碳纖維摻量及長(zhǎng)度對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響

黨軍亮，牛建剛，唐好令，董自強(qiáng)，張玉玲

(山東中程試驗(yàn)檢測(cè)有限公司，山東 濟(jì)南 250100)

混凝土是目前基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的材料之一，提高混凝土的力學(xué)性能是當(dāng)前土木領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。張學(xué)元[1]分析了再生骨料混凝土的力學(xué)性能，當(dāng)再生骨料的置換率不超過(guò)50%時(shí)，再生骨料混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著再生骨料置換率的增大呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，當(dāng)置換率超出50%后，抗壓強(qiáng)度逐漸降低。祝和意等[2]研究了聚乙烯醇(PVA)纖維體積率對(duì)水泥基復(fù)合材料(PVA-ECC)性能的影響，PVA纖維體積率對(duì)提高PVA-ECC抗壓強(qiáng)度的作用不明顯，體積率在1.6%～2%時(shí)PVA-ECC破壞后的整體性較好，但過(guò)量的PVA纖維摻入會(huì)降低PVA-ECC的抗壓強(qiáng)度。楊陽(yáng)等[3]制備了高性能防水性混凝土，相對(duì)于萘系、聚羧酸兩種常用類型的減水劑，DHZ-I混凝土復(fù)合液與礦物摻合料復(fù)摻使用能極大地改善混凝土的防水抗?jié)B性能，抗?jié)B等級(jí)可達(dá)P30以上。郭文健等[4]研究了橡膠粉體積摻量和應(yīng)變率對(duì)高性能橡膠粉混凝土性能的影響，發(fā)現(xiàn)高性能橡膠粉混凝土峰值應(yīng)力和割線模量表現(xiàn)出一定的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)，而橡膠粉的摻入會(huì)降低峰值應(yīng)力和割線模量提升的幅度。

上述研究是采用不同摻合料來(lái)提高混凝土的性能，但目前纖維材料因性價(jià)比高而被廣泛用于改善混凝土的性能。孫家瑛[5]研究了混雜聚丙烯纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能和耐久性能的影響，結(jié)果表明聚丙烯纖維在一定含量下能夠提高混凝土的耐磨性能和劈拉性能。李光偉等[6]對(duì)聚丙烯纖維混凝土的基本性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維在混凝土中所形成的亂向支撐體系產(chǎn)生一種有效的二級(jí)加強(qiáng)效果，能較大幅度提高混凝土的抗裂性能。戴建國(guó)等[7]研究不同含量的聚丙烯纖維對(duì)混凝土收縮性能的影響，結(jié)果表明短切亂向分布的聚丙烯纖維摻入混凝土和砂漿后可以減少混凝土和砂漿澆筑后的水分散失。李北星等[8]研究了聚丙烯纖維混凝土抗壓強(qiáng)度等變化規(guī)律，結(jié)果表明低摻量聚丙烯纖維會(huì)略微降低混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度。盧安琪等[9]研究發(fā)現(xiàn)摻入聚丙烯纖維能夠顯著改善混凝土的抗沖磨和抗沖擊性能。

目前，纖維材料的種類很多，其中碳纖維由于具有優(yōu)異的活性和化學(xué)穩(wěn)定性且價(jià)比高，在混凝土改性中得到了廣泛應(yīng)用[10-12]。許多研究人員開展了碳纖維摻量對(duì)混凝土性能的影響試驗(yàn)，但碳纖維的長(zhǎng)度對(duì)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的支撐體系也有著重要的影響[13-14]。因此，作者以碳纖維為原料，以纖維摻量和纖維長(zhǎng)度作為變量，研究混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度隨纖維摻量和纖維長(zhǎng)度的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原料

硅酸鹽水泥：二氧化硅(SiO2)質(zhì)量分?jǐn)?shù)22.19%、氧化鈣(CaO)質(zhì)量分?jǐn)?shù)58.31%、三氧化二鋁(Al2O3)質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.33%、氧化鎂(MgO)質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.98%、三氧化二鐵(Fe2O3)質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.31%、三氧化硫(SO3)質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.88%，初凝105 min，終凝155 min，28 d抗壓強(qiáng)度為51.2 MPa，28 d抗折強(qiáng)度為8.6 MPa，廣東英德龍山水泥廠生產(chǎn)；骨料：粗骨料(石子)粒徑5～10 mm、堆積密度1 632 kg/m3、表觀密度2 734 kg/m3，細(xì)骨料(砂子)粒徑0～5 mm、堆積密度1 610 kg/m3、表觀密度2 938 kg/m3，青島隆璂保溫建材生產(chǎn)；石灰石粉：含水率0.4%，燒失量5.1%，活性91%，河北鋼鐵集團(tuán)宣鋼公司生產(chǎn)；沸石粉：含水率1.8%，燒失量3.2%，活性94%，濰坊聰順膨潤(rùn)土有限公司生產(chǎn)；碳纖維：密度0.94 g/cm3，抗拉強(qiáng)度3 400 MPa，彈性模量114 GPa，斷裂伸長(zhǎng)率3.5%，杭州翔盛高強(qiáng)纖維材料股份有限公司提供。

