强纤维混凝土的断裂能
Fig.2 Fracture energy of reinforced concrete with single and composite PVA/CNTs
为了探索PVA纤维和CNTs增强混凝土在弯曲荷载作用下裂缝的发展规律,通过DIC图像处理,得到了所有试件的损伤应变云图,即试件的裂缝开展情况,如

图3 试件在不同荷载下的应变云图
Fig.3 Strain cloud diagrams of specimens under different loads
由
通过DIC技术对PVA纤维和CNTs增强混凝土抗折试验的全过程分析,清楚直观地展示了在不同荷载作用下试件的裂缝发展过程.相比单掺CNTs混凝土试件,掺入PVA纤维后混凝土试件裂缝的高度和宽度明显变小.复掺PVA/CNTs后,混凝土试件在峰值荷载时的裂缝进一步减小,表明PVA纤维和CNTs能有效控制混凝土裂缝的开展.
PVA纤维和CNTs对混凝土力学性能的影响如

图4 PVA纤维和CNTs对混凝土力学性能的影响
Fig.4 Effect of PVA fiber and CNTs on mechanical properties of concrete

图5 混凝土的形貌
Fig.5 Structure of concrete
由上述试验结果可知,单掺CNTs能够显著提高混凝土的力学性能.这是因为CNTs的微填充效应可以填充水泥水化产物之间的孔隙,细化基体的孔结构,提高了水泥基体的密实
复掺PVA/CNTs后,混凝土的力学性能优于分别单掺PVA纤维和CNTs混凝土的力学性能.从
(1)单掺聚乙烯醇(PVA)纤维和碳纳米管(CNTs)显著提高了混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度.复掺PVA/CNTs后进一步增强了混凝土的力学性能,但增强效果并不明显. 复掺时,0.15%掺量的PVA纤维和CNTs增强混凝土具有较为平衡的力学性能.
(2)单掺PVA纤维和CNTs均可以提高混凝土的断裂能,PVA纤维对混凝土断裂能的提升效果更显著.复掺时,随着PVA纤维掺量的增大,混凝土的断裂能逐渐增大.0.15%质量分数的CNTs和0.25%体积分数的PVA纤维将混凝土的断裂能提高了48.35%.
(3)数字图像相关技术(DIC)清晰地表征了混凝土试件在抗折试验过程中的裂缝扩展行为,对于肉眼难以观察的微小裂缝,DIC也可以敏锐地捕捉,可将其应用于监测纤维增强混凝土的裂缝位置及开展过程.
(4)CNTs通过填充、桥接水泥基体中的微裂缝改善了普通混凝土的微观结构,增强了混凝土的力学性能.复掺PVA纤维和CNTs可以在不同尺度上桥接水泥基体中的裂缝,抑制裂缝的产生和扩展.此外,CNTs的存在使得PVA纤维和水泥基体之间有着更为致密的界面过渡区,进一步增强了二者之间的界面黏结性能.PVA纤维掺入后与CNTs表现出正混杂效应,宏观表现为混凝土力学性能的提高.
参考文献
ALSHAGHEL A, PARVEEN S, RANA S, et al. Effect of multiscale reinforcement on the mechanical properties and microstructure of microcrystalline cellulose‑carbon nanotube reinforced cementitious composites[J]. Composites Part B: Engineering, 2018, 149:122‑134. [百度学术]
牛旭婧,朋改非,何杰,等. 多尺度钢纤维组合与碳纳米管对RPC力学性能影响[J]. 建筑材料学报, 2020, 23(1):216‑223. [百度学术]
NIU Xujing, PENG Gaifei, HE Jie, et al. Influence of multi‑scale steel fiber combination and carbon nanotube on mechanical properties of reactive powder concrete[J]. Journal of Building Materials, 2020, 23(1):216‑223. (in Chinese) [百度学术]
NOCHAIYA T, CHAIPANICH A. Behavior of multi‑walled carbon nanotubes on the porosity and microstructure of cement‑based materials[J]. Applied Surface Science, 2011, 257(6):1941‑1945. [百度学术]
WANG B M, HAN Y, LIU S. Effect of highly dispersed carbon nanotubes on the flexural toughness of cement‑based composites[J]. Construction and Building Materials, 2013, 46:8‑12. [百度学术]
WANG L, HE T S, ZHOU Y X, et al. The influence of fiber type and length on the cracking resistance, durability and pore structure of face slab concrete[J]. Construction and Building Materials, 2021, 282:122706. [百度学术]
SINDU B S, SASMAL S. On the development and studies of nano‑and micro‑fiber hybridized strain hardened cementitious composite[J]. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2019, 19(2):348‑359. [百度学术]
