碳纖維混凝土抗滲試驗研究

于良，程華，朱國華

（后勤工程學院 軍事建筑工程系，重慶 401311）

碳纖維混凝土抗滲試驗研究

于良，程華，朱國華

（后勤工程學院 軍事建筑工程系，重慶 401311）

1 研究概論

1.1 研究目的

碳纖維是一種性能優良的新型纖維材料，具有輕質高強、高彈性模量等特性，線膨脹系數幾乎為零，甚至“熱縮冷脹”，碳纖維加入混凝土后具有極好的阻裂能力，在阻止內部微裂縫的擴展并阻滯宏觀裂縫的發生和發展方面起到明顯的作用[1]。隨著碳纖維成本的降低，碳纖維混凝土現已廣泛應用于建筑領域，在屋面防水工程中的應用收到了良好的效果。

本文基于對碳纖維摻量為0.8%的碳纖維混凝土與素混凝土進行抗滲試驗性能對比研究，研究碳纖維對混凝土抗滲性能的作用效果，對碳纖維混凝土在實際工程中的抗滲性能應用給出參考數據。

1.2 混凝土滲透機理

混凝土由于自身澆筑時本身就存在一定的不密實性，在養護的初期，由于水化反應放出水化熱，混凝土內部水分蒸發時形成很多微細毛細孔，使混凝土的孔隙率增加。又因為混凝土養護過程中體積發生收縮，導致內部受到拉應力作用大于混凝土本身的抗拉強度時就會產生微細裂縫。毛細孔和微細裂縫在混凝土內部形成水通道，在混凝土表面接觸到水時，水分通過吸附和表面擴散作用進入混凝土的空隙，在壓力差和毛細孔壓力的作用下使水分向混凝土內部遷移，水分在微細水通道內流動滲透，滲透達到表層時水分發生蒸汽擴散，使滲透得以持續進行[2]。

影響混凝土滲透性能的因素最主要的是其本身材料結構的組成，包括水灰比的大小，集料的多少，粉煤灰、硅粉等摻合料的多少，內部孔結構的形式和孔隙率的大小等。水灰比越大，水泥水化速度越低，水化時留下的毛細孔越多，因此混凝土的抗滲性能越差。粉煤灰、硅粉等顆粒細小的摻和料加入混凝土能夠填充內部空隙，使混凝土結構變得更加致密，增強了混凝土的抗滲性能。

提高混凝土自身的密實性、減少養護過程中內部微裂縫的產生、減小混凝土體積收縮率是增強混凝土抗滲性能的最有效最根本的方法。實際工程中常通過降低水灰比，添加硅粉、粉煤灰等措施來提高混凝土的抗滲性能。

1.3 混凝土抗滲試驗研究方法

混凝土的抗滲試驗研究有多種方法，我國試驗規范標準中采用的是抗滲標號法，將6個高度為150mm圓臺型試件安裝在混凝土滲透儀上，從0.1MPa的水壓力開始加壓，每隔8h升0.1mm水壓力，直到6個試件中有3個被水壓力穿透到表面有水滲出為止。將此時的水壓力值通過一個簡單的線性關系換算成整數，這個整數即所謂的抗滲標號。該方法在實際工程中評價混凝土的抗滲性能十分合適，但因為其僅僅得到一個抗滲標號，對于科學研究來講，數據缺乏直接性的對比。

另一種方法為滲透深度法，即將3個高度為150mm圓臺型試件安裝在混凝土滲透儀上，在1.2MPa的恒定水壓力下放置24h，然后取下放置24h后再將試件用壓力試驗機劈裂開試件，劈裂面上水上升的高度即為滲透高度，將3個試件取平均值得到平均滲透高度。并通過公式(1)得到相對滲透系數，其可以作為混凝土抗滲性能的評價指標。

式中K-滲透系數法測量的滲透系數；

d-平均滲透高度（cm）；

v-混凝土的孔隙率；

t-恒定壓力試件（s）；

H-水頭高度（cm）。

采用此方法得到的滲透高度及相對滲透系數數據比較直觀，便于直接對比和分析研究。因此本文采用此方法進行碳纖維混凝土的抗滲性能研究。

2 抗滲試驗方案

2.1 碳纖維混凝土抗滲試驗采用方法

根據試驗的目的，該試驗采用以上所說的滲透深度法，分別對素混凝土和0.8%碳纖維摻量的碳纖維混凝土進行抗滲試驗，分別得出兩組試件的滲透高度及相對滲透系數。

2.2 試件制作

試件的尺寸為175mm×185mm×150mm的圓臺型，即試件上圓面直徑為175mm，下圓面直徑為185mm，試件高度為150mm。每組分別制作3個試件，共計6個試件。

基準混凝土強度選為C25，水泥為42.5R普通硅酸鹽水泥，砂為天然細河沙，石子為碎石，最大粒徑不超過10mm，減水劑為萘系減水劑。碳纖維使用威海拓展纖維有限公司生產的長度為25mm的CCF300-12K碳纖維，其性能指標見表1。

