碳纖維混凝土的抗?jié)B性能試驗研究

徐永芝, 陳麗芳

(許昌學院 土木工程學院，河南 許昌 461000)

大型水電工程和火電工程中的混凝土大壩及隧道等構筑物，對混凝土的抗?jié)B性有極高的要求，一旦混凝土的抗?jié)B性不足或遭到損壞，就會嚴重降低這些結構的使用功能，造成嚴重的污染和泄露事故.

國內外學者通過向混凝土中摻加纖維材料以提高混凝土的各項強度性能.龍志勤等[1]通過試驗研究了不同摻量的碳纖維對泡沫混凝土抗壓抗折力學性能的影響，研究結果表明：當碳纖維的摻量為0.6%時，碳纖維對泡沫混凝土的抗壓抗折力學性能綜合增強效果最為顯著.王磊等[2]研究了碳纖維對混凝土的各項力學性能指標的影響，結果表明：合理的碳纖維摻量對于混凝土的抗壓強度的增強效果不明顯，對抗折強度的增強效果較顯著.杜玉兵等[3]研究了摻入碳纖維后混凝土基體的抗蝕性能，試驗結果表明，碳纖維能提高混凝土的抗侵蝕能力.

目前，關于纖維和硅粉等摻加物對混凝土抗?jié)B性能的影響，國內外學者研究的較少.本研究利用正交試驗法優(yōu)化碳纖維和硅粉的合理摻量，探討碳纖維對混凝土抗?jié)B性的改善程度，以期為提高混凝土的抗?jié)B性能提供可靠的實驗數(shù)據(jù)和理論支持.

1 試驗材料和試驗方法

1.1 試驗目的

通過水壓法[4,5]測試碳纖維混凝土的抗?jié)B性,研究影響混凝土抗?jié)B性的各種因素及其規(guī)律.

1.2 試驗材料

水泥選用P·O 32.5的普通硅酸鹽水泥；河砂的細度模數(shù)為2.6，最大粒徑為1 mm；普通碎石的最大粒徑為16 mm；碳纖維采用上海新卡碳素有限公司生產的長度分別為6、10和15 mm的短切PAN基碳纖維(表1)、粉末型甲基纖維素分散劑、920U型硅粉和CNF-2高效減水劑.

表1 碳纖維的性能指標

1.3 配合比

試驗以C40混凝土為例研究碳纖維對其抗?jié)B性的影響.基本配合比、碳纖維的長度及摻量、硅粉和甲基纖維素的配合比如表2所示.

表2 碳纖維混凝土配合比

1.4 正交試驗方案設計

采用正交試驗法[6]設計混凝土的抗?jié)B性試驗.正交試驗設計是建立在概率論、數(shù)理統(tǒng)計和實踐經(jīng)驗基礎上的一種安排試驗方案的設計方法.它運用標準化正交表來靈活方便的安排試驗，布點均衡，大大減少了試驗次數(shù)，并且保證主要因素不會被漏掉，結果比較直觀，易于分析，每個試驗水平均重復相同的次數(shù)，可消除部分試驗誤差的干擾.因其具有正交性，易于分析出各因素的主效應，因而得到了廣泛的應用.

本次試驗研究碳纖維摻量及長度、甲基纖維素和硅粉4個因素對混凝土抗?jié)B性的影響.選取的正交試驗表為L16(45)，不考慮各因素的交互作用.

1.5 試驗方法

1.5.1 碳纖維混凝土的制備

先將水加熱至40 ℃，然后加入甲基纖維素并攪拌使其充分溶解，再加入碳纖維，攪拌并使其均勻分散，之后加入粗骨料和減水劑溶液，最后加入沙子和水泥的混合物，強制攪拌2 min出料，得到均質分散的碳纖維混凝土.

1.5.2 試件的澆筑

根據(jù)SD105-82《水工混凝土試驗規(guī)程》，采用一次加壓法進行相對抗?jié)B性試驗.抗?jié)B試驗采用上口直徑為175 mm，下口直徑為185 mm，高150 mm的圓臺形試件，如圖1所示.

圖1 混凝土抗?jié)B試件示意圖

1.5.3 加載方法

試件養(yǎng)護28天后，在試驗前一天取出，將表面晾干，然后在其側面涂一層融化的石蠟，隨即在螺旋加壓裝置上，將試件壓入經(jīng)烘箱預熱過的試件套中，稍冷卻后即可解除壓力，連同試件套在抗?jié)B儀上進行試驗.將抗?jié)B儀水壓力一次加到0.8 MPa，恒壓24 h，加壓過程不大于5 min，達到穩(wěn)定壓力的時間作為記錄起始時間(精確到min).如恒壓過程中試件端面未出現(xiàn)滲水情況，將試件放在壓力機上，沿縱斷面將試件劈裂為兩半，測試平均滲水高度，以此確定混凝土的抗?jié)B性.

