碳纖維混凝土配合比設計方法研究

王曉飛，王鵬飛，鄭奇吾，任 舟，趙笑男（.南陽師范學院土木建筑工程學院，河南 南陽 47306；.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 70055）

碳纖維混凝土因具有良好的力學性能、壓敏性、溫敏性等被廣泛應用于土木工程中。實際上，其在應用與研究中仍然面臨著最基本的問題，即碳纖維混凝土的配合比的設計方法。如今，行業內尚無相應的配合比設計規范或是統一的被認可的配合比設計方法。通過大量的試驗研究發現，若保持其他材料不變，則隨著碳纖維的增加，單方混凝土的水泥漿減少；而保持水灰比不變，增加水泥漿，則會增加單方混凝土的水泥量。若隨著碳纖維摻量的增加而增大砂率或者將碳纖維計入粗集料，雖然能夠保證混凝土的和易性，但砂率過大，使碳纖維混凝土強度降低。為了碳纖維混凝土的進一步合理應用，本文提出了一種適用于碳纖維混凝土的配合比設計方法。

1 碳纖維混凝土配合比設計原則

大量研究表明，隨著碳纖維摻量的增加，混凝土的抗壓、抗拉強度先增加后降低，針對不同的力學性能，碳纖維具有相應的最優摻量。在其他組分摻量不變的情況下，摻入碳纖維將導致混凝土和易性變差。因此，為保證碳纖維混凝土強度，碳纖維摻量的最大值需要控制；為獲得具有良好和易性的碳纖維混凝土，需要考慮調整用水量。

碳纖維混凝土配合比設計的原則如下所示。① 為了保證碳纖維混凝土的強度，除了控制碳纖維的最大摻量，還需控制水膠比，即保持水膠比不變，應隨碳纖維摻量的增加而增加水泥漿。② 參考礦物摻合料取代水泥的方法，將碳纖維作為細集料計入砂率，同時保持與原基準配比中砂率相同，相應減少細集料。此外，由于碳纖維長徑比和比表面積與細集料長徑比和比表面積相比均較大，因此碳纖維等量取代細集料后，混凝土的流動性將降低。同時，通過控制碳纖維的摻量及水膠比來保證碳纖維混凝土的強度，通過水泥漿的增加而提高的流動性可以補償由碳纖維等量取代細集料造成的流動性降低。

2 碳纖維混凝土配合比設計步驟

按照碳纖維混凝土配合比設計原則對普通混凝土配合設計步驟中用水量、水泥用量及砂、石用量的計算方法進行改造，并控制碳纖維用量。CFRC 配合比設計步驟如下所示。

（1）確定配制強度fcu,o。fcu,o計算公式如式（1）所示，并根據式（1）求得碳纖維混凝土的配制強度。

V—碳纖維混凝土體積，m3。

碳纖維體積摻量可以根據試驗確定，也可以參照國內外已有試驗數據確定。本文總結了國內外碳纖維混凝土抗壓強度試驗結果，其中，大部分學者認為混凝土抗壓強度隨碳纖維摻量的增加先增大后減小。混凝土中碳纖維的摻量只要不是過多，碳纖維摻量對混凝土強度的影響即可控制在一定范圍內，即控制其最大摻量，其強度即可得到保證。總結國內部分試驗數據，最優碳纖維摻量如表 1 所示。根據表 1 可知，確定碳纖維體積摻量的最大值為 0.5%。

表1 對應于抗壓強度的最優碳纖維摻量

（4）確定 1 m3 混凝土的用水量mw0(kg/m3)。當碳纖維混凝土水膠比為 0.4～0.8 時，可參考 JGJ 55—2011 中表5.2.1-1 和表 5.2.1-2 選取基準用水量mw0,1；水膠比 ＜ 0.4時，可通過試驗確定。

對碳纖維混凝土經過多次試配，確定附加用水量mw0,c的確定原則。按碳纖維每增加 0.1%，以加入水泥漿的方式相應增加用水量 2 kg。

附加用水量mw0,c(kg/m3) 的計算公式如式（4）式所示。

通過以上步驟計算得到的 1 m3 碳纖維混凝土中各材料的用量，即為計算配合比。因為此配合比是利用經驗公式或經驗資料獲得，因而按此配制的碳纖維混凝土有可能不符合實際的要求，所以需要對配合比進行試配、調整與確定。碳纖維混凝土試配、調整與確定的方法步驟與普通混凝土一致。

3 碳纖維混凝土配合比設計方法的驗證

3.1 設計案例

某種鋼筋混凝土構件采用碳纖維混凝土，強度設計等級為 C 30，用于干燥環境。所用原材料為水泥 P·O 42.5，表觀密度ρc=3 100 kg/m3；粉煤灰的摻量βf=20 %，密度ρf=2 080 kg/m3；中砂表觀密度ρso=2 650 kg/m3；碎石最大粒徑為 40 mm，表觀密度ρgo=2 700 kg/m3； 7 mm 短切碳纖維密度ρvc=1 750 kg/m3；砂率為 33 %。

