不同質(zhì)量比碳纖維混凝土力學(xué)性能的研究

張旭輝，劉發(fā)明，周　婷

（1.宿州學(xué)院　資源與土木工程學(xué)院；2.　宿州學(xué)院　環(huán)境與測繪工程學(xué)院，安徽　宿州　234000）

不同質(zhì)量比碳纖維混凝土力學(xué)性能的研究

張旭輝1，劉發(fā)明1，周婷2

（1.宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院；2.宿州學(xué)院環(huán)境與測繪工程學(xué)院，安徽宿州234000）

將質(zhì)量比分別為1/600，1/700，1/800，1/900，1/1000的碳纖維加入到水泥基體中，在同條件養(yǎng)護下制成不同質(zhì)量比的碳纖維增強水泥基的復(fù)合材料即碳纖維混凝土，養(yǎng)護完成后對試塊進行抗壓強度和抗劈拉強度測試，通過比較得出碳纖維混凝土的抗劈拉強度隨碳纖維質(zhì)量的增加而增加，即1/700質(zhì)量比的碳纖維混凝土有最大抗拉強度值，但所有碳纖維混凝土的抗壓強度都小于素混凝土原有的強度.同時碳纖維混凝土在承受壓力破碎的時候，能夠較長時間保持試塊的完整性，使其碎而不散.所以碳纖維能有效地改善混凝土的脆性，并能有效的改善混凝土因破壞而出現(xiàn)的剝離現(xiàn)象.

質(zhì)量比；碳纖維混凝土；力學(xué)性能；抗壓強度；抗拉強度

混凝土是當(dāng)今建筑的主要材料，以其抗壓強度高，價格低廉，使用方便等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用與建筑物中［1-3］.但混凝土屬于脆性材料，當(dāng)發(fā)生破壞時毫無征兆，具有不可預(yù)見性.因此當(dāng)?shù)卣鸬茸匀粸?zāi)害來臨時，混凝土的脆性斷裂往往會給人們的生命和財產(chǎn)安全帶來不可估量的損失.

碳纖維是一種含碳量在90%以上的呈纖維狀的新一代復(fù)合材料，是具有高強度，高模量，耐高溫，耐腐蝕，導(dǎo)電和導(dǎo)熱等性能優(yōu)異的化工新材料.由于生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，其生產(chǎn)主要集中在日本，英國，美國，法國等少數(shù)發(fā)達國家［4-6］.所以碳纖維的價格較為昂貴，限制了其使用的規(guī)模與范圍.然而我國碳纖維的研制工作已從六十年代后期開始，至今約有50多年的歷史了［7-10］.隨著我國研制碳纖維能力的不斷提高以及我國碳纖維需求量的攀升，我國正將邁入碳纖維大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的時期.所以在不久的將來碳纖維的價格將會有所下降，大規(guī)模使用碳纖維的時期將會來臨.為了更好地將碳纖維應(yīng)用到建筑上，本文將短切碳纖維以三維亂向的形式摻入混凝土中，制成不同質(zhì)量比的碳纖維混凝土（Carbon Fiber Reinforced Concerete）縮寫為CFRC，通過力學(xué)試驗，收集試驗數(shù)據(jù)，分析得出結(jié)論，為碳纖維混凝土的應(yīng)用提供更加科學(xué)的依據(jù)［11-12］.

1　試驗概況

1.1試驗設(shè)計

本試驗設(shè)計在標(biāo)準(zhǔn)的立方體混凝土試塊中摻入質(zhì)量比分別為1/600，1/700，1/800，1/900，1/1000的東邦UTS50F22的短切碳纖維，來研究不同質(zhì)量比的碳纖維對混凝土的抗壓基本力學(xué)性能的影響.

1.2試驗材料

細骨料：Ⅱ級中砂；粗骨料：宿州當(dāng)?shù)厮槭?，最大粒?0mm；膠凝材料：P.O42.5普通硅酸鹽水泥；水：宿州當(dāng)?shù)刈詠硭惶祭w維：東邦UTS50F22，中等模量，技術(shù)指標(biāo)見表1，實物見圖1.

表1　碳纖維技術(shù)指標(biāo)

圖1　碳纖維

1.3試塊的制作與養(yǎng)護

試驗選取的水灰比為0.42，水泥：細骨料：粗骨料：水=392:640:1204:164每三塊試塊為一組，詳細配合比用料見表2，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護28天.

2　力學(xué)性能試驗

表2　混凝土抗壓試驗試塊的配合比

2.1抗壓強度試驗

2.1.1試驗準(zhǔn)備

本項目抗壓試驗是以自檢的方式，委托合肥市合工大共達工程質(zhì)量檢測中心進行混凝土抗壓試驗，并出具混凝土抗壓強度試驗報告.