1.2 主要設(shè)備及儀器

HS85623型多功能攪拌機(jī)：滄州恒勝偉業(yè)公路儀器有限公司制；YES普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)：美特斯工業(yè)系統(tǒng)(中國(guó))有限公司制。

1.3 碳纖維混凝土的制備

在常溫下，使用攪拌機(jī)將水泥、細(xì)骨料(砂子)、粗骨料(石子)、水和碳纖維等進(jìn)行混合攪拌，其中水泥：砂子：石子：水的質(zhì)量比為 1.00:0.39:1.29:2.88，并摻入不同長(zhǎng)度(10，15，20 mm)及不同含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0～0.6%)的碳纖維。隨后放入振動(dòng)臺(tái)上進(jìn)行振動(dòng)，使得成型的混凝土內(nèi)部材料均勻且密實(shí)。標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后，測(cè)試混凝土的力學(xué)性能。

1.4 力學(xué)性能測(cè)試

根據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，將養(yǎng)護(hù)成型的碳纖維混凝土放置在力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)，開始逐級(jí)加壓力/加拉力，測(cè)試碳纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，取每組3塊試件測(cè)試結(jié)果的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度

在混凝土中摻入3種不同長(zhǎng)度(10，15，20 mm)及不同含量的碳纖維，測(cè)試養(yǎng)護(hù)28 d后碳纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度，并研究其變化規(guī)律。從圖1可以看出：摻入3種不同長(zhǎng)度的碳纖維，隨著碳纖維摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度先增加而后降低，在碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)抗壓強(qiáng)度均達(dá)到最大值，當(dāng)摻入長(zhǎng)度為10 mm的碳纖維時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度最大值為79.3 MPa，摻入長(zhǎng)度為15 mm的碳纖維時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度最大值為82.4 MPa，摻入長(zhǎng)度為20 mm碳纖維時(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度最大值為78.4 MPa；當(dāng)摻入碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)0.2%時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度迅速下降，摻入碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)0.6%時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度比未摻入碳纖維的混凝土的抗壓強(qiáng)度(76.1 MPa)還要小，如摻入碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%、長(zhǎng)度分別為10，15，20 mm的碳纖維時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度分別為74.6，75.2，73.3 MPa。這是因?yàn)樘祭w維能夠填充混凝土之間的空隙，使得混凝土更加密實(shí)，但碳纖維摻量的增加會(huì)導(dǎo)致水泥成分比例下降，從而使得復(fù)合混凝土總體強(qiáng)度下降[15]。

圖1 碳纖維長(zhǎng)度及摻量對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的影響Fig.1 Effect of carbon fiber length and dosage on compressive strength of concrete■—10 mm；●—15 mm；▲—20 mm

從圖1還可以看出，在碳纖維摻量一定時(shí)，摻入不同長(zhǎng)度的碳纖維，隨纖維長(zhǎng)度的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度也出現(xiàn)先增加而后降低的趨勢(shì)，當(dāng)纖維長(zhǎng)度為15 mm時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度最大。這是因?yàn)槔w維長(zhǎng)度會(huì)導(dǎo)致混凝土在攪拌過(guò)程中的均勻性，即在單位體積中所含纖維數(shù)量最多，使得混凝土內(nèi)部黏結(jié)力增大，混凝土更加密實(shí)[16]。

