碳纖維混凝土抗裂性能的試驗研究

劉志龍，杜向琴

（安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 安慶 246003）

碳纖維混凝土抗裂性能的試驗研究

劉志龍，杜向琴

（安慶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 安慶 246003）

采用圓環(huán)試驗法研究了碳纖維體積摻量對混凝土抗裂性的影響，并結(jié)合復(fù)合材料理論和纖維間距理論對碳纖維的抗裂機理進(jìn)行了分析探討.結(jié)果顯示：碳纖維的摻入能延緩裂縫的出現(xiàn)，有效抑制裂縫的擴展；碳纖維摻量越大，試件開裂越晚，主裂縫寬度越小，試件抗裂性越好；用復(fù)合材料理論和纖維間距理論分析碳纖維對混凝土抗裂性的增強作用，得出的結(jié)論與試驗結(jié)果是一致的.

碳纖維混凝土；抗裂性；開裂時間；裂縫寬度

碳纖維混凝土是以混凝土為基材，以碳纖維這種高強度、高模量的材料為增強基而形成的新型復(fù)合材料.研究表明：在混凝土中摻入纖維可有效改善混凝土的力學(xué)性能和耐久性能，提高混凝土的抗壓強度、抗拉強度和抗彎強度[1-4].但在纖維混凝土抗裂性研究方面，成果主要集中于鋼纖維和聚丙烯纖維[5-8]，碳纖維對混凝土抗裂性影響的研究還不夠成熟.本文在已有研究的基礎(chǔ)上，采用圓環(huán)試驗法比較分析了不同體積摻量下碳纖維對混凝土抗裂性的影響，并對其抗裂機理進(jìn)行了分析探討.

1 原材料和試驗方法

1.1 試驗原材料

本試驗水泥采用天柱牌P.O 42.5普通硅酸鹽水泥；細(xì)骨料采用機制砂，表觀密度2.75g/cm3，細(xì)度模數(shù)為2.68；粗骨料采用天然連續(xù)級配碎石，粒徑-105mm，級配合理，表觀密度2.71g/cm3，粗、細(xì)骨料的含泥量及有害物質(zhì)含量均符合規(guī)范規(guī)定；粉煤灰為I級，細(xì)度9.5%；碳纖維為日本東邦碳纖維公司生產(chǎn)的IM400-12K碳纖維，各項性能指標(biāo)見表1；減水劑為UNF-5型萘系高效減水劑（減水率22%）；拌合水采用自來水.

1.2 試驗配合比

設(shè)計混凝土基準(zhǔn)強度為C40，配合比為：水膠比0.4，膠凝材料455kg/m3，粗細(xì)骨料712kg/m3，砂率為28%，減水劑摻量為膠凝材料的2%，粉煤灰摻量為膠凝材料的20%.

1.3 試驗方法

（1）本文采用圓環(huán)法來評價混凝土的抗裂性.試件尺寸為：內(nèi)徑305mm，外徑425mm，高100mm.具體試驗方法為：將新拌合的混凝土澆入圓環(huán)模具，每組制備3個試件，采用機械振動成型，分兩層填筑，同時每層用振搗棒插搗75次至試件密實.成型后，將試件連同模具一起移入養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)24h后拆除外環(huán)，并用石蠟密封試件上表面，以防水分蒸發(fā)[9].

（2）為有效監(jiān)測試件的應(yīng)變發(fā)展，在鋼環(huán)內(nèi)表面粘貼4片應(yīng)變片，并將其連接在應(yīng)變儀上，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄各應(yīng)變片的應(yīng)變值，記錄試件的開裂時間、試件頂面和外側(cè)面的裂縫數(shù)量、裂縫長度、寬度及隨時間的發(fā)展變化情況.試件測試在恒溫恒濕環(huán)境下進(jìn)行，溫度（23±2）℃，相對濕度（50±4）%，養(yǎng)護(hù)齡期為28d.

（3）為較全面的研究碳纖維對混凝土抗裂性的影響，結(jié)合已有研究基礎(chǔ)[10]，本試驗中碳纖維體積摻量取0.04%、0.07、0.10%、0.15%和0.20%，分別用 CF04、CF07、CF10、CF15、CF20表示.

（4）由于碳纖維在混凝土中難于均勻分散，且其摻入會降低混凝土的流動性，故加入減水劑并采用干濕拌合法以提高混凝土分散的均勻性和亂向性，即先將粗、細(xì)骨料投入攪拌機攪拌30s，再加入碳纖維攪拌90s，最后加水?dāng)嚢?min即可.

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 開裂時間與裂縫數(shù)量

各組圓環(huán)試件的開裂時間和裂縫數(shù)量見表1.從開裂時間來看，摻碳纖維試件的開裂要明顯遲于素混凝土試件，碳纖維摻量越大，裂縫出現(xiàn)的越晚.從開裂時的裂縫數(shù)量來看，素混凝土圓環(huán)試件開裂時僅出現(xiàn)一條貫穿裂縫，CF04、CF07和CF10圓環(huán)試件開裂時出現(xiàn)1條主裂縫和1條次裂縫，次裂縫長度約為主裂縫的1/2；CF15和CF20圓環(huán)試件開裂時出現(xiàn)1條主裂縫和2條次裂縫，次裂縫呈對稱形態(tài)分布于主裂縫兩側(cè)，長度約為主裂縫的1/3.可以得出，碳纖維的摻入延遲了裂縫的出現(xiàn)，纖維摻量越大，裂縫出現(xiàn)越晚；次裂縫的出現(xiàn)有助于減輕由于收縮而積聚在混凝土內(nèi)部的能量，預(yù)期將減小主裂縫的寬度，從而提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件的整體性.