表1 碳纖維性能指標

配制基準混凝土試件強度為C25，試驗配合比為水泥∶水∶砂∶石子=1∶0.55∶1.92∶3.27。素混凝土中減水劑質量為水泥質量的0.5%，碳纖維混凝土中減水劑質量為水泥質量的2.5%。采用外摻法摻入碳纖維，即保持基準混凝土的配合比各材料用量不變，碳纖維按體積率摻量控制摻入其中。

2.3 試驗設備

試驗采用混凝土滲透儀，允許最大工作壓力4MPa/cm2，工作方式為自動調壓，一次可安放6個試件；試件模具幾何尺寸為175mm×185mm× 150mm；電動機功率為90W，轉速1390r/min。

2.4 試驗過程

（1）將養護28d的試件從養護室取出，因為試件表面潮濕時密封材料會粘不住，因此要晾曬一天確保其表面干燥。

（2）用刷子將試件的側面均勻地涂一層融化了的石蠟和松香混合物，涂之前可以先將試件側面在融化的石蠟和松香上滾一圈，再用刷子涂刷均勻，這樣做可以使密封效果更好。融化了的石蠟和松香混合物拿出烘箱后很容易受冷凝固，因此在涂刷的過程中速度要快。

用壓力試驗機將試件經烘箱預熱過（40～50℃）的套模中，冷卻5min后解除壓力。

（3）將套模安裝在混凝土滲透儀上，要確保底座與套模之間螺絲擰緊以防試驗過程中漏水漏氣影響試驗結果。

（4）將水壓力設定為1.2MPa，恒定水壓力24h。試驗過程中要隨時觀察試件端面滲水情況，若水從兩側滲出說明密封性不好，應取下試件重新安裝。

（5）加壓24h后將套模取下，放置24h后用壓力試驗機沿兩端面中部劈開試件，通過劈裂面測量水滲透液面高度。若水液面已滲透整個試件，則按照規范規定取其滲透高度為150mm。

圖1 混凝土滲透儀

3 試驗結果分析

在試驗進行到20h左右時，3個素混凝土試件端面均已經有水滲出，這說明水已經滲透穿整個混凝土試件。根據規范規定取素混凝土的滲透高度為150mm。各試件的滲透高度見表2。

表2 各混凝土試件滲透高度值

圖2 素混凝土滲透表面

圖3 0.8%摻量碳纖維混凝土滲透表面

由試驗結果可以看出，碳纖維混凝土的抗滲效果明顯好于素混凝土，0.8%摻量的碳纖維混凝土滲透高度較素混凝土下降至少66%。根據公式（1）計算混凝土的相對滲透系數，其中混凝土孔隙率保守估算為8%。則素混凝土的相對滲透系數Ko為8.68×10-9cm/s，0.8%摻量碳纖維混凝土的滲透系數K1為1.08×10-9cm/s。

分析原因認為：碳纖維作為一種高強高彈性模量材料均勻加入混凝土內，一方面填補了內部空隙，使混凝土內部結構更加致密。另一方面碳纖維與水泥砂漿及集料緊密包裹在一起，起到了很多微細鋼筋的作用。無論是在混凝土養護初期和后期，混凝土由收縮引起的拉應力由碳纖維承受，減小了混凝土承受的拉應力，使混凝土由拉應力產生的微裂縫減少，并阻滯了內部微裂縫的開展和貫通，阻礙了水分的流通線路，以此增強混凝土了的抗滲性能。

4 結語

碳纖維加入混凝土后使混凝土內部結構變得更加致密，并承擔了由于干縮作用引起的拉應力，阻滯了內部微裂縫的開展和貫通。根據試驗數據計算得到素混凝土的相對滲透系數Ko為8.68×10-9cm/s，0.8%摻量碳纖維混凝土的滲透系數K1為1.08×10-9cm/s，加入碳纖維明顯改善了混凝土的抗滲性能。

[1]任彥華，程赫明，何天淳，等.碳纖維混凝土的力學性能試驗研究[J].云南農業大學學報，2010(5).

[2]閆忠明.碳纖維混凝土抗滲性及導電特性研究[D].濟南：山東大學，2010.

責任編輯：孫蘇

Impermeability Test Study on Reinforced Concrete of Carbon Fiber

該文利用滲透高度法對素混凝土和碳纖維體積率摻量為0.8%的碳纖維混凝土進行滲透試驗，得出各混凝土的滲透高度并計算相對滲透系數。理論分析碳纖維的加入對混凝土抗滲性能的影響。

碳纖維；混凝土；抗滲試驗

Permeability height method is applied to test the plain concrete and carbon fiber concrete with volume rate dosage of 0.8%and gets the permeability height and relative permeability coefficient of each concrete.Impacts of the carbon fiber on concrete permeability performance are theoretically analyzed.

Carbon fiber;concrete;impermeability test

TU502

：A

：1671-9107（2013）01-0056-02

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.01.056

2010-10-29

于良（1988-），男，山東德州人，在讀碩士研究生，工程師，主要從事碳纖維混凝土力學性能及耐久性能研究。