CHENG Z J, LU Y Y, AN J P, et al. Multi‑scale reinforcement of multi‑walled carbon nanotubes/polyvinyl alcohol fibers on lightweight engineered geopolymer composites[J]. Journal of Building Engineering, 2022, 57:104889. [百度学术]
SANCHAYAN S, FOSTER S J. High temperature behaviour of hybrid steel‑PVA fibre reinforced reactive powder concrete[J]. Materials and Structures, 2016, 49(3):769‑782. [百度学术]
郑冰淼,陈嘉琪,施韬,等. 多壁碳纳米管增强混凝土的断裂性能[J]. 硅酸盐学报, 2021, 49(11):2502‑2508. [百度学术]
ZHENG Bingmiao, CHEN Jiaqi, SHI Tao, et al. Fracture properties of multi‑walled carbon nanotubes reinforced concrete[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2021, 49(11):2502‑2508. (in Chinese) [百度学术]
ALREKABI S, CUNDY A B, LAMPROPOULOS A, et al. Mechanical performance of novel cement‑based composites prepared with nano‑fibres, and hybrid nano‑and micro‑fibres[J]. Composite Structures, 2017, 178:145‑156. [百度学术]
NALON G H, RIBEIRO J C L, PEDROTI L G, et al. Residual piezoresistive properties of mortars containing carbon nanomaterials exposed to high temperatures[J]. Cement and Concrete Composites, 2021, 121:104104. [百度学术]
张鹏,王磊,王娟,等. 纳米CaCO3和PVA纤维增强混凝土工作性及力学性能的研究[J]. 混凝土与水泥制品, 2020(3):42‑45, 54. [百度学术]
ZHANG Peng, WANG Lei, WANG Juan, et al. Study on the workability and mechanical properties of nano‑CaCO3 and PVA fiber reinforced concrete[J]. China Concrete and Cement Products, 2020(3):42‑45, 54. (in Chinese) [百度学术]
SAGAR B, SIVAKUMAR M V N. Compressive properties and analytical modelling for stress‑strain curves of polyvinyl alcohol fiber reinforced concrete[J]. Construction and Building Materials, 2021, 291:123192. [百度学术]
RUAN Y F, HAN B G, YU X, et al. Carbon nanotubes reinforced reactive powder concrete[J]. Composites Part A:Applied Science and Manufacturing, 2018, 112:371‑382. [百度学术]
YU J, ZHANG M, LI G Y, et al. Using nano‑silica to improve mechanical and fracture properties of fiber‑reinforced high‑volume fly ash cement mortar[J]. Construction and Building Materials, 2020, 239:117853. [百度学术]
牛荻涛,何嘉琦,傅强,等. 碳纳米管对水泥基材料微观结构及耐久性能的影响[J]. 硅酸盐学报, 2020, 48(5):705‑717. [百度学术]
NIU Ditao, HE Jiaqi, FU Qiang, et al. Effect of carbon nanotubes on microstructure and durability of cement‑based materials[J]. Journal of the Chinese Ceramic Society, 2020, 48 [百度学术]
705‑717. (in Chinese) [百度学术]
LI G Y, MORLOR C S, LEUNG C, et al. Mechanical properties and fractal analysis of cement mortar incorporating styrene‑butadiene rubber latex and carboxylated MWCNTs[J]. Construction and Building Materials, 2021, 309:125175. [百度学术]