碳纖維輕骨料混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

羅 輝

(中鐵十九局集團(tuán)第七工程有限公司，廣東 珠海 519000)

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)碳纖維體積摻量(0、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%)劃分為6組，依次命名為D(對照組，未摻碳纖維)、D-1、D-2、D-3、D-4、D-5。各組均為100 mm×100 mm×100 mm試塊，減水劑摻量取膠凝材料的0.5%，各組分別取3個平行試塊，標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù)，測定3、7、14、28 d抗壓強(qiáng)度以及28 d劈裂抗拉強(qiáng)度，匯總測定數(shù)據(jù)并展開計(jì)算，求取算術(shù)平均值作為試塊的強(qiáng)度值。此外，為掌握不同摻量下混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，安排SEM電鏡試驗(yàn)和氣孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，做綜合判斷。

2 碳纖維對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響

齡期與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如圖1所示。在齡期延長之下，抗壓強(qiáng)度增加。具體而言，抗壓強(qiáng)度的增加具有階段性變化的特征，碳纖維摻量為0.3%、0.6%時，該值較之于基準(zhǔn)組(未摻碳纖維)均有明顯的提升；摻量超過0.6%后有下降的趨勢。

圖1 齡期與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

碳纖維摻量與抗壓強(qiáng)度變化率的關(guān)系如圖2所示。在碳纖維摻量增加時抗壓強(qiáng)度變化率降低，其中以0.6%的摻量最為特殊，可視為分界點(diǎn)，低于該值時碳纖維的摻入會使抗壓強(qiáng)度提高，超過該值時則抗壓強(qiáng)度低于基準(zhǔn)組。碳纖維的摻量為0.3%時，對性能提升的促進(jìn)作用突出，抗壓強(qiáng)度大幅提高，通過與基準(zhǔn)組28 d立方體抗壓強(qiáng)度的對比分析發(fā)現(xiàn)，該指標(biāo)的增幅達(dá)到10.28%。其原因主要如下。

1)碳纖維在混凝土中呈無序分布的狀態(tài)，存在強(qiáng)烈的“空間約束”特性，隨著混凝土的逐步硬化，有效抑制粗細(xì)集料的離析，各類原材料的結(jié)合更加充分與可靠。

2)碳纖維與混凝土共同承受荷載作用，在受壓條件下混合料發(fā)生橫向變形現(xiàn)象，迫使原結(jié)構(gòu)形態(tài)改變，具有向四周膨脹的變化趨勢，該過程中碳纖維受拉，可作為傳接力的紐帶，得益于此力學(xué)作用關(guān)系，規(guī)避了新裂紋的產(chǎn)生，也抑制了舊裂紋的發(fā)展，各類裂縫可控。

3)由于粉煤灰的摻入，纖維與混凝土的界面粘結(jié)穩(wěn)定性增強(qiáng)，且水泥漿液與骨料間存在較強(qiáng)的粘結(jié)力，有利于提高混合料的整體強(qiáng)度。

圖2 碳纖維摻量與抗壓強(qiáng)度變化率的關(guān)系

碳纖維摻量超過0.6%時抗壓強(qiáng)度下降，究其原因有：①摻入的碳纖維數(shù)量較多，在混合料中的分布缺乏均勻性，局部成團(tuán)結(jié)塊，隨之產(chǎn)生新缺陷，對抗壓強(qiáng)度有削弱作用；②摻入量偏高時碳纖維的表面積加大，水泥材料的總量有限，對碳纖維的包裹不充分，破壞了水泥與碳纖維的結(jié)合狀態(tài)(粘結(jié)性能下降)；③受大量碳纖維的影響，混凝土的孔隙率增加，帶來強(qiáng)度降低的變化。

3 碳纖維對混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

不同碳纖維摻量下的28 d劈裂抗拉強(qiáng)度如圖3所示。

圖3 碳纖維輕骨料混凝土28 d劈裂抗拉強(qiáng)度

在碳纖維摻入量增加后，28 d劈裂抗拉強(qiáng)度呈階段性變化，具有先增加、后降低、再增加的特點(diǎn)。碳纖維在混凝土中的分布缺乏秩序性，位于纖維增強(qiáng)方向時摻入材料的性能優(yōu)勢得以發(fā)揮，劈裂抗拉強(qiáng)度增加；而部分碳纖維位于非增強(qiáng)方向，阻裂、抗拉效果有限，在提高劈裂抗拉強(qiáng)度方面的作用不足(此時劈裂抗拉強(qiáng)度主要取決于基體自身強(qiáng)度)。通過與抗拉強(qiáng)度變化趨勢的對比分析發(fā)現(xiàn)，劈裂抗拉強(qiáng)度的先增后減變化與之具有趨同性，原因在于前幾組試塊的碳纖維摻量少，分布具有隨機(jī)性，雖然碳纖維的優(yōu)勢得到發(fā)揮但有限，基體自身強(qiáng)度對劈裂抗拉強(qiáng)度的影響力度超過碳纖維。對于D-5組，碳纖維摻量為1.5%，劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值，碳纖維的分布方向具有隨機(jī)性，但相比于前期幾組，纖維增強(qiáng)方向的碳纖維規(guī)模有所擴(kuò)大，此時碳纖維對劈裂抗拉強(qiáng)度的影響力度增加，加之與基體的共同作用劈裂抗拉強(qiáng)度明顯提高。

