碳纖維對納米偏高嶺土再生混凝土力學性能及微觀結構試驗研究

中圖分類號：TB9;TU528 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2025）06-0017-08

Experimental study on mechanical properties and microstructure of carbon fiber reinforced nano metakaolin recycled concrete

YAN Jie LUO Yan YU Xutao WANG Lijun WENG Weisu （College of Civil Engineering，Hebei UniversityofArchitecture， Zhangjiakou 0750oo， China）

Abstract： In order to study the efect of carbon fiber（CF）on the mechanical properties of nano metakaolin recycled concrete（NRAC）， orthogonal tests were conducted using the content of nano metakaolin（NMK）， CF content， the replacement rate of recycled coarse aggregate（RA） and the length of CF as influencing factors to studythe efects of CF on the compressive strength， tensile strength and tension-compression ratio of NRAC. The pore structure and micro-morphology of recycled concrete（RAC） were analyzed by mercury intrusion method and scanning electron microscope method， in order to find out the improvement mechanism of CF on NRAC.The results show that the replacement rate of RA and the content of NMK have significant effects on the compressive strength，and the content of CF has remarkable efects on the tensile strength and tensioncompression ratio. Considering the compressive strength，tensile strength and tension-compression ratio of recycled concrete， the optimal ratios are A₃B₄C₁D₂ A₁B₃C₁D₃ ， A₁B₃C₄D₃ ，respectively. The incorporation of CF increases the porosity of RAC，but the porosity increases only slightlydue to the presence of NMK.In addition， the separation and crack resistance effect of CF refine the pore structure of RAC.CF plays a bearing role through the bridge function， which makes the crack propagation path more complicated and is not easy to produce transverse cracks.Moreover，the filing effect and volcanic ash effect of NMK enhance the bond strength of the transition Zone of fiber-mortar interface，further play the strengthening role of CF，and thus improving the strength and ductility of RAC.

Keywords： carbon fiber; nano metakaolin recycled concrete; compressive strength; tensile strength; tensioncompression ratio; microstructure

0 引言

隨著中國城市經濟快速增長，在拆除重建過程中產生的廢棄混凝土的再利用問題日益突顯，由此再生混凝土（recycledconcrete，RAC）領域近年來成為研究熱點。然而，廢棄混凝土經過破碎等工序后形成的再生骨料具有吸水率大、壓碎指標高等[]特點，且再生粗骨料表面附著殘余老砂漿，導致用其制成的RAC各項性能指標均不如普通混凝土，為了提高RAC的實際應用效率，亟需一種RAC改性方法用于提升RAC各項性能。

納米材料如納米 SiO₂ 、納米 CaCO₃ 等依靠填充及火山灰效應填充混凝土材料的微觀孔結構，改善界面過渡區（ITZ），增強混凝土的性能。隨著納米材料深人研究，越來越多的學者將其用于RAC領域進行研究。胡海波等[2]通過正交試驗研究納米 CaCO₃ 對RAC抗壓強度的影響規律。結果表明，適量的納米 CaCO₃ ，依靠其特有的納米核效應，顯著提升RAC早期抗壓強度。肖建莊等[3]研究粉煤灰和納米 SiO₂ 單摻及復摻對RAC的影響規律，試驗結果表明，納米 SiO₂ 能夠強化RAC新老砂漿ITZ，增強砂漿和骨料之間的膠結力，有效提升RAC 的力學性能，且提升早期性能尤為顯著。Wang等[4在研究中發現，在一定范圍內摻入納米 SiO₂ 能有效提高RAC的抗壓強度，但當納米 SiO₂ 摻量超過 3% ，改善作用開始逐步減弱。

