碳纖維摻量及長度對混凝土力學性能的影響

黨軍亮，牛建剛，唐好令，董自強，張玉玲

(山東中程試驗檢測有限公司，山東 濟南 250100)

混凝土是目前基礎建設領域中應用最為廣泛的材料之一，提高混凝土的力學性能是當前土木領域的研究重點。張學元[1]分析了再生骨料混凝土的力學性能，當再生骨料的置換率不超過50%時，再生骨料混凝土的抗壓強度隨著再生骨料置換率的增大呈現出增大的趨勢，當置換率超出50%后，抗壓強度逐漸降低。祝和意等[2]研究了聚乙烯醇(PVA)纖維體積率對水泥基復合材料(PVA-ECC)性能的影響，PVA纖維體積率對提高PVA-ECC抗壓強度的作用不明顯，體積率在1.6%～2%時PVA-ECC破壞后的整體性較好，但過量的PVA纖維摻入會降低PVA-ECC的抗壓強度。楊陽等[3]制備了高性能防水性混凝土，相對于萘系、聚羧酸兩種常用類型的減水劑，DHZ-I混凝土復合液與礦物摻合料復摻使用能極大地改善混凝土的防水抗滲性能，抗滲等級可達P30以上。郭文健等[4]研究了橡膠粉體積摻量和應變率對高性能橡膠粉混凝土性能的影響，發現高性能橡膠粉混凝土峰值應力和割線模量表現出一定的應變率強化效應，而橡膠粉的摻入會降低峰值應力和割線模量提升的幅度。

上述研究是采用不同摻合料來提高混凝土的性能，但目前纖維材料因性價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混凝土力學性能和耐久性能的影響，結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]對聚丙烯纖維混凝土的基本性能進行研究，發現聚丙烯纖維在混凝土中所形成的亂向支撐體系產生一種有效的二級加強效果，能較大幅度提高混凝土的抗裂性能。戴建國等[7]研究不同含量的聚丙烯纖維對混凝土收縮性能的影響，結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度等變化規律，結果表明低摻量聚丙烯纖維會略微降低混凝土的抗壓強度和抗剪強度。盧安琪等[9]研究發現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異的活性和化學穩定性且價比高，在混凝土改性中得到了廣泛應用[10-12]。許多研究人員開展了碳纖維摻量對混凝土性能的影響試驗，但碳纖維的長度對混凝土內部結構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度作為變量，研究混凝土的抗壓強度、劈拉強度和抗拉強度隨纖維摻量和纖維長度的變化規律。

1 實驗

1.1 主要原料

硅酸鹽水泥：二氧化硅(SiO2)質量分數22.19%、氧化鈣(CaO)質量分數58.31%、三氧化二鋁(Al2O3)質量分數5.33%、氧化鎂(MgO)質量分數3.98%、三氧化二鐵(Fe2O3)質量分數5.31%、三氧化硫(SO3)質量分數4.88%，初凝105 min，終凝155 min，28 d抗壓強度為51.2 MPa，28 d抗折強度為8.6 MPa，廣東英德龍山水泥廠生產；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；石灰石粉：含水率0.4%，燒失量5.1%，活性91%，河北鋼鐵集團宣鋼公司生產；沸石粉：含水率1.8%，燒失量3.2%，活性94%，濰坊聰順膨潤土有限公司生產；碳纖維：密度0.94 g/cm3，抗拉強度3 400 MPa，彈性模量114 GPa，斷裂伸長率3.5%，杭州翔盛高強纖維材料股份有限公司提供。

1.2 主要設備及儀器

HS85623型多功能攪拌機：滄州恒勝偉業公路儀器有限公司制；YES普通混凝土力學性能試驗機：美特斯工業系統(中國)有限公司制。

1.3 碳纖維混凝土的制備

在常溫下，使用攪拌機將水泥、細骨料(砂子)、粗骨料(石子)、水和碳纖維等進行混合攪拌，其中水泥：砂子：石子：水的質量比為 1.00:0.39:1.29:2.88，并摻入不同長度(10，15，20 mm)及不同含量(質量分數0～0.6%)的碳纖維。隨后放入振動臺上進行振動，使得成型的混凝土內部材料均勻且密實。標準養護28 d后，測試混凝土的力學性能。

1.4 力學性能測試

根據GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》，將養護成型的碳纖維混凝土放置在力學性能試驗機，開始逐級加壓力/加拉力，測試碳纖維混凝土的抗壓強度、劈拉強度和抗拉強度，取每組3塊試件測試結果的平均值。

