碳纖維對(duì)自密實(shí)混凝土性能的影響及其微觀機(jī)理分析

李建仙

(山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030031)

自密實(shí)混凝土(Self-Compacting Concrete, SCC)的拌和物在施工過(guò)程中，無(wú)需經(jīng)過(guò)振搗，僅在自身重力作用下便能通過(guò)鋼筋間隙，自行填充建筑模板并達(dá)到密實(shí)狀態(tài)，是一種具有良好工作性能的高性能混凝土。而纖維自密實(shí)混凝土(Fiber Reinforced Self-compacting Concrete, FRSCC)則是在SCC中摻入纖維，使其兼具了自密實(shí)混凝土和纖維增強(qiáng)混凝土二者的優(yōu)點(diǎn)，以克服自密實(shí)混凝土拌和物因高流動(dòng)性帶來(lái)的穩(wěn)定性較差等缺點(diǎn)，并進(jìn)一步提高了SCC的強(qiáng)度、韌性和耐久性。

SCC在高層建筑、公路、橋梁等諸多工程領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用，在保障SCC基本施工性能的前提下，對(duì)FRSCC進(jìn)行研究是改善其力學(xué)性能，提高抗裂性和尺寸穩(wěn)定性行之有效的方法。蔡懷森等對(duì)纖維自密實(shí)水泥基補(bǔ)強(qiáng)材料的抗裂性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維和聚乙烯醇纖維的摻入能降低自密實(shí)補(bǔ)強(qiáng)材料的開(kāi)裂指數(shù)，且摻入聚乙烯醇纖維的抗裂性能優(yōu)于聚丙烯纖維;張虎等探討了鋼纖維對(duì)自密實(shí)輕骨料混凝土的影響，指出摻雜鋼纖維可提高其抗壓強(qiáng)度、改善劈裂抗拉強(qiáng)度并優(yōu)化早期收縮性能;畢繼紅等研究顯示,玄武巖纖維體積摻量不超過(guò)0.3%時(shí)，玄武巖纖維的摻入能夠有效抑制微裂紋的擴(kuò)展，摻入纖維后SCC的抗折強(qiáng)度比素混凝土提高了30.4%，但對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響不大。因此，目前關(guān)于FRSCC的研究多集中在鋼纖維、聚丙烯纖維、玄武巖纖維等方面，為促進(jìn)碳纖維自密實(shí)混凝土(Carbon Fiber Reinforced Self-Compacting Concrete,CFRSCC)的發(fā)展，該文重點(diǎn)考察碳纖維體積摻量和水膠比對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能、力學(xué)性能和抗氯離子侵蝕性能的影響及相關(guān)機(jī)理，以期為實(shí)際工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

水泥采用P.O. 42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；硅灰為山東生產(chǎn)，其中SiO2含量≥95%；粗骨料為5～16 mm連續(xù)級(jí)配的花崗巖碎石；細(xì)骨料為細(xì)度模數(shù)為2.8的中砂；減水劑為聚羧酸高效減水劑，固含量35%，減水率30%；碳纖維(Carbon Fiber，CF)選用南京產(chǎn)長(zhǎng)度為12 mm的短切碳纖維，其具體物理性能指標(biāo)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

碳纖維自密實(shí)混凝土的配合比設(shè)計(jì)如表2所示。試驗(yàn)中以10%摻量的硅灰取代水泥，改善自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性能，并降低水泥用量以降低生產(chǎn)能耗。文中著重探討了水膠比(W/B)等于0.36和0.42時(shí)，不同CF體積摻量(0%、0.2%、0.4%、0.6%和0.8%)對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能及力學(xué)性能的影響。

表1 碳纖維的物理性能指標(biāo)

表2 碳纖維自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)

參照J(rèn)GJ/T 283-2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》，采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)將粗細(xì)骨料攪拌1 min，再加入一半用水量，攪拌0.5 min，隨后加入水泥、硅灰、減水劑、碳纖維和另一半用水量，并充分?jǐn)嚢? min。觀察碳纖維自密實(shí)混凝土攪拌過(guò)程中的纖維分散情況以及拌和物離析等情況，根據(jù)流動(dòng)性再攪拌0.5 min，而后立即進(jìn)行工作性能測(cè)試。

