碳纖維短切絲對水泥混凝土梁性能的改善試驗研究

雷小磊，黃國棟，崔玉龍

(安徽理工大學 土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

隨著建筑結構逐漸復雜化，結構跨度的不斷增大，使用環境的不斷改變，混凝土材料自身脆性大、易開裂與抗折強度不足的缺點限制了其在新型建筑環境中的使用.因此，在混凝土材料的應用研究中，如何進一步改善其抗裂與抗折性能的不足，以適應更加復雜的建筑結構形式與使用環境條件，確保建筑結構的安全性與穩定性，就顯得尤為重要.

目前，雖然國內外學者對增強混凝土材料的抗裂與抗折性能進行了深入研究，取得了一定的進展，但仍存在一系列問題.例如，尚建麗等[1]采用鋼纖維增強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，但鋼纖維具有價格高，易腐蝕的特點，而且腐蝕后的鋼纖維體積增大，反而進一步加速了混凝土中裂縫的形成與擴展.吳江等[2]采用短切玄武巖纖維增強混凝土的力學性能，研究表明，將短切玄武巖纖維摻入混凝土中可以明顯改善混凝土材料的抗裂性能，適當提高混凝土抗折性能，然而，短切玄武巖纖維表面光滑，導致短切玄武巖纖維無法與混凝土之間形成足夠的粘結力，從而阻礙了玄武巖纖維增強作用的發揮.可以看出，雖然各類纖維在改善混凝土力學性能方面都發揮了一定的作用，但是也存在各自的缺陷.

碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量的新型纖維材料，具有“外柔內剛”、粘結強度和模量高、密度低、無蠕變、耐疲勞與耐腐蝕的特點[3].隨著碳纖維復合材料的研發，將碳纖維復合材料應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[4-6].本試驗通過摻入碳纖維短切絲的方法改善混凝土梁的抗裂與抗折性能，著重分析了碳纖維短切絲的長度、摻量對混凝土梁抗折性能的改善作用，以及最佳改善的條件.

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 碳纖維短切絲

本試驗采用的碳纖維短切絲由河北滄州中麗新材料科技有限公司生產，其性能參數見表1.

表1 碳纖維短切絲力學性能測試結果

試驗采用3 種不同長度(長度分別為3，6 和9 mm)和4 種不同摻量(摻量分別為0.5%，1%，1.5%和2%)的碳纖維短切絲，制作混凝土梁試件，并以此檢驗不同長度與不同摻量的碳纖維短切絲對混凝土梁抗折能力的改善效果.

1.1.2 混凝土材料

本試驗采用安徽舜岳水泥有限責任公司所生產的P·O 42.5 普通硅酸鹽水泥，其性能符合《通用硅酸鹽水泥》[7](GB175-2007)的標準；細骨料為中粗河砂，細度模數為2.7；粗骨料為碎石，飽和面干狀態，連續級配，粒徑范圍為5～20 mm；試驗用水為普通自來水.

1.2 試驗方法

1.2.1 混凝土配合比

混凝土配合比如表2 所示.

表2 混凝土配合比

表2 中，A-1 組為素混凝土，未加入碳纖維短切絲，為對照組；B-1 至B-4 組、C-1 至C-4 組與D-1 至D-4 組分別為摻入不同長度和不同摻量碳纖維短切絲的混凝土梁試件.以此試件來研究碳纖維短切絲的長度與摻量對混凝土梁抗折性能的增強作用，并對碳纖維短切絲的作用機理進行深入分析[8-9].

1.2.2 混凝土梁試件的制備與養護

試驗參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[10](GB/T50081-2019)制備并養護混凝土梁試件，其中混凝土梁的尺寸為150 mm×150 mm×550 mm，其配合比如表2 所示.混凝土的制備方法以D-2 組為例，首先，處理碳纖維短切絲(長度為9 mm，摻量為1%)，為了使短切絲亂向分布，需要將其放入塑料透明袋中快速摩擦1～2 min，并使其在靜電作用下彼此分離；然后，參照表2 配合比將水泥與碳纖維短切絲加入混凝土攪拌機并快速攪拌30 s，加入河砂并快速攪拌30 s，加入碎石與水先慢攪30 s 再快速攪拌60 s；最后，澆筑混凝土試件并振搗密實.試件制備完成后立即放入養護室，養護24 h 進行拆模，待試件養護至試驗設計的7，14，28 和60 d 齡期時進行抗折性能試驗.養護室的溫度保持在20±2 ℃，相對濕度保持在95%以上.

1.2.3 混凝土梁抗折性能試驗

試驗參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》[10](GB/T50081-2019)方法，采用WAW-1000型微機控制電液伺服萬能試驗機對混凝土梁進行加載，加載速度0.05～0.08 MPa/s，加載方式采用三分點加荷，分別測試7，14，28 和60 d 混凝土梁抗折強度，精度為0.01 MPa，測試結果取3 個試件的平均值.

2 試驗結果與分析

2.1 短切絲長度對混凝土梁的增強效果

碳纖維短切絲的長度對混凝土梁抗折性能的增強效果如圖1 所示.從圖1(a)可以看出，當摻入的碳纖維短切絲摻量為0.5%時，試件C-1 養護7 d 的抗折強度達到2.91 MPa，比試件B-1 與D-1分別提高了9.4%與8.2%；試件C-1 養護14 和28 d 的抗折強度分別達到4.59 和5.41 MPa，比試件B-1 分別提高了5.0%和降低了0.7%，提升效果不明顯.這是因為碳纖維短切絲只能通過延緩混凝土微裂縫的形成與擴展來提高混凝土梁的抗折強度.當摻入的碳纖維短切絲長度為3 mm 時，由于碳纖維短切絲與混凝土的粘結長度不足，導致絕大多數的碳纖維短切絲以拔出形式破壞，無法充分發揮碳纖維短切絲的抗拉性能，所以混凝土試件的抗拉強度沒有明顯提高.

