預(yù)埋碳纖維網(wǎng)增強(qiáng)水泥混凝土梁性能試驗(yàn)研究*

雷小磊， 黃國(guó)棟， 崔玉龍

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

目前，雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)增強(qiáng)混凝土材料的抗裂與抗折性能進(jìn)行了深入研究，取得了一定的進(jìn)展，但仍存在一系列問(wèn)題。例如，尚建麗[1]等采用鋼纖維增強(qiáng)混凝土材料的抗裂與抗折性能。雖然鋼纖維的摻入可以提高混凝土材料的抗折與抗裂性能，但鋼纖維的價(jià)格高，容易腐蝕，而且腐蝕后的鋼纖維體積增大，反而進(jìn)一步加速了混凝土中裂縫的形成與擴(kuò)展。劉秋美[2]等采用聚丙烯纖維增強(qiáng)混凝土材料性能。研究表明，聚丙烯纖維的摻入僅能略微改善混凝土材料的抗裂與抗折性能，這主要由于聚丙烯纖維自身抗拉強(qiáng)度不高，導(dǎo)致其改善作用不明顯。因此，研發(fā)一種新型纖維材料，顯著提高混凝土材料的抗拉與抗裂性能，同時(shí)自身又不存在缺陷，對(duì)混凝土材料在建筑工程領(lǐng)域中的應(yīng)用具有重大意義。

碳纖維材料具有高強(qiáng)度、高模量的"外柔內(nèi)剛"特性，質(zhì)量很輕，但抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于鋼材。它還具有密度低、比性能高，無(wú)蠕變，耐疲勞與耐腐蝕的特點(diǎn)。因此，將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于混凝土材料中將有助于改善混凝土材料抗裂與抗折性能的不足[3-5]，開(kāi)展對(duì)這種復(fù)合材料的研究，為解決混凝土抗裂性與抗彎性不足的問(wèn)題帶來(lái)了轉(zhuǎn)機(jī)。通過(guò)預(yù)埋碳纖維網(wǎng)的方法改善混凝土梁的抗裂與抗折性能，著重分析碳纖維網(wǎng)的密度、布置層數(shù)與預(yù)埋位置對(duì)改善混凝土梁的改善作用，最終獲得最佳的增強(qiáng)效果。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

1.1.1 碳纖維編織網(wǎng)與碳纖維短切絲

采用的碳纖維束由河北滄州中麗新材料科技有限公司生產(chǎn)，其產(chǎn)品性能參數(shù)如表1所示。

碳纖維編織網(wǎng)由單束碳纖維束編織而成，網(wǎng)格尺寸采用密度為60mm×60mm的碳纖維網(wǎng)，其布置形式如圖1所示。在距小梁上表面分別為25mm，50mm，75mm，100mm與125mm的不同位置布置碳纖維網(wǎng)，檢驗(yàn)碳纖維網(wǎng)的布置位置對(duì)混凝土小梁抗折能力的改善作用。對(duì)于碳纖維網(wǎng)結(jié)點(diǎn)的處理，為了確保碳纖維網(wǎng)能夠在混凝土小梁內(nèi)形成整體并均衡受力，采用碳纖維束將碳纖維網(wǎng)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行綁扎，同時(shí)在碳纖維網(wǎng)邊界結(jié)點(diǎn)外各伸出15mm，以保護(hù)結(jié)點(diǎn)[6]。采用單層與雙層形式分別布設(shè)碳纖維網(wǎng)，檢驗(yàn)不同層數(shù)的碳纖維網(wǎng)對(duì)混凝土小梁抗折能力的改善作用。

圖1 碳纖維網(wǎng)格形式(60 mm×60 mm)

1.1.2 混凝土材料

采用安徽舜岳水泥有限責(zé)任公司所生產(chǎn)的P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其性能符合國(guó)家通用硅酸鹽水泥(GB175-2007)的標(biāo)準(zhǔn)[7]。試驗(yàn)用細(xì)骨料為中粗河砂，細(xì)度模數(shù)為2.7。粗骨料為碎石，飽和面干狀態(tài)，連續(xù)級(jí)配，粒徑范圍5-20 mm。試驗(yàn)用水為普通自來(lái)水。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 混凝土配合比