1.3 性能檢測(cè)

采用坍落度筒法測(cè)量混凝土停止流動(dòng)后2個(gè)互相垂直方向的直徑，計(jì)算平均坍落擴(kuò)展度；采用J環(huán)法測(cè)試混凝土通過(guò)鋼筋間隙后的擴(kuò)展度，以評(píng)價(jià)其間隙通過(guò)性能；參考GB/T 50081-2002《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法》測(cè)試自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，試件規(guī)格為100 mm×100 mm×100 mm，每組測(cè)試3個(gè)試件，結(jié)果取均值；參照GB/T 50082-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》測(cè)試自密實(shí)混凝土的氯離子遷移系數(shù)；采用美國(guó)FEI公司Quanta 200FEG生產(chǎn)的場(chǎng)發(fā)射環(huán)境掃描電子顯微鏡對(duì)CF自密實(shí)混凝土試件斷面的微觀形貌進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 CF自密實(shí)混凝土工作性能分析

在滿足流動(dòng)性的前提下，自密實(shí)混凝土的穩(wěn)定性是其實(shí)際澆筑中首要考慮的問(wèn)題，穩(wěn)定性差的自密實(shí)混凝土在澆筑時(shí)容易出現(xiàn)離析泌水等問(wèn)題，無(wú)法進(jìn)行正常的泵送施工。為了考察CF摻量對(duì)自密實(shí)混凝土工作性能的影響，選用坍落度法和J環(huán)法對(duì)其填充能力和流動(dòng)能力進(jìn)行了測(cè)試，并觀察自密實(shí)混凝土在拌和過(guò)程中是否泌水，以評(píng)價(jià)其抗離析性能。圖1為W/B等于0.36和0.42時(shí)，CF體積摻量對(duì)自密實(shí)混凝土坍落擴(kuò)展度和J環(huán)擴(kuò)展度的影響。由圖1(a)可知：當(dāng)W/B=0.36時(shí)，CF自密實(shí)混凝土的坍落擴(kuò)展度為575～700 mm，J環(huán)擴(kuò)展度為540～685 mm。由圖1(b)可知:當(dāng)W/B=0.42時(shí)，CF自密實(shí)混凝土的坍落擴(kuò)展度為685～730 mm，J環(huán)擴(kuò)展度為640～705 mm。不難發(fā)現(xiàn)，CF自密實(shí)混凝土的坍落擴(kuò)展度值均大于550 mm，坍落擴(kuò)展度與J環(huán)擴(kuò)展度之間的差值均小于50 mm，滿足JGJ/T 283-2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的要求。當(dāng)CF體積摻量低于0.4%時(shí)，更進(jìn)一步滿足了該評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)一級(jí)自密實(shí)混凝土擴(kuò)展度值(700±50) mm的要求。

自密實(shí)混凝土拌和物質(zhì)量越均勻，擴(kuò)展度越大，表明混凝土在自身重力作用下的流動(dòng)性和鋼筋間隙通過(guò)性越好。盡管隨著CF體積摻量的增加，自密實(shí)混凝土的坍落擴(kuò)展度和J環(huán)擴(kuò)展度逐漸減小，流動(dòng)性能有所降低，但是其各項(xiàng)工作性能仍符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，無(wú)明顯的離析泌水現(xiàn)象，滿足自密實(shí)混凝土的穩(wěn)定性需求。另外，比較W/B=0.36和W/B=0.42時(shí)的擴(kuò)展度值可知，水膠比的增大，使自密實(shí)混凝土拌和物的擴(kuò)展度增加。表明水膠比的增大會(huì)在一定程度上降低漿體的黏聚性，增強(qiáng)自密實(shí)混凝土的流動(dòng)性，增大纖維自密實(shí)混凝土拌和物離析的可能性。Bui等研究顯示：水灰比大于0.37時(shí)，混凝土拌和物將處于離析不穩(wěn)定的狀態(tài)，該文中的自密實(shí)混凝土摻雜了一定量的碳纖維，使得W/B=0.42時(shí)，混凝土拌和物仍有較好的穩(wěn)定性能，也說(shuō)明了CF能提高混凝土的抗離析性能。

