碳纖維增強混凝土彎曲韌性試驗

劉發(fā)明，谷　坤，張旭輝

宿州學院資源與土木工程學院，安徽宿州，234000

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碳纖維增強混凝土彎曲韌性試驗

劉發(fā)明，谷坤，張旭輝

宿州學院資源與土木工程學院，安徽宿州，234000

摘要：采用改變碳纖維在混凝土中體積摻量的方法，對混凝土的彎曲韌性進行了試驗，研究了不同碳纖維體積摻量對混凝土彎曲韌性以及破壞特征的影響。結果表明，碳纖維對基體混凝土在彎曲破壞時有不同程度的改善和增強作用，碳纖維體積摻量對基體混凝土彎曲韌性改善的最佳摻量在0.6%左右，跨中撓度分別為3δ、5.5δ、15.5δ時的彎曲韌性指數(shù)增加量達到了20%。從碳纖維混凝土破壞形態(tài)來看，破壞也由脆性斷裂變?yōu)橐欢ǔ潭鹊捻g性斷裂。

關鍵詞：碳纖維；體積摻量；彎曲韌性

為了克服混凝土脆性大、抗拉強度低和易開裂的先天缺陷，在混泥士中摻入纖維可以約束其裂縫的展開，減少塑性收縮，增強抗拉強度，提高耐久性。碳纖維是一種具有抗拉強度高、耐腐蝕、耐高溫、化學穩(wěn)定性較好、彈性模量大等性能優(yōu)良的新型纖維，將適量體積的碳纖維摻入混凝土中，可以延緩混凝土內部裂紋的產生和擴展，明顯改善混凝土的韌性和延性，避免混凝土內部產生應力集中現(xiàn)象。正是由于碳纖維可以使混凝土增強增韌的優(yōu)良性能，所以它在復合材料領域中占有重要的地位，廣泛應用于高層建筑、橋梁、碼頭、大壩、防震、靜電屏蔽、導電以及吸波等方面，受到材料研究科技工作者的普遍關注[1-3]。

1　試驗方案

1.1原材料

試驗選用海螺牌32.5#普通硅酸鹽水泥，3 d、28 d抗壓強度分別為18.7 MPa、38.6 MPa；細度模數(shù)為2.53的中砂；最大粒徑為20 mm、連續(xù)級配的碎石；日本東邦碳纖維公司生產的12K碳纖維，其技術性能指標如表1所示。

表1　碳纖維性能指標

1.2配合比設計

根據(jù)商懷帥等人[4]研究結果可知，在水灰比為0.5時，混凝土的單軸和雙軸抗壓強度趨于平穩(wěn)，不會出現(xiàn)驟降現(xiàn)象。故本實驗選取水灰比為0.5，混凝土設計強度等級為C30，砂率采用34%，水泥∶細骨料∶粗骨料∶水=1∶1.6∶3.11∶0.50。在彎曲韌性試驗配合比設計中，所用碳纖維的體積摻量有0.2%、0.6%、1.0%、2.0%四種，試驗配合比設計如表2所示。

表2　碳纖維混凝土彎曲韌性試驗配合比表　　單位：kg

1.3試件設計

根據(jù)配合比和碳纖維的體積摻量，試件共5組，每組3個，采用100 mm×100 mm×400 mm的小梁試件。按照碎石→水泥→砂子的順序進行一次投料入攪拌機中，在干攪的過程中緩慢均勻地加入碳纖維，最后將拌合水加入并攪拌2 min后，把混合料澆筑到模具中成型[5]。

1.4試驗方法

碳纖維混凝土彎曲韌性試驗測試采用WAW-1000型微機控制電液伺服萬能試驗機，利用《纖維混凝土應用技術規(guī)程》(JGJ/T 221-2010)標準、三分點彎曲梁試驗方法，測量初裂強度和荷載-撓度曲線。

2　彎曲韌性試驗結果與分析

2.1彎曲韌性評定方法和數(shù)據(jù)記錄

通過試驗得到碳纖維混凝土小梁的荷載(KN)與撓度(mm)的關系曲線，并找出每一條曲線上由線性變?yōu)榉蔷€性的分界點，記錄該點對應的撓度值，即為初裂撓度。以初裂撓度的3倍、5.5倍和15.5倍荷載—撓度曲線下面積與初裂撓度曲線下面積之比來計算彎曲韌性指數(shù)，用公式(1)表示。以3個試件的彎曲韌性指數(shù)算術平均值作為該組試件的彎曲韌性指數(shù)值，具體結果如表3所示。

(1)