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

在水壓力不變的情況下，采用正交試驗法安排試驗，對17組試件進行了抗?jié)B性能測試，每組取3個圓臺試件，試驗結果如表3所示.

表3 碳纖維混凝土的滲透高度

2.2 結果分析

采用極差R對影響混凝土抗?jié)B性的各項因素的測試結果進行分析.極差R能體現(xiàn)一組數(shù)據(jù)波動的范圍，極差越大離散程度越大，說明該影響因素的改變對試驗指標的影響較大，是主要的影響因素.因此，利用滲透高度的試驗結果，以碳纖維摻量、長度、甲基纖維素和硅粉為考核指標進行極差分析，結果見表4.

表4 滲透高度的極差分析

2.2.1 碳纖維的摻量對混凝土滲透系數(shù)的影響

根據(jù)試驗的結果，可以看出，每一組試件中，混凝土的抗?jié)B性隨著碳纖維摻量的增加而提高.當碳纖維的摻量為0.4%時，抗?jié)B效果較好，當碳纖維的摻量增加至0.5%時，混凝土滲透高度的極差較接近，抗?jié)B性提高幅度較小.

2.2.2 碳纖維的長度對混凝土滲透性能的影響

由表中的極差可以看出，當碳纖維的長度分別為5、10、12和15 mm時，對混凝土的抗?jié)B性影響程度基本一致，可以忽略碳纖維的長度對混凝土抗?jié)B性的影響.

2.2.3 甲基纖維素對混凝土滲透系數(shù)的影響

由試驗結果可以看出，當甲基纖維素的摻量為0.019%時，混凝土的抗?jié)B性最好.這是因為隨著碳纖維摻量的增加，其分散的均勻性變差，因此，增加甲基纖維素的摻量，將起到均勻分散碳纖維的作用.

2.2.4 硅粉對混凝土滲透系數(shù)的影響

由試驗結果可以看出，隨著硅粉摻量的增加，混凝土的抗?jié)B性隨之提高，硅粉對混凝土的抗?jié)B性影響較大.

通過對試驗結果的分析，可以看出：碳纖維的長度對混凝土的抗?jié)B性影響可忽略，碳纖維和硅粉的摻量對抗?jié)B性影響較大，需重新安排試驗進行驗證.

2.3 試驗改進

為了進一步的得出準確的結論，根據(jù)以上試驗結果，取三因素三水平，碳纖維的摻量取0.5%、0.6%和0.7%，甲基纖維素的摻量取0.019%、0.022%和0.025%，硅粉的摻量取0.12%、0.15%和0.18%，采用L9(34)的正交表重新安排試驗.試驗結果如表5所示.

表5 碳纖維混凝土配合比的改進試驗方案及數(shù)據(jù)分析表

根據(jù)表5的極差分析結果，可看出碳纖維的摻量對混凝土的抗?jié)B性影響較大，當碳纖維摻量為0.5%時，抗?jié)B效果最好，隨著摻量的增加，混凝土的抗?jié)B性反而降低，這可能是因為隨著摻量的加大，碳纖維的分布不均勻導致抗?jié)B效果變差，這也說明隨著碳纖維摻量的增加，甲基纖維素對碳纖維的分散能力減弱.同時可看出，當硅粉的摻量達到0.15%以后，對混凝土的抗?jié)B性影響變化不大.根據(jù)正交試驗結果可以判斷，碳纖維、甲基纖維素及硅粉的最佳摻量分別為0.5%、0.019%和0.18%.按照該配合比重新進行試驗，測得混凝土的滲透高度為2.7 cm.比標準混凝土的滲透高度減少3 cm，降幅達52.6%.

3 結論

本研究基于正交試驗方法，對碳纖維混凝土進行了配合比設計，分析了碳纖維摻量、甲基纖維素和硅粉等因素對混凝土抗?jié)B性能的影響，得出各個因素對抗?jié)B性的影響順序，對于碳纖維混凝土的抗?jié)B性的影響指標，其影響順序為：碳纖維摻量>硅粉>甲基纖維素>碳纖維長度.根據(jù)第一次試驗的正交試驗結果，重新設計配合比，碳纖維的摻量取0.5%、0.6%和0.7%，甲基纖維素的摻量取0.019%、0.022%和0.025%，硅粉的摻量取0.12%、0.15%和0.18%.試驗結果表明：當碳纖維、甲基纖維素和硅粉的摻量分別為：0.5%、0.019%和0.18%時，混凝土的滲透高度最小，僅為2.7 cm，比標準混凝土的滲透高度減少3 cm，降幅達52.6%.

參考文獻：

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