圖1 CF摻量對(duì)自密實(shí)混凝土擴(kuò)展度的影響

碳纖維摻雜降低了混凝土的流動(dòng)性，提高了混凝土的抗離析性的原因可歸結(jié)如下：① 隨著碳纖維摻量的增加，其在自密實(shí)混凝土中互相搭接增多，一定程度上降低了自密實(shí)混凝土的填充效果；② 碳纖維可吸附一部分自密實(shí)混凝土中的水分子，降低膠凝材料的和易性，增大了黏聚性，從而造成了自密實(shí)混凝土流動(dòng)性能的降低；③ 摻入碳纖維后，用于包覆纖維的水泥漿體增多，導(dǎo)致膠凝材料對(duì)粗細(xì)骨料的包覆程度相對(duì)降低，使自密實(shí)混凝土流動(dòng)性和間隙通過(guò)能力下降。

2.2 CF自密實(shí)混凝土力學(xué)性能分析

2.2.1 CF摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響

圖2為兩種水膠比及不同養(yǎng)護(hù)齡期條件下，CF體積摻量對(duì)自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律。

圖2 CF摻量對(duì)自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

由圖2可知：隨著CF摻量的增加，自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。養(yǎng)護(hù)齡期28 d時(shí)，制備的自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度為47.2～70.3 MPa，仍能滿足自密實(shí)混凝土的工程應(yīng)用需求。隨著養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度顯著增大。

比較兩組數(shù)據(jù)，不難發(fā)現(xiàn)：① 碳纖維對(duì)自密實(shí)混凝土早期抗壓強(qiáng)度的影響要大于后期，碳纖維摻量對(duì)其抗壓強(qiáng)度的影響隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)逐漸降低；② 水膠比對(duì)自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度也有著顯著的影響。水膠比增大，自密實(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度降低，CF摻量對(duì)自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響也越大。碳纖維對(duì)自密實(shí)混凝土早期性能的影響強(qiáng)于后期的原因在于基體早期水化不充分，強(qiáng)度普遍不高，漿體和碳纖維之間的黏結(jié)強(qiáng)度較低，導(dǎo)致在自密實(shí)混凝土內(nèi)部纖維和漿體之間的薄弱界面層的影響較為顯著。而水膠比增大會(huì)導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度減小的原因則在于膠凝材料含量的減少，降低了水泥水化產(chǎn)物硅酸鈣(C-S-H凝膠)的含量，從而降低了漿體間的密實(shí)度及其和纖維之間的結(jié)合力，以致對(duì)抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生不利影響。

2.2.2 CF摻量對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

CF摻量對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響見(jiàn)圖3。

由圖3可知：① 28 d養(yǎng)護(hù)齡期下，W/B=0.36時(shí)，自密實(shí)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度為5.2～6.2 MPa，比W/B=0.42時(shí)的劈裂抗拉強(qiáng)度(5.07～5.78 MPa)略高一些，且養(yǎng)護(hù)齡期的延長(zhǎng)，有助于提升混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度；② 隨CF摻量的增加，自密實(shí)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度整體上呈現(xiàn)先顯著增加后趨于平緩的趨勢(shì)。甚至當(dāng)纖維摻量超過(guò)0.6%時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度有略微下降的趨勢(shì)，表明碳纖維的摻加宜適量。

2.2.3 CF摻量對(duì)抗裂性能的影響

為了更好地分析自密實(shí)混凝土的斷裂韌性，探討碳纖維對(duì)自密實(shí)混凝土抗裂性能的影響，對(duì)不同CF摻量下自密實(shí)混凝土試件進(jìn)行彎曲性能測(cè)試，得到如圖4所示的荷載-位移曲線。

圖3 CF摻量對(duì)自密實(shí)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

圖4 CF自密實(shí)混凝土荷載-位移曲線

由圖4可見(jiàn)：在線彈性階段，摻入CF對(duì)自密實(shí)混凝土載荷變化的響應(yīng)并不明顯。當(dāng)位移大于0.07 mm后，對(duì)照組自密實(shí)混凝土試件的載荷迅速下降，一旦裂縫失穩(wěn)會(huì)立即擴(kuò)展并發(fā)生脆性破壞，而摻有碳纖維的混凝土試件載荷的下降則較為緩慢，其荷載-位移曲線所覆蓋的面積也更大，荷載的峰值也有所提高。試件破壞時(shí)位移的增大，表明CF的摻入增大了自密實(shí)混凝土的微裂紋擴(kuò)展范圍，而極限載荷和斷裂位移同時(shí)提高表明了試件破壞時(shí)需要吸收更多的能量，改善斷裂韌性。