2.2 劈拉強(qiáng)度

在混凝土中摻入3種不同長(zhǎng)度(10，15，20 mm)及不同含量的碳纖維，測(cè)試養(yǎng)護(hù)28 d后碳纖維混凝土的劈拉強(qiáng)度，并研究其變化規(guī)律。從圖2可以看出：摻入3種不同長(zhǎng)度的碳纖維，隨著碳纖維摻量的增加，混凝土的劈拉強(qiáng)度先增加而后降低，在碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)混凝土的劈拉強(qiáng)度均達(dá)到最大值，當(dāng)摻入長(zhǎng)度為10 mm的碳纖維時(shí)混凝土劈拉強(qiáng)度最大值為6.9 MPa，摻入長(zhǎng)度為15 mm的碳纖維時(shí)混凝土劈拉強(qiáng)度最大值為7.1 MPa，摻入長(zhǎng)度為20 mm的碳纖維時(shí)混凝土劈拉強(qiáng)度最大值為6.8 MPa；但當(dāng)碳纖維摻量過(guò)大時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度迅速下降，甚至比未摻入纖維時(shí)混凝土的劈拉強(qiáng)度(6.4 MPa)還要小，如當(dāng)摻入長(zhǎng)度為10 mm、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的碳纖維時(shí)混凝土劈拉強(qiáng)度為6.2 MPa，摻入長(zhǎng)度為15 mm、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的碳纖維時(shí)混凝土劈拉強(qiáng)度為6.5 MPa，摻入長(zhǎng)度為20 mm、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的碳纖維時(shí)混凝土劈拉強(qiáng)度為6.4 MPa。這是因?yàn)樘祭w維能夠填充混凝土之間的空隙，使得混凝土更加密實(shí)，但摻量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致水泥成分比例下降，從而使得復(fù)合混凝土劈拉強(qiáng)度總體下降。

圖2 碳纖維長(zhǎng)度及摻量對(duì)混凝土劈拉強(qiáng)度的影響Fig.2 Effect of carbon fiber length and dosage on splitting tensile strength of concrete■—10 mm；●—15 mm；▲—20 mm

另外，當(dāng)碳纖維摻量一定時(shí)，摻入不同長(zhǎng)度的碳纖維，隨纖維長(zhǎng)度的增加，混凝土的劈拉強(qiáng)度也出現(xiàn)先增加而后降低的趨勢(shì)，當(dāng)纖維長(zhǎng)度為15 mm時(shí)混凝土劈拉強(qiáng)度最大。這是因?yàn)槔w維長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)會(huì)使得水泥內(nèi)部孔隙率變大，使得負(fù)載能力下降，劈拉強(qiáng)度降低。

2.3 抗拉強(qiáng)度

在混凝土中摻入3種不同長(zhǎng)度(10，15，20 mm)及不同含量的碳纖維，測(cè)試養(yǎng)護(hù)28 d后碳纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度，并研究其變化規(guī)律。從圖3可以看出：摻入3種不同長(zhǎng)度的碳纖維，隨著碳纖維摻量的增加，混凝土的抗拉強(qiáng)度先增加而后降低，在碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)抗拉強(qiáng)度均達(dá)到最大值，纖維長(zhǎng)度為10，15，20 mm時(shí)混凝土抗拉強(qiáng)度分別為11.3，11.7，10.4 MPa；但摻入碳纖維過(guò)多時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度迅速下降，甚至小于未摻入碳纖維時(shí)混凝土抗拉強(qiáng)度(10.4 MPa)，如摻入長(zhǎng)度10 mm、質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%的碳纖維時(shí)混凝土抗拉強(qiáng)度為10.3 MPa，摻入長(zhǎng)度為15 mm、質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.6%的碳纖維時(shí)混凝土抗拉強(qiáng)度為10.5 MPa，摻入長(zhǎng)度為20 mm、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%的碳纖維時(shí)混凝土抗拉強(qiáng)度為9.8 MPa。這是因?yàn)樘祭w維能夠填充混凝土之間的空隙，使得混凝土更加密實(shí)，但摻量的增加會(huì)導(dǎo)致水泥比例下降，從而使得復(fù)合混凝土強(qiáng)度總體下降。

圖3 碳纖維長(zhǎng)度及摻量對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of carbon fiber length and dosage on tensile strength of concrete■—10 mm；●—15 mm；▲—20 mm

從圖3還可以看出，在碳纖維摻量一定時(shí)，摻入不同長(zhǎng)度的碳纖維，隨碳纖維長(zhǎng)度的增加，混凝土的抗拉強(qiáng)度也出現(xiàn)先增加而后降低的趨勢(shì)，當(dāng)碳纖維長(zhǎng)度為15 mm時(shí)混凝土抗拉強(qiáng)度最大。這是因?yàn)檫^(guò)長(zhǎng)的纖維會(huì)使得混凝土在攪拌過(guò)程中出現(xiàn)分散不均勻等情況，使得混凝土強(qiáng)度不能足夠發(fā)展，抗拉強(qiáng)度降低。

3 結(jié)論

a.在混凝土中摻入不同含量和長(zhǎng)度的碳纖維制備纖維混凝土，隨著纖維摻量和長(zhǎng)度的增加，纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增加而后降低的趨勢(shì)。

b.摻入3種不同長(zhǎng)度的碳纖維，纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時(shí)混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均為最大。

c.當(dāng)碳纖維摻量一定時(shí)，摻入纖維長(zhǎng)度為15 mm的混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均為最大。

d.當(dāng)摻入碳纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%且長(zhǎng)度為15 mm時(shí)，混凝土的力學(xué)性能最佳。