廢棄碳纖維混凝土力學性能及表面應變演化特性試驗研究

中圖分類號：TU599 文獻標志碼：A 文章編號：1673-3851（2025）09-0688-09

Reference Format： CHEN Junhong，FU Jun， XIONG Houren，etal. An experimental study on mechanical properties and surfacestrainevolutioncharacteristicsof wastecarbonfiber-reinforcedconcreteJ].Journalof Zhejiang SCi-Tch University 2025，53（5） ：688-696.

An experimental study on mechanical properties and surface strain evolution characteristics of waste carbon fiber-reinforced concrete

CHEN Junhong1 ，FU Jun1 ，XIONG Houren2 ，SHAN Hong you2 （1.School of Civil Engineering and Architecture， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China；2. School of Civil Engineering and Architecture， Jiaxing University，Jiaxing 314Ooo，China）

Abstract：To achieve the resource utilization of waste carbon fibers and enhance the mechanical properties of concrete，this study combined waste carbon fibers with concrete to analyze the efects of fiber length and volume content on the compressive strength and spliting tensile strength of concrete with different water-to-binder ratios.The digital image correlation （DIC） method was employed to monitor the damage evolution of surface strain fields in concrete，while orthogonal experimental design and range analysis were applied to determine the optimal mix proportion of waste carbon fiber-reinforced concrete based on compressive and splitting tensile strength test results. The microstructure of the waste carbon fiber-reinforced concrete was characterized using field emision scanning electron microscopy. The results demonstrated that waste carbon fibers improved concrete compactness through crack bridging and physical filling effects，achieving maximum increases of 19.5% in 28-day compressive strength and 44.7% in spliting tensile strength. The influencing factors were ranked by significance as follows： water-to-binder ratio （most influential），volume content，and fiber length （least influential）．The optimal mix proportion was identified as water-to-binder ratio O.45，volume content 0.2% ，and fiber length 6mm .Under compressive loading，significant end effects and rebound effects were observed on specimen surfaces，while maximum transverse strain during spliting tensile tests concentrated in the central region. These findings provide valuable data support for green recycling of waste carbon fibers and development of highperformance concrete.

Key words：waste carbon fibers； concrete；digital image correlation method；compressive strength splitting tensile strength; strain evolution

0 引言

混凝土是現代建筑的核心材料1，但存在全生命周期高碳排放以及抗拉強度與抗壓強度失衡等缺點[2，在全球推進低碳可持續發展背景下，開發兼具性能提升與環境友好的混凝土改性技術已成為行業的迫切需求[3]。碳纖維具有卓越的力學性能與獨特的電化學特性[4-5]，所制備的復合材料已在航空航天等高端領域獲得廣泛應用[6-7]。碳纖維復合材料服役周期大約為20年，導致每年產生大量廢棄碳纖維（Wastecarbonfibers，WCFs）;據預測，2050年全球該類廢棄物總量達98萬 t^[8-9] 。然而，采用傳統的填埋法或焚燒法會產生環境毒素，現已被國際公約限制[10-11]；而主流回收技術（如熱解法、溶劑法）又存在高能耗與經濟性差等問題[12]。在碳達峰背景下，將廢棄碳纖維作為混凝土增強材料，通過構建纖維-基體協同增強體系，既可以實現固廢資源化利用，又可以提升混凝土的綜合性能，成為破解“高性能材料-環境負荷\"悖論的新路徑。

將廢棄碳纖維作為混凝土改性材料已展現出顯著的技術優勢。Akbar等[13證實， 0.25%～1.50% 體積摻量的廢棄碳纖維可同步提升水泥基體的抗折強度和抗壓強度，其中抗折強度增幅更為顯著；Nguyen等[14采用體積摻量 3.0% 、長度為 6mm 的廢棄碳纖維制備混凝土試件，發現其抗壓強度與抗折強度分別提升了 13% 和 20% ;De Souza Abreu等[15]發現廢棄碳纖維通過橋接裂縫效應優化了骨料-基體界面過渡區結構，顯著提升了混凝土的力學性能。Wang等[16]通過酸改性處理顯著改善了廢棄碳纖維界面結合性能，在 0.3%～1.0% 摻量區間內抗壓強度提升了 18.1% ，抗折強度提升了74.93% 。上述文獻表明，廢棄碳纖維混凝土在力學性能提升方面具有顯著優勢，但目前關于廢棄碳纖維的體積摻量、纖維長度對不同水膠比混凝土抗壓強度、劈裂抗拉強度的研究報道不多，也沒有體積摻量、纖維長度、水膠比最佳配比以及廢棄碳纖維混凝土在抗壓、劈裂抗拉條件下試件表面應變演化特性研究。