另外，比較圖4(a)、(b)不難發(fā)現(xiàn)，兩種水膠比下，均是0.2%CF摻量下自密實(shí)混凝土試件的極限荷載最大，荷載-位移曲線覆蓋的面積最大，表明CF體積摻量以控制在0.2%為宜，此時(shí)混凝土的斷裂韌性最佳。

2.3 CF自密實(shí)混凝土微觀形貌及機(jī)理分析

CF自密實(shí)混凝土是由膠凝材料(水泥、硅灰、粉煤灰等)、粗細(xì)骨料和碳纖維等組成的復(fù)合材料，其宏觀力學(xué)性能受到相界面微觀結(jié)構(gòu)的顯著影響。CFRSCC的微觀結(jié)構(gòu)由水泥漿體、水泥漿體-骨料界面過(guò)渡區(qū)以及碳纖維-水泥漿體界面過(guò)渡區(qū)構(gòu)成，其中碳纖維與水泥漿體之間的相界面往往是混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的薄弱層。即碳纖維與漿體之間的黏結(jié)性能以及碳纖維的破壞形式等直接影響了自密實(shí)混凝土的宏觀性能。因此，該文利用掃描電子顯微鏡(SEM)測(cè)試了CFRSCC混凝土的微觀形貌，并從微觀結(jié)構(gòu)上分析了碳纖維改善自密實(shí)混凝土斷裂性能的機(jī)理。

圖5、6分別為W/B=0.36和0.42時(shí)，不同CF摻量下自密實(shí)混凝土的SEM圖。由圖5、6可知：對(duì)于未摻雜碳纖維的素混凝土來(lái)說(shuō)，其微觀形貌中存在大孔洞，且水膠比越大，產(chǎn)生的孔洞也越多。當(dāng)CF摻量超過(guò)0.6%時(shí)，微觀形貌中的纖維團(tuán)簇現(xiàn)象增多，此時(shí)碳纖維的分散性降低[圖5(d)、(e)]和[圖5(d)、(e)]，漿體中裂縫和孔洞增多，纖維集聚在一起，易形成應(yīng)力點(diǎn)和薄弱界面層，使碳纖維不能充分發(fā)揮作用，造成宏觀力學(xué)性能下降?？傮w來(lái)看，一定摻量的碳纖維能較均勻地分散在混凝土內(nèi)部，形成三維亂向分布并構(gòu)成有效搭接。碳纖維-水泥漿體除了是混凝土的薄弱層，還起到將應(yīng)力從碳纖維傳導(dǎo)至漿體或從漿體傳導(dǎo)至纖維的作用，良好的界面黏結(jié)性能是其充分發(fā)揮作用，改善自密實(shí)混凝土斷裂性能的基礎(chǔ)。從圖5(b)、6(b)可知，膠凝材料包覆碳纖維，無(wú)明顯裂縫，即便纖維被撥出或拉斷，纖維表面仍然殘存一些水化產(chǎn)物或漿體(圖7)，可以判斷碳纖維與水泥漿體界面之間的黏結(jié)較為緊密，界面黏結(jié)力良好。

圖5 W/B=0.36時(shí)，不同CF摻量下的自密實(shí)混凝土的SEM圖

圖6 W/B=0.42時(shí)，不同CF摻量下的自密實(shí)混凝土的SEM圖

圖7 自密實(shí)混凝土中碳纖維典型狀態(tài)微觀形貌圖

綜上，一方面碳纖維本身具有較高的抗拉強(qiáng)度(表1)，當(dāng)CF自密實(shí)混凝土承受荷載時(shí)，基體通過(guò)界面黏結(jié)力將荷載傳遞或分擔(dān)給碳纖維，碳纖維參與了受力變形，并吸收了部分能量，碳纖維和基體共同作用承擔(dān)荷載；另一方面，亂向分布的碳纖維使裂縫擴(kuò)展路徑復(fù)雜化并可橋接在宏觀裂縫的兩側(cè)，阻礙裂縫、微裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展。二者綜合作用提高了自密實(shí)混凝土的抗裂性能，改善了脆性破壞狀態(tài)。微觀結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果與前文力學(xué)性能的測(cè)試結(jié)果基本吻合，亦證明了前文分析的合理性。