混凝土配合比如表2所示。A-1組未加入碳纖維網(wǎng)，為素混凝土對(duì)照組。B-1至B-5組通過(guò)在混凝土小梁試件梁體的不同位置布置單層60mm×60mm的碳纖維網(wǎng)，C-1至C-4組通過(guò)在混凝土小梁試件梁體的不同位置布置雙層60mm×60mm的碳纖維網(wǎng)，研究同一規(guī)格密度碳纖維網(wǎng)在距小梁梁體上表面的不同位置對(duì)混凝土梁抗折能力的增強(qiáng)作用，從而得到碳纖維網(wǎng)在混凝土梁內(nèi)最佳的層布方式，通過(guò)布置單層及雙層碳纖維網(wǎng)，綜合分析研究碳纖維網(wǎng)對(duì)混凝土小梁抗折性能的增強(qiáng)效果。

1.2.2 混凝土梁試件的制備與養(yǎng)護(hù)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)的混凝土梁尺寸為150mm×150mm×550 mm，其配合比如表2所示。參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)制備并養(yǎng)護(hù)混凝土梁試件[8]?；炷恋闹苽浞椒ㄒ訡-2組為例，首先將單束碳纖維束編織成網(wǎng)格尺寸密度為60mm×60mm的碳纖維網(wǎng)，與混凝土梁等長(zhǎng)等寬。按照表2中配合比將混凝土攪拌后準(zhǔn)備澆筑試件?；炷亮簼仓r(shí)先將模具放在振動(dòng)臺(tái)上，澆筑一層混凝土并振搗密實(shí)，在預(yù)定位置(距底面25mm)放入第一層碳纖維網(wǎng)。然后繼續(xù)加入混凝土并振搗密實(shí)，在預(yù)定位置(距底面100mm)放入第二層碳纖維網(wǎng)，最后加滿混凝土并將試件振搗密實(shí)。試件制備完成后立即放入養(yǎng)護(hù)室，待養(yǎng)護(hù)24h進(jìn)行拆模，待試件養(yǎng)護(hù)至試驗(yàn)設(shè)計(jì)的7d、14d、28d與60d齡期時(shí)進(jìn)行抗折性能試驗(yàn)。養(yǎng)護(hù)室的溫度保持在20±2℃，相對(duì)濕度在95%以上。

表2 混凝土配合比 kg/m3

1.2.3 混凝土梁抗折性能試驗(yàn)

試驗(yàn)參照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50081-2002)方法采用WAW-1000型微機(jī)控制電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)混凝土梁進(jìn)行加載，加載速度0.05-0.08MPa/s[9-10]。加載方式采用三分點(diǎn)加荷測(cè)試混凝土梁7d、14d、28d與60d抗折強(qiáng)度，精度為0.01MPa，測(cè)試結(jié)果取三個(gè)試件的平均值。

圖2 碳纖維網(wǎng)位置增強(qiáng)混凝土梁抗折性能

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 碳纖維網(wǎng)布置位置對(duì)混凝土梁的增強(qiáng)效果

單層碳纖維網(wǎng)預(yù)埋位置對(duì)混凝土梁抗折性能的增強(qiáng)作用如圖2所示?？梢钥闯?，當(dāng)碳纖維網(wǎng)布置在距上頂面25mm時(shí)，試件B-1養(yǎng)護(hù)7d的抗折強(qiáng)度達(dá)到1.36MPa，比試件A-1提高了20.4%，養(yǎng)護(hù)14d時(shí)抗折強(qiáng)度達(dá)到3.44MPa，比試件A-1提高了6.8%。試件B-4(距上頂面100mm) 養(yǎng)護(hù)7d的抗折強(qiáng)度達(dá)到了1.60MPa，比試件B-1提高了17.6%，養(yǎng)護(hù)14d時(shí)抗折強(qiáng)度達(dá)到4.13MPa，比試件B-1提高了20.1%。而試件B-5(距上頂面125mm)養(yǎng)護(hù)7d與14d的抗折強(qiáng)度分別達(dá)到1.57MPa與4.01MPa，比試件B-4分別降低了1.9%與2.9%。由此得出，隨著碳纖維網(wǎng)布置位置距上頂面距離的不斷增大，碳纖維網(wǎng)的增強(qiáng)效果也逐漸增大。當(dāng)碳纖維網(wǎng)布置在距上頂面100mm時(shí)，試件B-4養(yǎng)護(hù)7d、14d、28d與60d的抗折強(qiáng)度分別達(dá)到1.60MPa、4.13MPa、4.59MPa與5.01MPa，是本組試驗(yàn)中強(qiáng)度增加最高的一組?？梢钥闯?，碳纖維網(wǎng)距混凝土梁上表面距離越大，抗折強(qiáng)度提升效果越明顯。這是因?yàn)榛炷亮涸谑芰^(guò)程中，梁上表面主要承受壓力，而下表面主要承受拉力，而碳纖維網(wǎng)預(yù)埋在混凝土梁的下部可以更好的與下表面混凝土共同承擔(dān)拉力，防止下表面混凝土由于抗拉強(qiáng)度的不足發(fā)生破壞，從而提高了混凝土梁的抗折強(qiáng)度。然而，當(dāng)距離超過(guò)100mm時(shí)出現(xiàn)了小幅度的下降。這是由于預(yù)埋在混凝土中的碳纖維網(wǎng)具有一定的保護(hù)層，因此，根據(jù)混凝土梁的尺寸，碳纖維網(wǎng)距上表面最大距離為125mm，無(wú)法通過(guò)繼續(xù)增大碳纖維網(wǎng)與混凝土梁上表面的距離來(lái)繼續(xù)增大碳纖維網(wǎng)的增強(qiáng)效果[11-12]。所以，通過(guò)預(yù)埋單層碳纖維網(wǎng)的方法能有效提升碳纖維網(wǎng)的增強(qiáng)效果。

