淺談碳纖維混凝土的基本特性及研究進展

孫玉軍，吳本清，李俊飛

（青島高新區工程質量檢測有限公司，山東 青島 266111）

0 引 言

碳纖維混凝土就是將短切碳纖維均勻的加入到普通混凝土中而制成的纖維增強水泥基復合材料。與普通混凝土相比,作為一種土木工程界新型的功能材料，它不僅具有抗拉強度高、極限抗拉應變大等良好力學性能,而且還具有溫度和壓力的自感知以及電磁屏蔽等機敏特性,并且其與混凝土結構相容性好，因此在大壩、橋梁、道路、原子能發電站、海洋結構物等大型復雜土木工程結構中的健康監測以及電子設備的電磁屏蔽等領域均具有廣泛的應用前景[1]。

1 碳纖維混凝土的主要力學性能

表1為幾種碳纖維的基本性能。由表1可見,碳纖維具有高抗拉模量和抗拉強度，因此，它的加入不僅可以提高混凝土的抗裂性、抗滲性，減少收縮變形，而且混凝土的力學性能亦得到明顯改善，因此混凝土結構的抗疲勞特性以及抗震性均有所提高。

碳纖維的基本性能 表1

1.1 抗拉強度

碳纖維表面光滑，因此與水泥基體的界面粘結力較弱，但碳纖維仍能顯著提高混凝土的抗拉強度。通過試驗表明，對于不同水灰比的短切碳纖維砂漿，當碳纖維體積摻入量在4.5%以下時，纖維體積摻入率每增加1%，其抗拉強度可至少提高0.66MPa甚至高達2.14MPa，并且隨著混凝土中碳纖維含量的逐步提高，其增強效果也相應提高。當碳纖維體積摻入量達到5%時，碳纖維體積摻入量與混凝土的抗拉強度幾乎接近于線性變化趨勢[2]。一般來說，碳纖維增強混凝土的抗拉強度比不含碳纖維的普通水泥混凝土的抗拉強度高3倍左右。

碳纖維混凝土不僅具有較高的抗拉強度，而且其極限拉應力也得到較大增強，且在一定范圍內隨體積摻入量的增加而增加。試驗表明，在摻入某些外加劑的作用下，對于碳纖維體積摻入量為3%的碳纖維砂漿，其極限抗拉應變可以達到其純料漿的20～40倍[3]。較高的極限拉應力使混凝土結構的抗震性能得到了顯著提高。

1.2 抗壓強度和抗彎強度

試驗表明，碳纖維砂漿的抗壓強度隨碳纖維體積摻入量的增加而降低，分析原因是由于在攪拌纖維的過程中帶入了一定的氣泡造成的。這種強度的下降可以通過加入適當的超細物料、外加劑和改善攪拌工藝等措施而得到一定的補償。

隨著纖維摻入百分率的增加，其抗彎強度也大致呈線性增加的趨勢。試驗表明，與素混凝土相比碳纖維混凝土的壓縮韌度指數可提高60%～100%，并且隨著纖維摻量的增加而增加。

2 碳纖維混凝土的壓敏性能及溫敏性能

2.1 碳纖維混凝土單次加載下的壓敏性能

圖1 碳纖維混凝土單次加載下的壓敏特性

圖1 為碳纖維混凝土在逐漸加壓直至破壞的全過程中電阻率的典型變化曲線。由圖可見，電阻率與壓應力之間的關系可分為以下三個階段:①AB段，壓應力較小，電阻率隨壓應力的增加而減小;②BC段,此時壓應力大約處在其強度的30%～40%，電阻率變化趨勢平緩;③CD段，壓應力處在其強度的40%以上，電阻率出現急速上升階段。大量試驗表明,碳纖維混凝土的電阻率在逐漸加壓直至破壞的全過程中的變化形式基本相同，僅在數值上有微小差異。當碳纖維摻量大、電阻率較低時，AB段的變化幅值相對比較大，且變化比較穩定，而當碳纖維摻量小、電阻率較高時,AB段的變化幅值相對較小。

電阻率呈現如圖1所示的變化規律，分析原因為:碳纖維混凝土是由導電性不良的水泥基體中均勻分散著導電性良好的碳纖維而形成的復合材料。在壓應力的作用下,纖維間的水泥基材間隔變薄,纖維間的絕緣勢壘相應減小,因此混凝土的電阻率顯著降低;當壓應力達到一定程度后,水泥基材間隔變薄造成電阻率下降，同時產生破壞裂紋和纖維斷裂，從而造成電阻率的增加,當電阻率的升與降達到動態平衡時,數值保持相對穩定；如果壓應力繼續增加,混凝土內部產生大量的裂紋而趨于破壞,此時電阻率將因此而迅速升高。