圖7進(jìn)一步給出了CF自密實(shí)混凝土破壞時(shí)，碳纖維被拔出和拉斷的典型狀態(tài)圖。由圖7可知：自密實(shí)混凝土受力破壞時(shí)，碳纖維被撥出和拉斷的情況同時(shí)存在。當(dāng)外界載荷大于內(nèi)部水泥基體和纖維共同承受力時(shí)，纖維或被拔出或被拉斷以消耗能量，當(dāng)以纖維拉斷為主時(shí)，碳纖維則充分發(fā)揮了其抗拉性能，改善混凝土的抗拉性能。若否，則說(shuō)明纖維和漿體之間的界面結(jié)合力不強(qiáng)，對(duì)力學(xué)性能的改善程度也有限。

2.4 CF自密實(shí)混凝土抗氯離子滲透性

除了工作性能和力學(xué)性能，該文還進(jìn)一步考察了CF摻量對(duì)自密實(shí)混凝土抗氯離子侵蝕性能的影響，結(jié)果如圖8所示，以期反映纖維自密實(shí)混凝土的耐久性，為復(fù)雜環(huán)境中建筑工程的服役性能評(píng)價(jià)提供參考。

圖8 CF摻量對(duì)自密實(shí)混凝土氯離子遷移系數(shù)的影響

由圖8可知：隨著CF摻量的增加，自密實(shí)混凝土的氯離子遷移系數(shù)先降低后逐漸增大。水膠比增大會(huì)增大氯離子遷移系數(shù)，即降低自密實(shí)混凝土的抗?jié)B性能。當(dāng)CF摻量為0.2%、W/B=0.36時(shí)，混凝土的氯離子遷移系數(shù)為13.8×10-12m2/s，比未摻雜時(shí)降低了14.8%。由前文分析可知，CF的摻入提高了黏聚性能，改善了漿體的抗離析性能。另外，微觀分析也表明漿體自密實(shí)性能的改善，減少了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的孔洞等有害孔隙，在微觀層面上漿體空隙率的降低，增加了自密實(shí)混凝土的抗?jié)B性，在一定程度上抑制了氯離子的內(nèi)部遷移，改善了耐久性能。

3 結(jié)論

(1) 自密實(shí)混凝土中摻雜碳纖維會(huì)增大漿體的黏聚性，提高抗離析性能，降低了漿體的流動(dòng)性和填充能力，且纖維摻量越大對(duì)工作性能的影響也越顯著，但仍滿足JGJ/T 283-2012《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的要求。

(2) 碳纖維的摻入提高了自密實(shí)混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度、斷裂韌性和抗氯離子侵蝕能力，但會(huì)在一定程度上降低其抗壓強(qiáng)度，且對(duì)抗壓強(qiáng)度的影響隨齡期的延長(zhǎng)逐漸降低。養(yǎng)護(hù)齡期28 d時(shí)，試驗(yàn)中抗壓強(qiáng)度的降低幅度為11.5%～25.1%。當(dāng)W/B=0.36，碳纖維的體積摻量為0.2%時(shí)，自密實(shí)混凝土28 d的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和氯離子遷移系數(shù)分別為69.4 MPa、5.78 MPa和13.8×10-12m2/s，綜合性能最優(yōu)。

(3) SEM分析顯示碳纖維在水泥漿體中成三維亂向分布并互相搭接，能有效抑制微裂紋在自密實(shí)混凝土中的延伸擴(kuò)展，改善自密實(shí)混凝土的斷裂韌性。水膠比的增大會(huì)降低自密實(shí)混凝土中膠凝材料含量，孔洞增多，從而對(duì)碳纖維自密實(shí)混凝土的力學(xué)性能和抗氯離子侵蝕性能產(chǎn)生負(fù)面影響。