圖3 碳纖維網(wǎng)層數(shù)增強(qiáng)混凝土梁抗折性能

2.2 碳纖維網(wǎng)布置層數(shù)對(duì)混凝土梁的增強(qiáng)效果

雙層碳纖維網(wǎng)對(duì)混凝土梁抗折性能的增強(qiáng)作用如圖3所示?？梢钥闯觯?dāng)雙層碳纖維網(wǎng)分別布置在距上頂面25mm與125mm時(shí)，試件C-1養(yǎng)護(hù)7d的抗折強(qiáng)度達(dá)到2.06MPa，比試件B-1(單層25mm)和試件B-5(單層125mm)分別提高了51.5%與31.2%。試件C-2養(yǎng)護(hù)14d的抗折強(qiáng)度達(dá)到4.35MPa，比試件B-1和試件B-5分別提高了18.5%與8.5%。這說(shuō)明雙層碳纖維網(wǎng)的增強(qiáng)效果優(yōu)于單層碳纖維網(wǎng)，但提升的幅度并不呈線性遞增分布。這是由于第一層碳纖維網(wǎng)距混凝土梁上表面較近，而混凝土梁上表面主要承受壓力，沒(méi)有充分發(fā)揮出碳纖維網(wǎng)的抗拉作用。隨著雙層碳纖維網(wǎng)距混凝土梁上表面的距離不斷增大，其增強(qiáng)幅度也不斷提升。當(dāng)雙層碳纖維網(wǎng)分別布置在距上頂面100mm與125mm時(shí)，試件C-4養(yǎng)護(hù)7d的抗折強(qiáng)度達(dá)到2.58MPa，比試件B-4與B-5分別提高了61.3%與64.3%，試件C-4養(yǎng)護(hù)14d與28d的抗折強(qiáng)度分別達(dá)到5.18MPa與5.75MPa，比試件B-4分別提高了25.4%與25.3%，比試件B-5分別提高了29.2%與28.9%，提升效果在本組試驗(yàn)中最為顯著。通過(guò)對(duì)圖2和圖3(a)的分析，可以看出，設(shè)置雙層碳纖維網(wǎng)對(duì)混凝土梁抗折強(qiáng)度的提升明顯優(yōu)于單層碳纖維網(wǎng)，而且合理布置雙層碳纖維網(wǎng)的位置對(duì)其提升效果具有很大影響?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際施工，雙層布置碳纖維網(wǎng)將會(huì)給混凝土梁的施工帶來(lái)不便，造成施工工序復(fù)雜。

3 結(jié) 論

在混凝土梁內(nèi)預(yù)埋高強(qiáng)度碳纖維網(wǎng)可以顯著提升混凝土梁的抗折性能，當(dāng)選用的碳纖維網(wǎng)密度為60mm×60mm，預(yù)埋碳纖維網(wǎng)距混凝土梁上表面的距離越大，其增強(qiáng)效果越明顯。當(dāng)碳纖維網(wǎng)距混凝土梁上表面的距離為100mm時(shí),增強(qiáng)效果達(dá)到最佳。而且同時(shí)摻入雙層碳纖維網(wǎng)的增強(qiáng)效果明顯優(yōu)于單層。當(dāng)雙層碳纖維網(wǎng)距混凝土梁上表面的距離為100 mm與125 mm時(shí),增強(qiáng)效果達(dá)到最佳。