2.2 纖維混凝土循環加載下的壓敏性能

壓應力與電阻率的變化率之間有很好的對應關系,在循環荷載作用下,電阻率隨壓應力的增大而減小，反之亦然。在初始幾次,當卸荷為零時,由于纖維與砂漿的界面出現了微小的損傷,電阻率的變化率并不為零,隨著循環次數的增加,電阻率變化率最大和最小值均相應減小,當達到150次以后逐步達趨于穩定[4]。

3 碳纖維混凝土的抗裂及抗滲性能

3.1 抗裂能力

經過特殊的生產工藝進行表面處理后的纖維，與水泥基料有極強的粘結力。通過對幾種主要的混凝土增強塑料纖維絲進行研究，發現與其它幾種纖維比較，此纖維可握裹更多的集料，因此與水泥基體有更強的結合力，在混凝土中的抗裂能力更為顯著。由于纖維可以迅速而輕易地與混凝土材料混合，分布極其均勻、徹底，能在混凝土（砂漿）內部構成一種均勻的亂向支撐體系，從而產生一種極其有效的加強效果。

在混凝土（砂漿）中加入纖維，是控制混凝土塑性收縮、干縮等非結構性裂縫的有效手段；同時，還可以有效阻礙骨料的離析，保證混凝土早期均勻的沁水性，從而阻礙了沉降裂紋的形成。

但是，纖維是一種低碳橫纖維，摻量少，對混凝土的抗壓強度、抗折強度的提高幾乎沒有影響，因此不能作為結構性增強材料使用。

3.2 抗滲防水性能

纖維能大大增強混凝土或砂漿防水抗滲的能力。纖維可以有效地抑制混凝土早期干縮微裂及離析裂紋的產生和發展，減少混凝土的收縮裂縫，尤其能有效抑制連通裂縫的產生，降低混凝土表面的析水與集料的離析，可以極大地提高抗滲能力。因此，纖維在剛性自防水材料抗滲裂領域有顯著效果。

3.3 抗沖擊及抗震能力

混凝土中加入纖維凝固后，握裹水泥的高強纖維絲相粘連成為致密的、亂向分布的網狀增強系統，有利于防止并控制微裂的產生和發展，增強混凝土的韌性。極大地保持了混凝土的整體強度，混凝土受沖擊時纖維能吸收大量能量，從而有效減少集中應力的作用，阻礙混凝土裂縫的迅速擴展，增強混凝土的抗沖擊及抗震能力[5]。這一特性對于受到沖擊疲勞作用的一些混凝土結構（如道路、人行道、停車場、停機場等）是非常有用的。

4 結 論

碳纖維主要通過物理力學作用改善混凝土內部結構，進而改善和提高混凝土的性能，但不會改變混凝土中各種材料的化學性能，因此不會影響到混凝土的耐久性。但相對于碳纖維混凝土在工程實踐中的廣泛應用，其各項性能仍需進一步深入研究。

①碳纖維混凝土電阻率的穩定性還有待解決。特別是由于碳纖維直徑細小、表面憎水所造成的無法較好均勻分散而導致的混凝土電阻率波動的問題,因此此類材料在工程應用中存有很大程度的局限性。

②在混凝土中加入碳纖維對提高混凝土的抗壓強度和抗彎強度影響甚微，但對提高混凝土的抗裂能力、抗滲防水性能以及抗沖擊、抗震能力有顯著的效果，該優良特性在實際工程中得到了廣泛的應用。

[1]梁福康.碳纖維混凝土[J].建筑技術，2001(1).

[2]申豫斌,謝慧才.碳纖維水泥砂漿的配制及力學性能測試[J].混凝土，2001（7）.

[3]鄧宗才.高性能合成纖維混凝土[M].北京:科學出版社，2003.

[4]韋文兵,謝慧才,張巍.不同摻料的碳纖維水泥砂漿的壓敏性研究[J].混凝土與水泥制品,2002（6）.

[5]張永存,李青寧.混凝土裂縫分析及其防治措施研究[J].混凝土,2010(12).