表面應變演化特性與混凝土的結構可靠性相關，研究廢棄碳纖維混凝土的表面應變演化特性顯得尤為重要。數字圖像相關（Digitalimagecorrelationmethod，DIC）法具有試樣制備簡單、測量精度高等優點，已成為監測材料變形的可靠工具[17-18]。該方法通過跟蹤變形前后圖像中參考子集的灰度分布特征，并利用相關算法進行匹配計算，能夠精確確定像素的位移矢量，進而得到被觀測區域內全場各點的位移和應變[19-20]?；谶@種全場變形信息的獲取優勢，采用DIC法可對材料表面損傷演變過程進行非接觸式測量分析[21-22]。

本文研究不同體積摻量、不同長度的廢棄碳纖維對不同水膠比條件下的混凝土在抗壓、劈裂抗拉試驗下的力學性能和表面應變演化規律，系統評估廢棄碳纖維長度、體積摻量在不同水膠比條件下對混凝土力學性能的影響。在此基礎上，對混凝土試件的抗壓強度、劈裂抗拉強度試驗結果進行極差分析，以確定廢棄碳纖維混凝土的最優配比；采用DIC法對混凝土表面應變場的損傷演變過程進行監測；最后采用場發射掃描電鏡微觀測試技術對廢棄碳纖維混凝土微觀結構展開分析。本文研究結果可為廢棄碳纖維在混凝土中的再生利用及力學性能提升等相關研究提供實驗依據，相關數據可為廢棄碳纖維混凝土的材料配比設計提供參考。

1試驗

1.1材料

廢棄碳纖維來源于鹽城祥盛碳纖維科技有限公司提供的邊角料，經過機械回收法加工為短切型碳纖維，短切型碳纖維照片如圖1所示，其相關參數詳見表1。P·O42.5普通硅酸鹽水泥來源于無錫市江淮建材科技有限公司生產，其化學成分如表2所示，基本性能如表3所示。細骨料為中國ISO標準砂來源于廈門艾思歐標準砂有限公司生產；粗骨料為 9～12mm 碎石；拌合水為嘉興地區自來水。

1. 2 樣品制備

本文采用正交試驗法優化配合比，考察水膠比（因素 _{A：0.45，0.50，0.55）} 、體積摻量（因素B：0.2%.0.4%.0.6%） 及纖維長度（因素C：3、6、12mm）3 種因素。體積摻量為0，即表示普通混凝土，作為基準對照組（CM1、CM2、CM3），其余9組采用正交表 L₉（3³） 表進行組合設計，正交試驗方案與基參考GB/T50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》，考慮到試件尺寸與測試儀器的匹配性，試驗采用非標準試件（邊長為 100mm 的立方體）進行廢棄碳纖維混凝土力學性能測試。為提升廢棄碳纖維在混凝土中的分散效果，試驗制定了以下攪拌工藝規程：將水泥、標準砂及石子投入強制式攪拌機，干拌 60s ;隨后加入經高速分散處理的廢棄碳纖維水溶液，繼續攪拌 120s ；攪拌完成后，將混合料注入 100mm 立方體模具，并在振動臺上振搗密實 1min 。

試件成型 24h 后進行脫模處理，隨后置于標準養護室（溫度 （20±2）^°C ，相對濕度 95% 中養護 28d 。為滿足DIC法的測試要求，試件表面采用分層噴涂法制備散斑：先用磨砂紙對表面進行打磨處理，以確保平整度；均勻噴涂白色啞光漆，形成基底層；待基底完全干燥后，通過隨機點噴方式施加黑色啞光漆，最終形成如圖2所示的制斑后表面。

圖2試件表面制斑處理示意圖

1. 3 測試方法

抗壓強度測試：參考GB/T50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行抗壓強度測試，每組3個試件。采取連續均勻加荷，加荷速度設置為 0.5MPa/s 。試驗裝置由加載系統與數字圖像系統組成，抗壓試驗裝置圖示意圖如圖3（a）所示。在試件表面散斑場區域設置均勻照明后，通過數字圖像系統同步采集加載過程中的動態變形場數據。非標準試件抗壓強度按照式（1）計算：

