碳纖維混凝土抗?jié)B試驗(yàn)研究

于良，程華，朱國華

（后勤工程學(xué)院 軍事建筑工程系，重慶 401311）

碳纖維混凝土抗?jié)B試驗(yàn)研究

于良，程華，朱國華

（后勤工程學(xué)院 軍事建筑工程系，重慶 401311）

1 研究概論

1.1 研究目的

碳纖維是一種性能優(yōu)良的新型纖維材料，具有輕質(zhì)高強(qiáng)、高彈性模量等特性，線膨脹系數(shù)幾乎為零，甚至“熱縮冷脹”，碳纖維加入混凝土后具有極好的阻裂能力，在阻止內(nèi)部微裂縫的擴(kuò)展并阻滯宏觀裂縫的發(fā)生和發(fā)展方面起到明顯的作用[1]。隨著碳纖維成本的降低，碳纖維混凝土現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，在屋面防水工程中的應(yīng)用收到了良好的效果。

本文基于對碳纖維摻量為0.8%的碳纖維混凝土與素混凝土進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)性能對比研究，研究碳纖維對混凝土抗?jié)B性能的作用效果，對碳纖維混凝土在實(shí)際工程中的抗?jié)B性能應(yīng)用給出參考數(shù)據(jù)。

1.2 混凝土滲透機(jī)理

混凝土由于自身澆筑時本身就存在一定的不密實(shí)性，在養(yǎng)護(hù)的初期，由于水化反應(yīng)放出水化熱，混凝土內(nèi)部水分蒸發(fā)時形成很多微細(xì)毛細(xì)孔，使混凝土的孔隙率增加。又因?yàn)榛炷琉B(yǎng)護(hù)過程中體積發(fā)生收縮，導(dǎo)致內(nèi)部受到拉應(yīng)力作用大于混凝土本身的抗拉強(qiáng)度時就會產(chǎn)生微細(xì)裂縫。毛細(xì)孔和微細(xì)裂縫在混凝土內(nèi)部形成水通道，在混凝土表面接觸到水時，水分通過吸附和表面擴(kuò)散作用進(jìn)入混凝土的空隙，在壓力差和毛細(xì)孔壓力的作用下使水分向混凝土內(nèi)部遷移，水分在微細(xì)水通道內(nèi)流動滲透，滲透達(dá)到表層時水分發(fā)生蒸汽擴(kuò)散，使?jié)B透得以持續(xù)進(jìn)行[2]。

影響混凝土滲透性能的因素最主要的是其本身材料結(jié)構(gòu)的組成，包括水灰比的大小，集料的多少，粉煤灰、硅粉等摻合料的多少，內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)的形式和孔隙率的大小等。水灰比越大，水泥水化速度越低，水化時留下的毛細(xì)孔越多，因此混凝土的抗?jié)B性能越差。粉煤灰、硅粉等顆粒細(xì)小的摻和料加入混凝土能夠填充內(nèi)部空隙，使混凝土結(jié)構(gòu)變得更加致密，增強(qiáng)了混凝土的抗?jié)B性能。

提高混凝土自身的密實(shí)性、減少養(yǎng)護(hù)過程中內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生、減小混凝土體積收縮率是增強(qiáng)混凝土抗?jié)B性能的最有效最根本的方法。實(shí)際工程中常通過降低水灰比，添加硅粉、粉煤灰等措施來提高混凝土的抗?jié)B性能。

1.3 混凝土抗?jié)B試驗(yàn)研究方法

混凝土的抗?jié)B試驗(yàn)研究有多種方法，我國試驗(yàn)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中采用的是抗?jié)B標(biāo)號法，將6個高度為150mm圓臺型試件安裝在混凝土滲透儀上，從0.1MPa的水壓力開始加壓，每隔8h升0.1mm水壓力，直到6個試件中有3個被水壓力穿透到表面有水滲出為止。將此時的水壓力值通過一個簡單的線性關(guān)系換算成整數(shù)，這個整數(shù)即所謂的抗?jié)B標(biāo)號。該方法在實(shí)際工程中評價混凝土的抗?jié)B性能十分合適，但因?yàn)槠鋬H僅得到一個抗?jié)B標(biāo)號，對于科學(xué)研究來講，數(shù)據(jù)缺乏直接性的對比。