劈壓比值如表1所示。總體上抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度同向增減，即隨抗壓強(qiáng)度的增加，劈裂抗拉強(qiáng)度也增加，反之則降低。但需注意的是1.5%的碳纖維摻量條件，其特殊之處在于抗壓強(qiáng)度的降低會促進(jìn)劈裂抗拉強(qiáng)度增加。從增長速率的角度來看，相比于抗拉強(qiáng)度，劈裂抗拉強(qiáng)度具有更快的增長速率，即劈壓比逐步增加。可見劈裂抗拉強(qiáng)度易受到碳纖維材料的影響，若能夠合理控制碳纖維的摻量將有效改善混凝土的脆性破壞，切實(shí)保證混凝土的力學(xué)性能[1]。

表1 碳纖維輕骨料混凝土28 d劈壓比

4 碳纖維輕骨料混凝土的微觀結(jié)構(gòu)

28 d SEM照片如圖4所示。

(a)D組

(b)D-1組

(c)D-2組

(d)D-3組

(e)D-4組

(f)D-5組

根據(jù)圖4(a)可知：混凝土表面有裂紋，主要與荷載作用、混凝土變形兩項(xiàng)因素有關(guān)，時間集中在混凝土凝結(jié)硬化期間以及結(jié)束后體積在該過程中有變化，混凝土的整體形態(tài)改變，內(nèi)部顯現(xiàn)出微小裂紋。

根據(jù)圖4(b)、(c)可知：碳纖維的分布缺乏秩序性，被水泥漿包裹，由此共同組成具有密實(shí)性的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均提高。

根據(jù)圖4(d)可知：碳纖維跨越兩條主裂紋，受外力影響，產(chǎn)生應(yīng)力集中部位并在該處形成微裂縫；隨著應(yīng)力的增加，待其超過極限強(qiáng)度時微裂縫有發(fā)展的跡象(沿著水泥石與集料界面處延伸，此部位薄弱)，后續(xù)有水泥漿基體滲入的情況。而從碳纖維分布的角度來看，部分材料橫跨裂縫兩端，在承擔(dān)拉應(yīng)力、阻礙裂縫發(fā)展方面均具有明顯的作用，在該優(yōu)勢下，混凝土的抗壓強(qiáng)度增加。

根據(jù)圖4(e)、(f)可知：隨著碳纖維摻入量的增加，混合料中部分區(qū)域的碳纖維高度集中，碳纖維與混凝土基體的界面結(jié)合層的狀態(tài)較差，水灰比和孔隙率均有增加，嚴(yán)重時出現(xiàn)疏松狀的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生規(guī)模較大、影響程度較深的界面薄弱區(qū)，迫使整體抗拉強(qiáng)度下降。但進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，隨碳纖維摻量的增加，相繼有更多的該類摻入料分布在纖維增強(qiáng)方向，此部分材料有利于減緩裂紋尖端的應(yīng)力，避免該部位的應(yīng)力高度集中。得益于碳纖維的調(diào)節(jié)作用，劈裂抗拉強(qiáng)度有提高的變化[2]。不同摻量下的劈裂抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)存在差異，其中以D-5組的該值最高，達(dá)到3.21 MPa。

5 氣孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)分析

氣孔結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)如表2所示。在碳纖維摻量增加的條件下，混凝土的含氣量呈階段性變化，即先增加、后減小，各組的含氣量存在差異，D-1組最低，相比于對照組(D組)降低11.59%；D-5組的含氣量最高，達(dá)到53.37%，相比于對照組增加19.19%。從材料彈性模量的角度來看具有碳纖維高于混凝土的特點(diǎn)，因此隨著碳纖維的摻入將有效抑制混凝土早期開裂，孔隙率降低，內(nèi)部微小裂縫的發(fā)展受到限制，混凝土整體狀態(tài)良好，抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有提高；但碳纖維摻量過多時會增加含氣量，對抗壓強(qiáng)度帶來削減作用。

表2 氣孔結(jié)構(gòu)分析試驗(yàn)結(jié)果

在含氣量一致的條件下，若混凝土的孔隙數(shù)量越多則平均孔隙直徑越小，孔隙比表面積越大。從表2可以得知，在碳纖維摻量持續(xù)增加的試驗(yàn)條件下，孔隙比表面積呈減小趨勢，但無論如何減小，均高于未摻碳纖維的混凝土；此外，孔隙間距系數(shù)先減小、后增加、再減小，變化規(guī)律與含氣量相反，這是因?yàn)楹瑲饬康臏p小會迫使孔隙間距系數(shù)增加，即兩者具有“反變”的特點(diǎn)。

6 結(jié) 語

在混凝土制備中，若合理摻入碳纖維將提高整體的力學(xué)性能，進(jìn)而保證混凝土的施工效果。本文進(jìn)行了關(guān)于碳纖維輕骨料混凝土的力學(xué)性能研究，明確碳纖維的應(yīng)用優(yōu)勢，希望可為同仁提供參考，以便在實(shí)際生產(chǎn)中合理應(yīng)用碳纖維，提高混凝土的品質(zhì)，推動工程項(xiàng)目的高質(zhì)化發(fā)展。

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