納米偏高嶺土（nanometakaolin，NMK）由于其較強的火山灰活性以及低廉的價格在近幾年得到研究者青睞。Steve等[5]研究結果表明，無論使用 5% 或 10% 的NMK等質量替代水泥，均對混凝土的抗壓強度起到增幅效果。范穎芳等[選用5種不同摻量的NMK進行水泥砂漿強度測試，試驗結果表明，適量NMK可以改善水泥砂漿抗壓以及抗折強度的，其中抗壓強度改善效果顯著，抗拉強度則改善效果有限。張恒[7]研究NMK對RAC力學性能的影響，試驗結果表明，NMK顆粒由于填充RAC內部孔隙，提高了新、舊砂槳與粗骨料ITZ強度，且NMK較強的火山灰效應促進二次水化，提高結構密實度，致使NMK對RAC抗壓強度的增強效果顯著，而對RAC抗拉強度的增強效果較差，僅增強了 4.5% 。

研究表明，纖維通過承載以及阻裂作用，有效增強混凝土的抗拉強度。碳纖維（carbon fiber，CF）通過其高強度比、高模量比等優異特性在建筑領域得到廣泛關注。杜向琴等[8]以不同的CF摻量和水灰比為變量對CF混凝土進行研究，試驗結果表明，抗拉強度隨CF摻量的增加表現出先增大后減小的趨勢，在水灰比為0.5，碳纖維摻量為 0.3% 時強度增幅最大，抗拉強度增幅 66% 。CF在混凝土中存在一個最佳的摻量，超過這個最佳摻量后混凝土強度會有所降低[，原因主要是CF在混凝土拌和中帶人部分的空氣，造成內部孔隙的增多。侯敏等[10]試驗結果表明，適量的CF能有效提高抗拉強度和抗折強度，且增幅效果明顯，抗拉強度最高增幅110% ，抗折強度最高增幅 36.9% ，但抗壓強度出現不同程度的降低。王建超等[11]對CF再生混凝土進行力學性能試驗。結果表明，無論CF長度、摻量為多少，均能明顯提高RAC的抗拉強度，當CF長度為 6mm ，CF摻入量為 0.12% 時，CF再生混凝土抗拉強度值最高，但抗壓強度增幅并不明顯。佟鈺等[12] 的試驗結果表明，CF的加入可使混凝土的力學強度有不同程度的提高，其中以抗折強度的增長最為明顯，抗拉強度次之，而抗壓強度的增幅相對較小。王啟成等[13]研究表明，摻入CF后的混凝土抗壓強度出現不同程度的降低，但對于抗拉以及抗折強度則出現較大程度的提高。

可以看出，NMK或CF單獨摻入到混凝土中，盡管有助于改善RAC部分性能，但同時也劣化了RAC其他性能，將二者結合起來使用，相互取長補短，或許能夠解決相應的問題。目前研究中，將CF和NMK同時摻入到RAC中進行改性的報道相對較少，故以NMK摻量、CF摻量，再生粗骨料（RA）取代率，CF長度作為影響因素，設計四因素四水平正交試驗，研究不同因素對RAC抗壓強度、抗拉強度和拉壓比的影響關系。通過壓汞法（MIP）及掃描電鏡法（SEM）研究CF對納米偏高嶺土再生混凝土（NRAC微觀結構的改善機理，以期能夠為RAC的實際應用提供部分參考。

1原材料及實驗方案

1.1 原材料

水泥選用金隅牌PO42.5級普通硅酸鹽水泥；天然粗骨料（NA）為當地碎石，再生粗骨料為張家□市建設工程質量檢測中心廢棄混凝土塊，骨料各項性能嚴格按照！ JGJ52-2006^[14] 進行測試，結果如表1所示；碳纖維選用東麗碳纖維有限責任公司生產的短切碳纖維，性能參數列于表2；納米偏高嶺土的平均粒徑為 50～80nm ，比表面積 ?15m²/g. ，純度≥95% ，其主要的化學成分見表3。細骨料采用水洗中級河砂，細度模數為2.71;外加劑：選用天津市致遠化學試劑有限公司生產的十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）。