另一種方法為滲透深度法，即將3個高度為150mm圓臺型試件安裝在混凝土滲透儀上，在1.2MPa的恒定水壓力下放置24h，然后取下放置24h后再將試件用壓力試驗(yàn)機(jī)劈裂開試件，劈裂面上水上升的高度即為滲透高度，將3個試件取平均值得到平均滲透高度。并通過公式(1)得到相對滲透系數(shù)，其可以作為混凝土抗?jié)B性能的評價指標(biāo)。

式中K-滲透系數(shù)法測量的滲透系數(shù)；

d-平均滲透高度（cm）；

v-混凝土的孔隙率；

t-恒定壓力試件（s）；

H-水頭高度（cm）。

采用此方法得到的滲透高度及相對滲透系數(shù)數(shù)據(jù)比較直觀，便于直接對比和分析研究。因此本文采用此方法進(jìn)行碳纖維混凝土的抗?jié)B性能研究。

2 抗?jié)B試驗(yàn)方案

2.1 碳纖維混凝土抗?jié)B試驗(yàn)采用方法

根據(jù)試驗(yàn)的目的，該試驗(yàn)采用以上所說的滲透深度法，分別對素混凝土和0.8%碳纖維摻量的碳纖維混凝土進(jìn)行抗?jié)B試驗(yàn)，分別得出兩組試件的滲透高度及相對滲透系數(shù)。

2.2 試件制作

試件的尺寸為175mm×185mm×150mm的圓臺型，即試件上圓面直徑為175mm，下圓面直徑為185mm，試件高度為150mm。每組分別制作3個試件，共計(jì)6個試件。

基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度選為C25，水泥為42.5R普通硅酸鹽水泥，砂為天然細(xì)河沙，石子為碎石，最大粒徑不超過10mm，減水劑為萘系減水劑。碳纖維使用威海拓展纖維有限公司生產(chǎn)的長度為25mm的CCF300-12K碳纖維，其性能指標(biāo)見表1。

表1 碳纖維性能指標(biāo)

配制基準(zhǔn)混凝土試件強(qiáng)度為C25，試驗(yàn)配合比為水泥∶水∶砂∶石子=1∶0.55∶1.92∶3.27。素混凝土中減水劑質(zhì)量為水泥質(zhì)量的0.5%，碳纖維混凝土中減水劑質(zhì)量為水泥質(zhì)量的2.5%。采用外摻法摻入碳纖維，即保持基準(zhǔn)混凝土的配合比各材料用量不變，碳纖維按體積率摻量控制摻入其中。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用混凝土滲透儀，允許最大工作壓力4MPa/cm2，工作方式為自動調(diào)壓，一次可安放6個試件；試件模具幾何尺寸為175mm×185mm× 150mm；電動機(jī)功率為90W，轉(zhuǎn)速1390r/min。

2.4 試驗(yàn)過程

（1）將養(yǎng)護(hù)28d的試件從養(yǎng)護(hù)室取出，因?yàn)樵嚰砻娉睗駮r密封材料會粘不住，因此要晾曬一天確保其表面干燥。

（2）用刷子將試件的側(cè)面均勻地涂一層融化了的石蠟和松香混合物，涂之前可以先將試件側(cè)面在融化的石蠟和松香上滾一圈，再用刷子涂刷均勻，這樣做可以使密封效果更好。融化了的石蠟和松香混合物拿出烘箱后很容易受冷凝固，因此在涂刷的過程中速度要快。

用壓力試驗(yàn)機(jī)將試件經(jīng)烘箱預(yù)熱過（40～50℃）的套模中，冷卻5min后解除壓力。

（3）將套模安裝在混凝土滲透儀上，要確保底座與套模之間螺絲擰緊以防試驗(yàn)過程中漏水漏氣影響試驗(yàn)結(jié)果。

（4）將水壓力設(shè)定為1.2MPa，恒定水壓力24h。試驗(yàn)過程中要隨時觀察試件端面滲水情況，若水從兩側(cè)滲出說明密封性不好，應(yīng)取下試件重新安裝。