其中： f_cc 表示抗壓強度， MPa F 表示破壞時的最大荷載，N; A 表示承壓面積， mm² 0

（a）抗壓試驗裝置示意圖

圖3試驗裝置圖

劈裂抗拉強度測試：參考GB/T50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》進行劈裂抗拉強度測試，每組3個試件。采取連續均勻加荷，加荷速度設置為 0.5MPa/s 。試驗裝置由加載系統與數字圖像系統組成，劈裂抗拉試驗現場布置圖如圖3（b）所示。在試件表面散斑場區域設置均勻照明后，通過數字圖像系統同步采集加載過程中的動態變形場數據。非標準試件劈裂抗拉強度按照式（2）計算得出：

其中： f_ts 表示劈裂抗拉強度， MPa F 表示破壞時的最大荷載，N; A 表示劈裂面面積， mm² 。

DIC法測試：試件加載過程中，采用工業相機以0.25s 的時間間隔對試件表面應變場進行連續采集，圖像處理與分析通過新維三維公司的3D-DIC軟件完成，軟件參數設置如下：計算步長為20像素（根據相機標定結果，1像素對應實際尺寸0.01mm），其余參數采用軟件默認推薦值。

2 結果與討論

2.1抗壓強度及劈裂抗拉強度

抗壓及劈裂抗拉試驗結果如表5所示。表5顯示：在相同水膠比條件下，試驗組L2的抗壓強度和劈裂抗拉強度相較于基準混凝土分別提升了19.5% 和 44.7% ，增幅最顯著，其中劈裂抗拉強度的提升幅度顯著高于抗壓強度，表現出明顯的拉伸性能改善特征；L2的抗壓強度與劈裂抗拉強度分別達到試驗組L7對應指標的1.3倍和1.6倍；試驗組L7提升幅度不及其他組別，與同水膠比基準混凝土相比，仍展現出抗壓強度提升 8.9% 、劈裂抗拉強度提升 16.4% 的顯著增長，后者增幅尤為突出。上述結果表明，廢棄碳纖維的摻入顯著增強了混凝土材料的抗壓強度和劈裂抗拉強度，且增強效果在不同配比條件下呈現明顯差異。本文觀測到的混凝土抗壓強度與劈裂抗拉強度提升效應主要源于以下3方面機制：a）廢棄碳纖維具有超強的力學性能，并能與 C-S-H 凝膠形成強韌的界面黏結體系[14]。受壓時，纖維主要發揮微裂紋擴展阻滯效應；劈裂抗拉時，廢棄碳纖維憑借高長徑比特征可直接橋接宏觀裂縫，重構基體拉應力場。這種差異化機制使得劈裂抗拉強度提升率達 44.7% ，顯著高于抗壓強度的 19.5% 增幅。b）水膠比調控對孔隙結構具有決定性影響。當水膠比不在合理范圍時，未完全水化的自由水形成連通的毛細孔隙，導致孔隙率增大和密實度下降，使材料在承受荷載時更易發生應力集中和微裂紋擴展，最終造成整體強度下降[23-24]。c）體積摻量優化是發揮增強效應的關鍵因素。體積摻量不合理時，廢棄碳纖維因自身特性，易產生纖維團聚現象[25]。導致水泥漿體對纖維表面的有效包裹厚度下降，并易產生界面氣泡，削弱了纖維的增強作用，在基體內形成局部薄弱區，導致材料的結構連續性下降。

表5抗壓及劈裂抗拉試驗結果

2.2 廢棄碳纖維混凝土配比優化

基于正交試驗設計的極差分析結果如表6和表7所示。參考文獻[26所報道的方法，通過計算各因素水平下試驗指標的和值 （K₁，K₂，K₃） 與均值（k₁，k₂，k₃） ，結合極差 R 值來定量評估各因素對抗壓強度和劈裂抗拉強度的影響程度，其中， k 值越大表明該水平對性能指標的提升效應越顯著， R 值越大則表明對應因素對試驗結果的調控作用越強。對抗壓強度極差分析結果（見表6）表明：水膠比（因素A）在0.45水平時 k₁ 值達到峰值 （39.98MPa） ，顯著高于其他水平；體積摻量（因素B）和纖維長度（因素C的最優水平分別為 0.2% （B1）和 6mm（C2） 。根據極差 R 值排序為A：6.14、B：2.90和C：1.02，確定影響抗壓強度的影響程度為水膠比、體積摻量、纖維長度。據此可知抗壓強度最優配比為 A₁B₁C₂ ，即水膠比0.45、體積摻量 0.2% 、纖維長度 6mm 。進一步分析劈裂抗拉強度極差數據（表7）可以發現：各因素最優水平組合與抗壓強度完全一致，影響大小的排序為水膠比、體積摻量、纖維長度的規律，這證實水膠比對廢棄碳纖維混凝土的力學性能具有雙重調控作用，通過控制水化產物致密度影響抗壓強度，又經由孔隙結構優化提升抗裂性能。綜合以上極差分析結果，廢棄碳纖維混凝土的最優配比確定為：水膠比0.45，體積摻量 0.2% ，纖維長度6mm 。