2.1.2試驗數(shù)據(jù)

碳纖維混凝土抗壓試驗利用TYE-2000B型壓力試驗機，分別對送檢的6組試件按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2002）進行抗壓檢測，分別得出素混凝土、1/600碳纖維混凝土、1/700碳纖維混凝土、1/800碳纖維混凝土、1/900碳纖維混凝土、1/1000碳纖維混凝土的抗壓強度值，詳細數(shù)據(jù)及計算結(jié)果見表3：

表3　碳纖維混凝土抗壓強度試驗原始數(shù)據(jù)

2.1.3試驗分析

通過原始數(shù)據(jù)分別繪制同組但不同質(zhì)量比的混凝土抗壓強度值比較圖，以及同質(zhì)量比不同組混凝土抗壓強度值比較圖，如圖2和圖3所示.

通過在同質(zhì)量比不同組碳纖維混凝土與素混凝土比較圖中發(fā)現(xiàn)：摻入碳纖維的混凝土并未增強原混凝土的抗壓強度，基本上都低于原有強度；同組不同質(zhì)量比碳纖維混凝土與素混凝土比較圖中得出：隨著碳纖維摻量的逐漸增加抗壓強度值逐漸上升，但都小于原有強度.

通過分析得出摻入碳纖維的混凝土強度之所以比原有混凝土強度低，其主要原因可能是由于碳纖維的摻入導(dǎo)致了混凝土的空隙率增大，使得混凝土強度的降低.

如圖4所示，在比較素混凝土與碳纖維混凝土承受壓力荷載后的變形程度時發(fā)現(xiàn)，素混凝土在承受荷載破壞后，破壞形態(tài)成沙漏狀，即承載面周圍混凝土面破壞較嚴(yán)重，出現(xiàn)了大面積的混凝土脫落剝離現(xiàn)象；而碳纖維混凝土在承受荷載過后，承載面周圍混凝土面未出現(xiàn)較大面積的混凝土脫落現(xiàn)象，四周混凝土面能基本保持原有的立方體形態(tài)，承壓面周圍破壞面基本上能保持其立方體的完整性.由此可以得出：碳纖維在混凝土中能夠有效約束破碎的混凝土，能夠有效的延緩破碎混凝土的剝離脫落的時間，從而改善了混凝土的脆性破壞.

圖2　同組不同質(zhì)量比抗壓強度值比較圖

圖3　同質(zhì)量比不同組抗壓強度值比較圖

圖4　素混凝土與碳纖維混凝土抗壓破壞對比圖

2.2劈裂試驗

2.2.1試驗準(zhǔn)備

本項目劈裂試驗也是以自檢的方式，委托合肥市合工大共達工程質(zhì)量檢測中心進行混凝土劈裂試驗，并出具混凝土劈裂強度試驗報告，從而得出混凝土抗拉力學(xué)性能.

2.2.2試驗數(shù)據(jù)

碳纖維混凝土劈裂試驗利用TYE-2000B型壓力試驗機和劈裂試驗夾具，分別對送檢的6組試件按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2002）進行劈裂試驗檢測，分別得出素混凝土、1/600碳纖維混凝土、1/700碳纖維混凝土、1/800碳纖維混凝土、1/900碳纖維混凝土、1/1000碳纖維混凝土的抗拉強度值，詳細數(shù)據(jù)及計算結(jié)果見表4.

表4　素混凝土劈裂強度試驗原始數(shù)據(jù)

2.2.3試驗分析

通過原始數(shù)據(jù)分別繪制同組但不同質(zhì)量比的混凝土劈裂抗拉強度值比較圖，以及同質(zhì)量比不同組混凝土劈裂抗拉強度值比較圖，如圖4和圖5所示.

圖4　同組不同質(zhì)量比劈裂強度值比較圖

圖5　同質(zhì)量比不同組抗壓強度值比較圖

通過在同質(zhì)量比不同組碳纖維混凝土與素混凝土比較圖中發(fā)現(xiàn)：摻入碳纖維的混凝土明顯增強了原混凝土的抗拉強度，基本上所有碳纖維混凝土都高于素混凝土的抗拉強度；同組不同質(zhì)量比碳纖維混凝土與素混凝土比較圖中得出：隨著碳纖維摻量的逐漸變化抗拉強度值也在不斷地變化，但都高于素混凝土原有的抗拉強度；其中在質(zhì)量比為1/700碳纖維混凝土出現(xiàn)了峰值，及碳纖維摻量為1/700時抗拉強度達到最大.