表1 圓環(huán)試件開裂時間和裂縫數(shù)量

2.2 裂縫寬度

圖1為不同碳纖維摻量下圓環(huán)試件主裂縫寬度隨時間的變化圖，表2歸納出了各試件主裂縫發(fā)展的幾個階段.可以看出：素混凝土的開裂時間明顯早于碳纖維混凝土，裂縫發(fā)展的速度也快得多；碳纖維混凝土試件的主裂縫發(fā)展與碳纖維摻量密切相關(guān)，摻量越大，主裂縫寬度發(fā)展穩(wěn)定期越早，快速發(fā)展期越靠后，這對提高混凝土的抗裂性非常有利.

在混凝土養(yǎng)護(hù)的早期，其抗拉強度非常低，難以抵抗各種收縮引起的拉應(yīng)力，以致出現(xiàn)裂縫，故早期主裂縫發(fā)展速度較快；隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增加，混凝土抗拉強度逐漸增大，能夠抵御部分拉應(yīng)力，故主裂縫發(fā)展速度減緩；當(dāng)養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)14天左右時，裂縫寬度趨于穩(wěn)定，這一方面因為引起混凝土收縮的因素減弱了，另一方面是混凝土的抗拉強度明顯增長，能夠抵抗內(nèi)部的拉應(yīng)力.

圖1 圓環(huán)試件主裂縫寬度

表2 主裂縫發(fā)展趨勢

2.3 抗裂機理

由于碳纖維細(xì)而短的特性，它在混凝土中是以“三維亂向”形態(tài)分布的，目前沒有任何一種理論可以準(zhǔn)確建立碳纖維在混凝土中的分布模型.盡管碳纖維在土木工程領(lǐng)域的優(yōu)良性能已得到大量理論研究與實踐應(yīng)用的證實，但其增強機理仍然是非常復(fù)雜的，仍在不斷的探討、完善和發(fā)展中.目前可以用來闡述碳纖維對混凝士增強機理的學(xué)說有“復(fù)合材料理論”和“纖維間距理論”[11].

2.3.1 復(fù)合材料理論

根據(jù)復(fù)合材料理論，碳纖維混凝土的材料性能為碳纖維和混凝土兩者性能的疊加值.碳纖維混凝土開裂前的應(yīng)力表達(dá)見式（1）.

式中：σfc——復(fù)合材料的平均應(yīng)力；

σm——基體的應(yīng)力；

σf,Vf——纖維的應(yīng)力和體積率；

η0——纖維方向有效系數(shù)；

ηl——纖維長度系數(shù).

由式（1）可知，在考慮短纖維分布的亂向性和長度的不連續(xù)性的前提下，復(fù)合材料的應(yīng)力為基體和纖維應(yīng)力與各自體積率乘積的加和值.由于碳纖維的抗拉強度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于混凝土，故能顯著提高基體的抗裂性，體積摻量越大，抗裂性提高越明顯，該結(jié)論與試驗結(jié)果是一致的.

2.3.2 纖維間距理論

纖維間距理論認(rèn)為混凝土內(nèi)部有尺度不同的微裂縫、孔隙和缺陷，欲提高混凝土的強度和韌度，必須盡可能減小缺陷程度，降低混凝土缺陷端部的應(yīng)力集中系數(shù).向脆性混凝土基體中摻入纖維，可提高混凝土的抗拉強度，縮小或減少裂縫的尺度和數(shù)量，緩和裂縫尖端的應(yīng)力集中程度，能阻止裂縫的發(fā)生和發(fā)展，從而起到增強增韌的作用.

3 結(jié)語

本文通過圓環(huán)試驗法研究了碳纖維體積摻量對混凝土抗裂性的影響，并結(jié)合復(fù)合材料理論和纖維間距理論分析了碳纖維的抗裂機理，得出以下結(jié)論：

（1）碳纖維的摻入能有效延緩裂縫的出現(xiàn)，碳纖維摻量越大，開裂時間越遲；次裂縫的出現(xiàn)有助于減輕由于收縮而積聚在混凝土內(nèi)部的能量，有助于提高結(jié)構(gòu)構(gòu)件受荷時的整體性；

（2）碳纖維的摻入明顯減小了裂縫的寬度，有效抑制了裂縫的擴展，碳纖維摻量越大，主裂縫寬度快速發(fā)展期越靠后，裂縫發(fā)展的穩(wěn)定期出現(xiàn)越早.試件養(yǎng)護(hù)14d后，素混凝土和碳纖維混凝土的裂縫發(fā)展均趨于穩(wěn)定.

（2）用復(fù)合材料理論和纖維間距理論來分析碳纖維對混凝土抗裂性的增強作用，其結(jié)論與試驗結(jié)果是一致的.

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