2 結果與討論

2.1 抗壓強度

在混凝土中摻入3種不同長度(10，15，20 mm)及不同含量的碳纖維，測試養護28 d后碳纖維混凝土的抗壓強度，并研究其變化規律。從圖1可以看出：摻入3種不同長度的碳纖維，隨著碳纖維摻量的增加，混凝土的抗壓強度先增加而后降低，在碳纖維質量分數為0.2%時抗壓強度均達到最大值，當摻入長度為10 mm的碳纖維時混凝土抗壓強度最大值為79.3 MPa，摻入長度為15 mm的碳纖維時混凝土抗壓強度最大值為82.4 MPa，摻入長度為20 mm碳纖維時混凝土抗壓強度最大值為78.4 MPa；當摻入碳纖維質量分數超過0.2%時，混凝土的抗壓強度迅速下降，摻入碳纖維質量分數達0.6%時混凝土的抗壓強度比未摻入碳纖維的混凝土的抗壓強度(76.1 MPa)還要小，如摻入碳纖維質量分數為0.6%、長度分別為10，15，20 mm的碳纖維時，混凝土抗壓強度分別為74.6，75.2，73.3 MPa。這是因為碳纖維能夠填充混凝土之間的空隙，使得混凝土更加密實，但碳纖維摻量的增加會導致水泥成分比例下降，從而使得復合混凝土總體強度下降[15]。

圖1 碳纖維長度及摻量對混凝土抗壓強度的影響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，摻入不同長度的碳纖維，隨纖維長度的增加，混凝土的抗壓強度也出現先增加而后降低的趨勢，當纖維長度為15 mm時混凝土的抗壓強度最大。這是因為纖維長度會導致混凝土在攪拌過程中的均勻性，即在單位體積中所含纖維數量最多，使得混凝土內部黏結力增大，混凝土更加密實[16]。

2.2 劈拉強度

在混凝土中摻入3種不同長度(10，15，20 mm)及不同含量的碳纖維，測試養護28 d后碳纖維混凝土的劈拉強度，并研究其變化規律。從圖2可以看出：摻入3種不同長度的碳纖維，隨著碳纖維摻量的增加，混凝土的劈拉強度先增加而后降低，在碳纖維質量分數為0.2%時混凝土的劈拉強度均達到最大值，當摻入長度為10 mm的碳纖維時混凝土劈拉強度最大值為6.9 MPa，摻入長度為15 mm的碳纖維時混凝土劈拉強度最大值為7.1 MPa，摻入長度為20 mm的碳纖維時混凝土劈拉強度最大值為6.8 MPa；但當碳纖維摻量過大時，混凝土的抗壓強度迅速下降，甚至比未摻入纖維時混凝土的劈拉強度(6.4 MPa)還要小，如當摻入長度為10 mm、質量分數為0.6%的碳纖維時混凝土劈拉強度為6.2 MPa，摻入長度為15 mm、質量分數為0.6%的碳纖維時混凝土劈拉強度為6.5 MPa，摻入長度為20 mm、質量分數為0.6%的碳纖維時混凝土劈拉強度為6.4 MPa。這是因為碳纖維能夠填充混凝土之間的空隙，使得混凝土更加密實，但摻量過多會導致水泥成分比例下降，從而使得復合混凝土劈拉強度總體下降。

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

另外，當碳纖維摻量一定時，摻入不同長度的碳纖維，隨纖維長度的增加，混凝土的劈拉強度也出現先增加而后降低的趨勢，當纖維長度為15 mm時混凝土劈拉強度最大。這是因為纖維長度過長會使得水泥內部孔隙率變大，使得負載能力下降，劈拉強度降低。

2.3 抗拉強度

在混凝土中摻入3種不同長度(10，15，20 mm)及不同含量的碳纖維，測試養護28 d后碳纖維混凝土的抗拉強度，并研究其變化規律。從圖3可以看出：摻入3種不同長度的碳纖維，隨著碳纖維摻量的增加，混凝土的抗拉強度先增加而后降低，在碳纖維質量分數為0.2%時抗拉強度均達到最大值，纖維長度為10，15，20 mm時混凝土抗拉強度分別為11.3，11.7，10.4 MPa；但摻入碳纖維過多時，混凝土的抗壓強度迅速下降，甚至小于未摻入碳纖維時混凝土抗拉強度(10.4 MPa)，如摻入長度10 mm、質量分數0.6%的碳纖維時混凝土抗拉強度為10.3 MPa，摻入長度為15 mm、質量分數0.6%的碳纖維時混凝土抗拉強度為10.5 MPa，摻入長度為20 mm、質量分數為0.6%的碳纖維時混凝土抗拉強度為9.8 MPa。這是因為碳纖維能夠填充混凝土之間的空隙，使得混凝土更加密實，但摻量的增加會導致水泥比例下降，從而使得復合混凝土強度總體下降。

圖3 碳纖維長度及摻量對混凝土抗拉強度的影響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，摻入不同長度的碳纖維，隨碳纖維長度的增加，混凝土的抗拉強度也出現先增加而后降低的趨勢，當碳纖維長度為15 mm時混凝土抗拉強度最大。這是因為過長的纖維會使得混凝土在攪拌過程中出現分散不均勻等情況，使得混凝土強度不能足夠發展，抗拉強度降低。

3 結論

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

b.摻入3種不同長度的碳纖維，纖維質量分數為0.2%時混凝土的抗壓強度、劈拉強度和抗拉強度均為最大。

c.當碳纖維摻量一定時，摻入纖維長度為15 mm的混凝土的抗壓強度、劈拉強度和抗拉強度均為最大。

d.當摻入碳纖維質量分數為0.2%且長度為15 mm時，混凝土的力學性能最佳。