1.2 試驗方案

1.2.1 正交試驗設計

為了提高試驗效率，高效獲得試驗最優配合比，選用正交試驗進行相關研究。選擇NMK摻量，CF摻量，RA取代率，CF長度作為影響因素，每個因素選取四個水平，試驗因素與水平見表4。RAC水灰比設計為0.55，由于RA的吸水率遠高于NA，本試驗采用添加附加水用于保持水膠比，附加用水量根據文獻[15]得到，NMK等質量替代水泥，CF摻量為體積摻量，結合正交試驗方法確定配合比如表5所示。

1.2.2 試件制作與試驗方法

再生混凝土制作方法嚴格按照GB/T50080—2016標準進行，抗壓強度和抗拉強度試驗試塊均選用邊長 100mm 的立方體非標準試塊，在標準條件下養護28天后進行強度測試，試驗儀器采用WHY-2000型萬能壓力試驗機；結合MIP和SEM對RAC微觀形貌進行觀察，分析CF對NRAC的影響規律及改善機理。

2試驗結果與分析

試驗選用邊長為 100mm 的立方體非標準試塊，抗壓強度值尺寸換算系數為0.95，抗拉強度值尺寸換算系數為0.85，正交試驗結果如表6所示。

2.1 極差分析

對上述正交試驗結果進行極差分析，分析結果如表7所示。

從抗壓強度試驗數據可知，RA取代率對RAC抗壓強度值影響最大，NMK摻量次之，CF摻量及CF長度對RAC抗壓強度值影響較小，各因素的最優配比為 A₃B₄C₁D₂ ；從抗拉強度試驗數據中的極差值可以看出，CF摻量對RAC抗拉強度值影響最大，其次為NMK摻量，RA取代率及CF長度對抗拉強度值影響均較小，各因素的最優配比為 A₁B₃C₁D₃ 從拉壓比極差值中可知，CF摻量對RAC拉壓比影響最大，NMK摻量和RA取代率影響程度較為接近，CF長度對RAC拉壓比影響較小，各因素最優配比為 A_lB₃C₄D₃

2.2 因素影響分析

為了更直觀地比較不同因素對RAC強度以及拉壓比的影響，將各因素各水平下的數據平均值以如圖1所示形式表示， A₂ 代表因素A水平2即NMK摻量為 7% 。

由圖1（a）可知，NMK摻量的增加使得RAC抗壓強度呈現先增大后降低的規律，在NMK摻量為10% 時，抗壓強度達到峰值，此時強度增幅為 13.3% 。但隨著NMK摻量進一步增加，RAC抗壓強度出現下降趨勢，當NMK摻量增加至 12% 時，RAC抗壓強度較NMK摻量為 10% 時降低 3% ，但依然比未摻入NMK的RAC抗壓強度高。圖中抗壓強度隨CF摻量的增加呈現持續增長的趨勢，但增長的幅度較小，在CF摻量為 0.2% 時，也僅比未摻入CF的RAC抗壓強度值高 5.8% ，說明，CF摻量對RAC抗壓強度具有一定的增強效果，這與文獻[13]的結論不相符，可能的原因是NMK的摻入，通過填充以及火山灰效應，彌補了CF摻入造成的不良影響，造成抗壓強度并未出現降低的趨勢。從圖中可以看出RAC抗壓強度值隨再生骨料取代率的提高呈現持續降低的趨勢，且影響效果顯著，這與文獻[14]的研究結論相吻合。CF長度對RAC抗壓強度影響規律不明顯，且影響幅度較小。

由圖1（b）可知，NMK摻量對RAC抗拉強度影響無規律性，且影響效果不顯著。CF摻量對抗拉強度影響尤為顯著，圖中隨CF摻量的增加抗拉強度呈現先增強后降低的趨勢，當CF摻量增加至0.15% 時，RAC抗拉強度達到峰值，此時強度增幅33.2% 。雖然CF摻量進一步增加導致抗拉強度呈現下降趨勢，但下降幅度較小，當CF摻量為0.2% 時，抗拉強度較CF摻量為 0.15% 時僅下降1.3% 。RA取代率和CF長度二者對RAC抗拉強度影響較小，抗拉強度隨RA取代率的增加呈現先降低后增長的趨勢，當RA取代率 15% 時，抗拉強度值最高，隨CF長度的增加抗拉強度呈現先增長后降低的趨勢，當CF長度為 9mm 時。抗拉強度達到峰值。