（5）加壓24h后將套模取下，放置24h后用壓力試驗(yàn)機(jī)沿兩端面中部劈開試件，通過劈裂面測量水滲透液面高度。若水液面已滲透整個試件，則按照規(guī)范規(guī)定取其滲透高度為150mm。

圖1 混凝土滲透儀

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在試驗(yàn)進(jìn)行到20h左右時，3個素混凝土試件端面均已經(jīng)有水滲出，這說明水已經(jīng)滲透穿整個混凝土試件。根據(jù)規(guī)范規(guī)定取素混凝土的滲透高度為150mm。各試件的滲透高度見表2。

表2 各混凝土試件滲透高度值

圖2 素混凝土滲透表面

圖3 0.8%摻量碳纖維混凝土滲透表面

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，碳纖維混凝土的抗?jié)B效果明顯好于素混凝土，0.8%摻量的碳纖維混凝土滲透高度較素混凝土下降至少66%。根據(jù)公式（1）計(jì)算混凝土的相對滲透系數(shù)，其中混凝土孔隙率保守估算為8%。則素混凝土的相對滲透系數(shù)Ko為8.68×10-9cm/s，0.8%摻量碳纖維混凝土的滲透系數(shù)K1為1.08×10-9cm/s。

分析原因認(rèn)為：碳纖維作為一種高強(qiáng)高彈性模量材料均勻加入混凝土內(nèi)，一方面填補(bǔ)了內(nèi)部空隙，使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加致密。另一方面碳纖維與水泥砂漿及集料緊密包裹在一起，起到了很多微細(xì)鋼筋的作用。無論是在混凝土養(yǎng)護(hù)初期和后期，混凝土由收縮引起的拉應(yīng)力由碳纖維承受，減小了混凝土承受的拉應(yīng)力，使混凝土由拉應(yīng)力產(chǎn)生的微裂縫減少，并阻滯了內(nèi)部微裂縫的開展和貫通，阻礙了水分的流通線路，以此增強(qiáng)混凝土了的抗?jié)B性能。

4 結(jié)語

碳纖維加入混凝土后使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更加致密，并承擔(dān)了由于干縮作用引起的拉應(yīng)力，阻滯了內(nèi)部微裂縫的開展和貫通。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到素混凝土的相對滲透系數(shù)Ko為8.68×10-9cm/s，0.8%摻量碳纖維混凝土的滲透系數(shù)K1為1.08×10-9cm/s，加入碳纖維明顯改善了混凝土的抗?jié)B性能。

[1]任彥華，程赫明，何天淳，等.碳纖維混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010(5).

[2]閆忠明.碳纖維混凝土抗?jié)B性及導(dǎo)電特性研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2010.

責(zé)任編輯：孫蘇

Impermeability Test Study on Reinforced Concrete of Carbon Fiber

該文利用滲透高度法對素混凝土和碳纖維體積率摻量為0.8%的碳纖維混凝土進(jìn)行滲透試驗(yàn)，得出各混凝土的滲透高度并計(jì)算相對滲透系數(shù)。理論分析碳纖維的加入對混凝土抗?jié)B性能的影響。

碳纖維；混凝土；抗?jié)B試驗(yàn)

Permeability height method is applied to test the plain concrete and carbon fiber concrete with volume rate dosage of 0.8%and gets the permeability height and relative permeability coefficient of each concrete.Impacts of the carbon fiber on concrete permeability performance are theoretically analyzed.

Carbon fiber;concrete;impermeability test

TU502

：A

：1671-9107（2013）01-0056-02

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.01.056

2010-10-29

于良（1988-），男，山東德州人，在讀碩士研究生，工程師，主要從事碳纖維混凝土力學(xué)性能及耐久性能研究。