式中，I5、I10、I30表示跨中撓度分別為3δ、5.5δ、15.5δ時的彎曲韌性指數(shù)，S0、S5、S10、S30表示初裂撓度δ、3δ、5δ、15.5δ對應荷載—撓度曲線下面積。

表3　碳纖維混凝土彎曲韌性試驗結果

2.2碳纖維摻量對混凝土彎曲韌性的影響

根據(jù)表3中求得的碳纖維混凝土彎曲韌性指數(shù)值，可以繪制出碳纖維體積摻量與彎曲韌性指數(shù)之間的關系曲線，如圖1所示。

圖1　碳纖維體積摻量與彎曲韌性指數(shù)關系圖

從圖1可以看出，碳纖維的摻入對于混凝土的彎曲韌性均有增強作用。當碳纖維體積摻量為0.2%時，跨中撓度為3δ、5.5δ和15.5δ時彎曲韌性指數(shù)分別提高了3.97%、8.63%和10.11%；當碳纖維體積摻量為0.6%時，跨中撓度為3δ、5δ和15.5δ時的彎曲韌性指數(shù)分別提高了21.53%、19.51%和19.00%；當碳纖維體積摻量在1.0%時，跨中撓度分別為3δ、5δ和15.5δ時的彎曲韌性指數(shù)分別提高了2.27%、4.50%和4.96%。當碳纖維體積摻量在0.6%以下時，混凝土的彎曲韌性增加較多，尤其是體積摻量在0.6%時，彎曲韌性增加量達到了20%，但是隨著碳纖維體積摻量的增大彎曲韌性指數(shù)呈減少趨勢。如碳纖維體積摻量在2.0%時，跨中撓度分別為3δ、5δ和15.5δ時的彎曲韌性指數(shù)比碳纖維體積摻量在0.6%時分別降低了了16.78%、13.62%和12.38%，這主要是因為碳纖維出現(xiàn)了“負效應”。

2.3試驗現(xiàn)象與破壞分析

在碳纖維混凝土加載過程中，為了觀察碳纖維混凝土試件從開始出現(xiàn)裂縫到斷裂破壞的全過程，即時調整加載速度，并記錄裂縫的展開情況。碳纖維混凝土試件在出現(xiàn)裂縫后，隨著荷載的增加，裂縫逐漸增多增寬，偶有表層漿體碎渣片掉落，破壞也沒有素混凝土那么突然。碳纖維體積摻量越大，碳纖維混凝土試件在破壞時表面裂縫寬度就越窄，試件表面漿體片剝落就越少。試驗結果表明，隨著碳纖維體積摻量的增加，混凝土在彎曲時抗破壞特征就越明顯。這是因為數(shù)以萬計的三維亂向分布的碳纖維在混凝土中起著微筋拉結作用，這些貫穿裂縫的碳纖維細微筋限制了骨料間裂縫沿受力方向的擴展與貫通，延緩了混凝土基體由于裂縫擴展過快而造成的突然失穩(wěn)，從而使得混凝土構件的塑性變形能力得到有效的提高[6-8]。

3　結 論

通過不同碳纖維體積摻量增強混凝土彎曲韌性能試驗，可以得到以下結論：

(1)將一定體積摻量的碳纖維摻入混凝土中，對于基體混凝土在受到彎曲破壞時有不同程度的改善和增強作用。

(2)碳纖維體積摻量對基體混凝土彎曲韌性改善的最佳摻量在0.6%左右，跨中撓度分別為3δ、5δ和15.5δ時的彎曲韌性指數(shù)分別提高了21.53%、19.51%和19.00%。

(3)碳纖維體積摻量在0.6%以上時，跨中撓度分別為3δ、5δ和15.5δ時的彎曲韌性指數(shù)呈下降趨勢，但是整體上碳纖維混凝土彎曲韌性比素混凝土要高，破壞形態(tài)由突然斷裂的脆性破壞變?yōu)橐欢ǔ潭鹊捻g性破壞。

作者簡介：劉發(fā)明(1981-)，安徽六安人，碩士，助教，主要研究方向：新型建筑材料、混凝土結構。

基金項目：宿州學院青年人才 “凍融環(huán)境粉煤灰混凝土結構耐久性評估及使用壽命預測”(2013XQRL02)；安徽省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃入選項目“相同體積下不同質量比的碳纖維混凝土的力學性能的研究”(AH201410379050)；安徽省教育基本建設學會科研項目“基于可持續(xù)發(fā)展的高校綠色建筑開發(fā)管理研究”(1409-10)。

收稿日期：2015-07-10

中圖分類號：TU528.582

文獻標識碼：A

文章編號：1673-2006(2015)10-0104-03

doi:10.3969/j.issn.1673-2006.2015.10.028