圖1 碳纖維短切絲長度對混凝土梁抗折性能增強效果

隨著碳纖維短切絲長度的不斷加大，增強效果得到不斷改善.從圖1(b)可以看出，當碳纖維短切絲的長度達到6 mm，摻量為1%時，試件C-2養護7，14 和28 d 的抗折強度分別達到3.42，5.17與5.93 MPa，比試件B-2 分別提高了8.9%，2.2%與6.1%；比試件D-2 分別提高了6.5%，0.8%與4.4%，均有一定提升效果.當混凝土梁承受的荷載不斷提升時，碳纖維短切絲可以有效阻礙混凝土中微裂縫的形成并進一步緩解裂縫的擴展，從而提升混凝土材料的抗折強度.隨著碳纖維短切絲長度的增長，短切絲與混凝土的粘結面積不斷加大，粘結強度也不斷提高，可確保碳纖維短切絲在承受荷載時均發生拉斷破壞，從而充分發揮出碳纖維短切絲的抗拉性能.由此可知，加大碳纖維短切絲的長度可顯著提高試件抗折強度.

當碳纖維短切絲的長度超過6 mm 時，隨著碳纖維短切絲長度的進一步加大，增強效果并沒有得到進一步改善.當碳纖維短切絲的長度達到9 mm 時，試件D-2 養護7，14 和28 d 的抗折強度達到3.21，5.13 和5.68 MPa，比試件C-2 分別降低了6.1%，0.8%與4.2%.這是因為當碳纖維短切絲的長度達到6 mm 時，短切絲與混凝土之間的粘結強度已經能夠確保碳纖維在承受荷載時不會發生撥出破壞，即已經發揮出碳纖維短切絲的抗拉性能.因此，即使繼續提高碳纖維短切絲的長度，也僅能夠繼續提高碳纖維短切絲與混凝土之間的粘結強度，無法繼續提高碳纖維短切絲的抗拉強度.所以，繼續增加碳纖維短切絲的長度也無法繼續提高試件的抗折強度.

2.2 碳纖維短切絲摻量對混凝土梁抗折性能的增強效果

碳纖維短切絲的摻量對其增強混凝土梁的抗折性能具有較大影響，本試驗通過改變碳纖維短切絲的摻量繼續提升碳纖維短切絲的增強效果.碳纖維短切絲摻量對混凝土梁抗折性能的增強效果見圖2.從圖2(a)可看出，當3 mm 碳纖維短切絲的摻量為0.5%時，試件B-1 養護7 d 的抗折強度為2.66 MPa，比試件B-3 降低了6.7%，比試件B-2 降低了15.3%；從圖2(b)可看出，試件C-1養護14 d 的抗折強度為4.59 MPa，比試件C-2 降低了11.2%，比試件C-3 降低了7.5%.由此可知，降低碳纖維短切絲的摻量，會使試件的抗折強度下降.因此，有必要進一步提高碳纖維短切絲的摻量以達到最優的增強效果.

圖2 碳纖維短切絲摻量對混凝土梁抗折性能增強效果

隨著碳纖維短切絲摻量的增加，混凝土的抗折強度不斷提升.當6 mm 碳纖維短切絲的摻量上升到1.0%時，試件C-2 養護14 d 的抗折強度增長到5.17 MPa，比試件C-1 提高了12.6%；試件C-3 養護14 d 的抗折強度為4.96 MPa，比試件C-1 提高了8.06%.由此可知，繼續提高碳纖維短切絲的摻量可繼續提高混凝土的抗折強度.這是由于增加碳纖維短切絲摻量可以顯著提高混凝土單位面積內碳纖維短切絲條數，充分發揮碳纖維短切絲的抗拉作用，明顯提高單位面積內混凝土的抗拉能力，從而顯著提高試件的抗折強度.隨著碳纖維短切絲摻量的繼續提升，混凝土的抗折強度雖不斷增長，但其增長幅度卻有所降低.當6 mm 碳纖維短切絲的摻量上升到1.5%時，試件C-3 養護28 d 的抗折強度增長到5.78 MPa，比試件C-2 的5.93 MPa 降低了2.5%.可以看出，雖然試件C-3 的碳纖維短切絲摻量比試件C-2 提高了0.5%，但抗折強度呈現了一定幅度的下降，這說明依靠提高碳纖維短切絲摻量來提高混凝土梁抗折強度的作用已經不太明顯.當碳纖維短切絲的摻量上升到2%時，試件B-4，C-4 和D-4 的抗折強度增幅下降更明顯.這進一步表明，雖繼續提高碳纖維短切絲摻量仍能緩慢提高混凝土梁的抗折強度，但考慮碳纖維短切絲的成本，則摻入1%的6 mm碳纖維短切絲的效果已達到最佳.

3 結論

碳纖維短切絲的摻入可以提升混凝土梁的抗折性能.隨著碳纖維短切絲長度的增長，提升幅度逐漸增大，當碳纖維短切絲的長度達到6 mm時提升效果最佳；當碳纖維短切絲的長度大于6 mm 時，即使繼續增大碳纖維短切絲的長度，也無法繼續顯著提升混凝土梁的抗折強度.加大碳纖維短切絲的摻量亦可提高混凝土梁抗折性能.隨著碳纖維短切絲摻量的不斷加大，提升幅度逐漸增大，當碳纖維短切絲的摻量達到1%時，提升效果最佳.