表6抗壓強度極差分析結果

表7劈裂抗拉強度極差分析結果

2.3抗壓及劈裂抗拉條件下表面應變演化

為精準表征L2試件的應變分布情況，本文采用DIC法開展全場應變分析，所采用的虛擬引伸計計算區域及布置方式如圖4所示，其中：本文所選用的計算區域如圖4（a）所示；虛擬引伸計系統按正交網格布置，正交網格布置如圖4（b）所示。坐標系的原點設定在試件底部的中心位置，水平方向為 X 軸（橫向變形方向），豎直方向為 Y 軸（加載方向）。在水平應變測量組（ X 方向）：沿 Y 軸等間距（ 25mm） 布置A1、A2、A3等3條虛擬引伸計，其中A1位于Y=50mm 的中性軸位置，A2（ Y=25mm ）、A3（Y=75mm） ）分別監測下、上壓板接觸區變形；豎向應變測量組（Y方向）：沿 X 軸等間距 25mm 布置B1、B2、B3等3條虛擬引伸計，其中B1位于 X=0 mm 的加載中心線，B2（ X=25mm ）B 33（X=-25 mm 對稱地監測橫向應變。

圖4計算區域及布置方式示意圖

通過DIC法獲取的抗壓條件下混凝土表面應變場演化曲線如圖5所示。Y方向的應變演化規律曲線如圖5（a）所示，從圖中可以看出：在加載初期（tlt;50s） ，各測點應變值均維持在 0～0.2% 范圍內，表明材料處于線彈性變形階段。當荷載達到峰值強度的 85%（t=70s） 時，A3測點 （Y=75mm） 應變增速顯著提升，其應變速率達 0.09/（%?s^-1） ，較A1測點高約3倍。至破壞時刻（ Δ（Ω/t=85Ωs） ，A3區域累積應變達到 0.49% ，分別是A1、A2區域應變的1.25倍和1.13倍。測點的應變差異表明，試件在端部區域（特別是A3測點）產生了明顯的應變集中現象；這種應變分布特征與試件同壓力機接觸面因摩擦約束引起的端部效應[27-28]相關。破壞后階段（t）gt;85s） ，各測點應變值均減小，表現出彈性回彈效應。對比類似研究[29]可知，這與裂紋面間殘余摩擦應力有關。 X 方向的應變演化規律曲線如圖5（b）所示，從圖中可以看出：在加載早期， X 方向應變同試件 Y 方向應變類似均維持在 0～0.2% 范圍內，但B2測點（ ΔX=25mm） 在各時間段都明顯高于其他區域的應變。這說明試件表面右側存在薄弱面，產生這種現象可能是因為纖維團聚造成[30]應力集中，破壞后B2測點仍保持應變增長率，這與貫穿裂縫直接相關。上述應變演化規律曲線完整描述了廢棄碳纖維混凝土的3階段破壞機制：a）均勻彈性變形 （εlt;0.2%） ;b）應變局部化發展（0.2%?εlt;0.4%） ；c）宏觀裂紋主導的非連續變形 （ε?0.4%） °

圖5抗壓條件下混凝土表面應變場演化規律曲線

通過DIC法獲取的劈裂抗拉條件下混凝土表面應變場演化曲線如圖6所示。Y方向的應變演化規律曲線如圖6（a）所示，從圖中可以看出：劈裂抗拉試驗中Y方向各區域應變在加載初期均較小，表明在加載初期試件表面應變呈均勻分布；隨著荷載持續增加，至峰值破壞階段時，試件各區域Y向應變產生顯著差異，其中A3區域應變較A1、A2區域呈現異常增大現象，該現象揭示了裂縫最先萌生于試件上端部的破壞機制。 X 方向的應變演化規律曲線如圖6（b）所示，從圖中可以看出：早期 B1～B3 區域應變值保持均勻分布且量值較低，表明試件在初始加載階段 X 向變形具有空間均勻性；隨著荷載持續增加， X 向應變分布呈現明顯的非均勻特性，B1區域（中部）應變增量顯著超越B2、B3區域（兩側），這與劈裂抗拉破壞時最大橫向應變集中于試件中部的現象相吻合[31]。上述應變演化規律曲線清晰顯示了劈裂抗拉條件下試件表面全過程損傷演化過程和破壞特征。