圖6　素混凝土與碳纖維混凝土劈裂破壞對比圖

根據(jù)圖6所示以及比較素混凝土與碳纖維混凝土承受劈裂荷載后的變形程度發(fā)現(xiàn)，素混凝土在承受荷載破壞后，劈裂邊緣破壞形態(tài)為脆性破壞，而碳纖維混凝土在承受劈裂荷載后，劈裂邊緣由于碳纖維的約束作用使得混凝土塊在承受脆性破壞的同時呈現(xiàn)出了柔性破壞.由此可以得出：碳纖維混凝土顯著地增強了混凝土抗拉性能.

由于碳纖維能有效改善混凝土的脆性破壞，防止素混凝土因承受荷載而導(dǎo)致的混凝土剝離現(xiàn)象，因此如果利用碳纖維來約束混凝土碎塊的性能應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中，可以明顯改善建筑結(jié)構(gòu)在承受地震等自然災(zāi)害時產(chǎn)生的巨大荷載時發(fā)生的剝離脫落現(xiàn)象，延緩破碎的混凝土塊高空墜落的時間，提高結(jié)構(gòu)整體的抗震性能，保證了人們生命和財產(chǎn)的安全.

3　結(jié)論

（1）碳纖維的摻入能有效的改善混凝土的脆性破壞，能夠有效的防止因混凝土的脆性破壞導(dǎo)致的混凝土剝落現(xiàn)象，即基本上能夠保持其立方體的整體形態(tài).

（2）不同質(zhì)量比的碳纖維對混凝土的抗壓強度有明顯的影響，但碳纖維的摻入并不能顯著增強混凝土的抗壓強度.

（3）在本次試驗中，碳纖維顯著改善混凝土的抗拉強度，從1/1000碳纖維摻量開始隨摻入的碳纖維質(zhì)量比的增加抗拉強度增加，當(dāng)摻量為1/700時達到最大值，繼續(xù)增加碳纖維量則抗拉強度下降.其中抗拉強度最佳碳纖維質(zhì)量比為1/700.

（4）在混凝土養(yǎng)護過程中，必須要控制好養(yǎng)護的溫度和濕度，并且在試塊脫模過后，周圍不能用密封性較高的薄膜纏繞，否則會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部水氣不能有效地排出從而影響混凝土中水泥的水化作用，大大降低混凝土試塊的強度.

（5）通過本次試驗，可以發(fā)現(xiàn)碳纖維能夠有效的約束破碎的混凝土.因此可以利用碳纖維的約束特性將其應(yīng)用到工程實際中去，從而可以有效改善混凝土的脆性，避免了因混凝土脆性剝離脫落導(dǎo)致的不必要的生命和財產(chǎn)的損失.

〔1〕任彥華，程赫明，何天淳，代若愚.碳纖維混凝土的力學(xué)性能試驗研究［J］.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010（5）:697-702.

〔2〕楊玉山，石建軍，黃志剛.碳纖維增強輕骨料混凝土實驗研究［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2007（7）:183-185.

〔3〕王海龍，申向東，王蕭蕭.碳纖維改善浮石混凝土力學(xué)特性的試驗研究［J］.建筑材料學(xué)報，2013（2）:232-236.

〔4〕余黎明.我國碳纖維行業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢分析［J］.新材料產(chǎn)業(yè)，2011（6）：13-21.

〔5〕曹萬智，孫慶霞，楊永恒.淺談纖維混凝土的特性及發(fā)展前景［J］.水泥與混凝土，2008（6）：24-27.

〔6〕林王建，杜向琴.碳纖維混凝土力學(xué)性能的試驗研究［J］.麗水學(xué)院學(xué)報，2011（2）：45-47.

〔7〕周樂，王曉初，劉洪濤.碳纖維混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線試驗研究［J］.工程力學(xué)，2013（7）：200-204.

〔8〕焦津.碳纖維增強混凝土的發(fā)展研究［J］.濉坊學(xué)院學(xué)報，2008（4）：124-126.

〔9〕李湘洲，王偉.碳纖維增強混凝土的現(xiàn)狀與趨勢［J］.混凝土，2000（8）：31-33.

〔10〕傅煥然，楊珂，高歌.碳纖維增強水泥基復(fù)合灌漿材料力學(xué)性能試驗分析［J］.長春工程學(xué)院學(xué)報，2013（3）：11-14.

〔11〕曾挺.碳纖維混凝土的性能分析及其機理探討［J］.建筑技術(shù)與應(yīng)用，2011（9）：14-16.

〔12〕柯開展，周瑞忠.摻短切碳纖維活性粉末混凝土的力學(xué)性能研究［J］.水利發(fā)電學(xué)報，2007（1）：90-96.

TU528.58

A

1673-260X（2016）07-0158-04

2016-04-11

安徽高校自然科學(xué)研究項目（KJ2016A773）；安徽省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目（AH201410379050）；宿州學(xué)院大學(xué)生科研立項重點項目（KYLXLKZD14-01）；宿州學(xué)院校級質(zhì)量工程教學(xué)研究項目（szxy2015jy15）