從圖1（C）可以看出，RAC拉壓比隨著NMK摻量的增加總體呈現降低趨勢，CF摻量對拉壓比影響效果顯著，隨著CF摻量的增加拉壓比呈現先增長后降低的趨勢，在CF摻量為 0.15% 時達到峰值，此時拉壓比增幅 31.8% 。隨著RA取代率的提高，拉壓比呈現持續增加趨勢，在RA取代率為100% 時，拉壓比比RA取代率為 15% 時增長18.3% ，增幅效果較為明顯。而CF長度對拉壓比的影響效果較小，隨著CF長度的增加，拉壓比呈現先增加后降低的趨勢，CF長度為 9mm 時，拉壓比達到峰值。

2.3 方差分析

對所得試驗數據進行方差分析，分析結果如表8所示。

由表8可知，RA取代率對RAC抗壓強度影響效果最為顯著，NMK摻量次之，CF摻量與CF長度對抗壓強度影響效果不明顯。對于抗拉強度來說，CF摻量對其具有特別顯著影響，余下的三種因素對抗拉強度均沒有明顯影響。RAC拉壓比的主要影響因素為CF摻量，且影響效果顯著，其余三因素對拉壓比沒有明顯影響，以上分析結果均與極差分析結果相吻合。

綜合上述討論可知，影響RAC抗壓強度的主要因素為RA取代率和NMK摻量，且RA取代率的影響效果比NMK摻量更為顯著，抗拉強度和拉壓比的顯著影響因素為CF摻量。

3碳纖維對納米偏高嶺土再生混凝土孔隙結構的影響

為了研究碳纖維對納米偏高嶺土微觀結構的影響規律，綜合上述正交試驗結論，選擇將NMK摻量固定為 10% RA取代率固定為 60% CF長度固定為 9mm ，以不同CF摻量為變量，制備RAC試塊，標養28天后進行微觀試驗檢測，旨在揭示CF對NRAC的改善機理。試件配合比如表9所示。

使用MIP對上述四組試件進行分析，結果如圖2和表10所示。由圖2（a）可知，隨著CF摻量的增加，試塊累計進汞量持續增大。結合表10可知，CF的摻入，會使得RAC累計孔體積及孔隙率呈現隨CF摻量的增加而增加趨勢，但二者增大的幅度較小，原因是雖然CF的摻入會在混凝土拌合過程中帶入部分空氣，導致RAC內部孔隙和裂縫增多，但是由于NMK的摻入，利用其本身的填充、晶核效應以及較強火山灰活性7，填充了部分由于CF的摻入而增多的孔隙，導致累計孔體積及孔隙率只呈現少量增長的趨勢；平均孔徑和最可幾孔徑是影響RAC力學性能的重要參數，從圖2（b）及表10可以看出，最可幾孔徑隨CF的摻人并未出現明顯的變化規律，而在10%NMK 摻量下，試件的平均孔徑則隨CF摻量的增加而呈現先減少后增大的趨勢，在CF摻量為 0.15% 時達到最低值，較未摻入CF試件下降16.6% 。其原因在于：1）CF的彈性模量較混凝土更高，摻入到混凝土內部可以有效減少混凝土的干縮開裂，抑制RAC內部裂縫的產生和發展。2）CF具有很好的阻裂效應，能夠橫跨在宏觀裂縫兩側，有效緩解宏觀裂縫端部應力集中現象，并且CF使得裂縫擴展路徑更加復雜，阻礙了宏觀裂縫的進一步擴展。3）CF具有一定的分隔作用，能夠將RAC內部較大孔隙分隔成小孔隙，由此細化了RAC的孔結構。RAC平均孔徑的降低致使試件在承載時應力集中的路徑減少，進而提高RAC抗壓及抗拉強度，這也從孔結構的角度解釋了上述力學試驗中，摻入CF后，為何RAC抗壓強度未出現降低的原因。