圖6劈裂抗拉條件下混凝土表面應變場演化規律曲線

L2試驗組破壞后的照片如圖7所示，從圖可以看出：抗壓條件下試件破壞后仍保持相對完整的宏觀形貌，表明廢棄碳纖維的摻入顯著增強了混凝土顆粒間的黏結作用；劈裂抗拉條件下試件破壞后裂縫沿加載軸方向貫穿試件中部，這與上述DIC法觀測的應變演化規律一致。

圖7試件破壞形態照片

3廢棄碳纖維混凝土力學性能增強機理

本文通過掃描電鏡SEM對L2組試件的微觀結構進行觀察，以分析廢棄碳纖維對混凝土的增強作用效應，L2組試件SEM圖如圖8所示。從圖8可以看出：廢棄碳纖維在混凝土基體裂縫間形成了有效的橋接作用；水泥水化產物與廢棄碳纖維緊密結合形成界面過渡區，使得隨機分布的廢棄碳纖維通過橋接受力過程中產生的微裂縫，延緩宏觀裂縫擴展，部分纖維在破壞過程中被拔出基體；廢棄碳纖維與水泥基體界面形成交錯網狀結構，具有一定的物理填充效應，提高了混凝土的密實度。

廢棄碳纖維的作用機理圖示意圖如圖9所示。在混凝土基體材料與廢棄碳纖維的協同作用過程中，隨機分布的廢棄碳纖維通過橋接裂縫的方式延緩裂縫擴展。當混凝土承受外部荷載時，廢棄碳纖維與混凝土材料之間的黏結強度是影響作用效果的關鍵因素，其能量耗散機制主要源于纖維從基體拔出。

圖8L2組試件SEM圖

圖9 作用機理示意圖

綜上所述，廢棄碳纖維在混凝土中起到以下積極作用：a）廢棄碳纖維在混凝土中能形成的網狀結構，具有一定的物理填充效應，提高了混凝土的密實度；b）廢棄纖維在混凝土中作為跨越孔隙和縫隙的橋梁，起到橋接裂縫的作用，當混凝土受到外界荷載時，廢棄碳纖維與混凝土材料之間的黏結強度是影響作用效果的關鍵因素，起到消耗部分能量的作用。

4結論

本文對不同長度 （3，6，12mm） 和不同體積摻量（0.2%.0.4%.0.6%） 的廢棄碳纖維對不同水膠比（0.45，0.50，0.55） 的混凝土進行了抗壓、劈裂抗拉試驗，并采用DIC法對混凝土表面應變損傷演化過程進行了監測，主要得到以下結論：

a）在抗壓劈裂抗拉方面，不同摻量、不同長度的廢棄碳纖維對不同水膠比條件下的混凝土在齡期28d時的抗壓、劈裂抗拉強度均有所提高，特別對劈裂抗拉強度的提升顯著，其中L2在28d的抗壓強度和劈裂抗拉強度分別提高 19.5%.44.7%。

b）正交試驗極差分析結果顯示，影響廢棄碳纖維混凝土抗壓、劈裂抗拉強度的因素主次依次為水膠比、體積摻量、纖維長度；廢棄碳纖維混凝土最優配比為水膠比0.45、體積摻量 0.2% 、纖維長度 6mm 。

c）借助圖像分析手段發現，廢棄碳纖維混凝土的三階段破壞機制表現為：均勻彈性變形（ εlt; 0.2%） ；應變局部化發展 （0.2%?εlt;0.4%） ；宏觀裂紋主導的非連續變形 （ε?0.4%） 。通過非接觸測量發現：抗壓條件下，試件表面存在明顯的端部效應以及回彈效應；劈裂抗拉條件下，試件表面的最大橫向應變集中于試件中部。

d）場發射掃描電鏡微觀測試結果表明：摻入水泥基材料中的廢棄碳纖維通過橋接作用連接基體裂縫，抑制裂縫擴展；該纖維在混凝土中形成的網狀結構具有物理填充效應，從而提高混凝土的密實度。廢棄碳纖維與混凝土材料之間的黏結強度是影響其作用效果的關鍵因素。

本文研究了影響廢棄碳纖維混凝土的抗壓強度、劈裂抗拉強度的因素，獲得了廢棄碳纖維混凝土的最佳配比，并探討了廢棄碳纖維混凝土力學性能增強機理，研究結果可為廢棄碳纖維在混凝土中的再生利用技術開發、力學性能提升研究提供實驗數據支撐，同時為其材料配比優化提供理論參考依據。

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（責任編輯：康 鋒）