短切碳纖維體積率分別取 0 %、0.24 %、0.30 %、0.40%、0.50 %。根據上述碳纖維混凝土配合比設計步驟得到 C 30 碳纖維混凝土配合比，如表 2 所示，其中 TY 1 號為基準混凝土。

表2 C 30 碳纖維混凝土計算配合比 kg

為使碳纖維更均勻地分散在混凝土漿體中，采用羥丙基甲基纖維素作為分散劑。何永佳等人[6]通過試驗發現，羥丙基甲基纖維素能顯著改善纖維的分散，按占水泥質量百分比計算，摻量在 0.2 % ～ 0.4 % 時，分散效果較好。本試驗分散劑量為水泥質量 0.003 倍。

為了消除碳纖維分散液中的氣泡，加入 622 g/m3的磷酸三丁酯作為消泡劑[7]。

3.2 碳纖維混凝土試件的制備與養護

參考岳彩蘭[4]的制備方法，即干濕拌相結合的方法制備碳纖維混凝土試件。

（1）按照表 2 中的配合比稱取水泥、石子、砂、粉煤灰，再將四者同時投入攪拌機中干拌 3 min，隨后稱取 30%的水加入攪拌機中攪拌 5 min。

（2）將剩余 70% 的水加熱到 60 ℃，稱取分散劑，并將其放入水中分散溶解，獲得分散液；向分散液中加入碳纖維，攪拌直至碳纖維完全分散。

（3）在碳纖維分散液中加入消泡劑，繼續攪拌，直至分散液表面氣泡消失為止。

（4）將碳纖維分散液倒入攪拌機中，與混凝土濕料一起攪拌 5 min，形成碳纖維混凝土拌合物.

（5）將混凝土拌合物倒入 150 mm×150 mm×150 mm立方體標準試模中，并用電動振動臺進行振搗，在標準養護室中養護 48 h 后脫模，再養護 28 d 后進行試驗。

3.3 試驗結果

對表 2 中 5 種不同配合比的碳纖維混凝土進行和易性檢驗及立方體抗壓強度試驗坍落筒提起后，所有試件對應的碳纖維混凝土拌合物錐體無稀漿從底部析出，表明碳纖維混凝土的保水性良好。在已坍落的碳纖維混凝土錐體一側輕打，錐體在輕打后漸漸下沉，表明黏聚性良好。每一配合比取 3個有效坍落度試驗結果的平均值，最終得到的混凝土拌合物坍落度結果如表 3 所示。

表3 碳纖維混凝土坍落度試驗結果

由表 3 可知，碳纖維混凝土的坍落度并未因為碳纖維體積摻量的增加而降低，不同碳纖維體積摻量的碳纖維混凝土坍落度與基準混凝土的坍落度相差不大，基本都在一個范圍之內。

采用萬能試驗機對試件進行抗壓強度試驗，試驗以 0.5 MPa/s 的速度連續而均勻地加荷。加載過程中，TY 1 試件初始裂縫的出現時間稍早于 TY 4 試件，且 TY 1 試件裂縫的發展速度也快于 TY 4 試件；對比 TY 1 試件與 TY 4 試件破壞時的狀態發現，TY 4 試件的裂縫發展較為均勻，短且比較細的裂縫較多。以上現象均說明摻入碳纖維可以起到很好的阻裂效果，摻入一定量的碳纖維可以提高混凝土的抗壓強度。

每一配合比取 3 個有效抗壓強度試驗結果的平均值。碳纖維混凝土抗壓強度試驗結果如表 4 所示。

表4 碳纖維混凝土抗壓強度試驗結果

由表 4 可知，碳纖維體積摻量在 0.5 % 以內，按照確定的配合比設計方法設計的碳纖維混凝土的抗壓強度均在 30 MPa 以上，碳纖維混凝土的強度等級可以得到保證；碳纖維體積摻量在 0.5 % 以內時，碳纖維混凝土抗壓強度先增大后降低，碳纖維最優體積摻量在 0.3 % 左右。

4 結 語

在保證強度與和易性的前提下，提出了適合碳纖維混凝土的配合比設計方法。經試驗驗證，該設計方法有效且合理。本文的具體結論如下。

（1）混凝土中摻入碳纖維將影響其抗壓強度。為了保證碳纖維混凝土的強度，在總結國內外試驗研究結論的基礎上提出碳纖維的最大體積摻量控制值。除此之外，水膠比、砂率也是影響碳纖維混凝土抗壓強度的主要因素，為了保證碳纖維混凝土的抗壓強度，水膠比根據式（2）計算且不允許調整變大，將碳纖維作為細集料計入砂率，同時保持與原基準配比中砂率相同，相應減少細集料。

（2）混凝土中若摻入碳纖維將降低其和易性。為了保證碳纖維混凝土的和易性，在保持水膠比不變的基礎上，按碳纖維每增加 0.1 %，以加入水泥漿的方式相應增加用水量2 kg。

（3）利用試驗驗證了本文所提出的碳纖維混凝土配合比設計方法的合理性及適用性。試驗發現，碳纖維體積摻量在0.5 % 以內，碳纖維混凝土的強度等級可以得到保證；碳纖維最優體積摻量大約在 0.3 % 左右。