4碳纖維對納米偏高嶺土再生混凝土微觀形貌的影響

通過SEM對RAC微觀形貌進行觀察分析，旨在揭示CF對NRAC性能的改善機理。對比圖3（a）＼～（c）可知，摻人CF后，會使得RAC界面過渡區更為復雜，界面由骨料-砂漿ITZ、新老砂漿ITZ和纖維-砂漿ITZ組成。界面處具有“邊壁效應\"，導致水泥水化不充分，增多內部孔隙和裂縫，降低混凝土的抗壓強度[13]。但與NMK同時摻入后，NMK本身在水泥水化過程中反應生成C-S-H凝膠，且由于NMK具有較強的火山灰活性可促進二次水化反應，產生更多的C-S-H凝膠，凝膠緊密堆積，填充部分由于CF的摻人所增加的孔隙，增強ITZ的粘結強度；并且由于NMK本身的小尺寸效應，使得未參與反應的NMK顆粒進一步填充由于CF摻入而增多的孔隙，致使在試驗中并未出現由于CF的摻入導致抗壓強度降低的情況。在進行強度試驗過程中，摻入CF后，RAC試塊在受力破壞時由原先的突然崩壞轉變成逐漸裂開的破壞形式，說明CF的摻入使得RAC的破壞形式由脆性破壞轉變成延性破壞。結合圖3（d）＼～（f）可知原因：1）CF通過橋接在宏觀裂縫兩側，有效緩解裂縫處的應力集中現象，起到承擔荷載和阻裂的作用；2）亂向分布的CF在RAC內部形成三維空間結構，承受并傳遞應力至RAC其他區域，致使RAC在一定程度上變成一個共同受力的整體，同時CF也使得裂縫擴展路徑更加復雜，不易形成貫穿裂縫。因此，CF的摻人可極大改善NRAC的抗拉強度及延性。

5結束語

1）RAC抗壓強度各因素影響程度依次為：RA取代率 gt;NMK 摻量 gt;CF 摻量 gt;CF 長度，最優配比為 A₃B₄C₁D₂ ，抗拉強度及拉壓比各因素影響程度排序為：CF摻量 gt;NMK 摻量 gt;RA 取代率 gt;CF 長度，最優配比分別為 A₁B₃C₁D₃ 和 A₁B₃C₄D₃ 。影響RAC抗壓強度的顯著影響因素為RA取代率和NMK摻量，且RA取代率的影響效果比NMK摻量更為顯著，影響抗拉強度和拉壓比的顯著影響因素為CF摻量。

2）NMK摻量的持續增加，使得抗壓強度呈現先增加后降低的規律，在NMK摻量為 10% 時達到峰值，強度增幅 13.3% ；隨著CF摻量的增加，RAC抗拉強度以及拉壓比均呈現先提高后降低的趨勢，當CF摻量為 0.15% 時，抗拉強度及拉壓比均達到峰值，分別提高了 33.2% 和 31.8% 。

3）CF的摻入會在拌合的過程中帶人部分空氣，導致RAC內部孔隙和裂縫增多，但是由于NMK摻入，填充了部分由于CF的摻入而增多的孔隙和裂縫，使得孔隙率增大的幅度較小，并且CF具有分隔及阻裂效應，細化了RAC的孔隙結構。

4）CF與NMK同時摻入RAC中，起到相互補充的作用，NMK依靠填充以及火山灰效應，彌補由于CF的摻入造成的不良影響，使得CF能夠充分發揮作用；CF的摻入，抑制了混凝土的干縮開裂，起到承載以及阻裂的作用，并且CF能夠使裂縫擴展路徑更加復雜，不易形成貫穿裂縫，大大增強了RAC的延性

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（編輯：譚玉龍）