碳纖維混凝土的制備及其力學(xué)性能研究

張政哲，吉 慶

(中交一公局集團(tuán)有限公司，北京 100024)

隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展，土木建筑行業(yè)得到快速發(fā)展?；炷磷鳛橥聊窘ㄖ袠I(yè)最常用的材料，一方面要求滿足力學(xué)強(qiáng)度，另一方面要求綠色節(jié)能。因此，許多研究學(xué)者通過摻入不同材料替代混凝土中的粗骨料，實(shí)現(xiàn)混凝土節(jié)能的目的。白敏等[1]用鋼渣等體積全部替代石子配制鋼渣混凝土，鋼渣混凝土的力學(xué)性能明顯優(yōu)于普通混凝土。信玉良等[2]用石狀鋼渣等體積替代部分粗骨料配制混凝土，發(fā)現(xiàn)石狀鋼渣體積摻量應(yīng)控制在30%為宜。王晴等[3]研究了煤矸石替代碎石對混凝土抗凍性的影響，粉煤灰的最佳體積摻量為10%。董海龍等[4]對不同粗骨料替代率的再生混凝土進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線開始段呈線性關(guān)系，隨替代率的增大，曲線斜率增大，峰值應(yīng)力變大。王占鋒等[5]研究了不同粗骨料替代率對再生混凝土的力學(xué)性能的影響，隨著再生粗骨料替代率的增加，再生混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和棱柱體抗壓強(qiáng)度均逐漸增大，劈拉強(qiáng)度有一定程度的降低。趙軍等[6]對不同粗骨料替代率的混凝土試件進(jìn)行拉拔試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)再生混凝土黏結(jié)強(qiáng)度要高于基準(zhǔn)混凝土，當(dāng)替代率為60%時,黏結(jié)強(qiáng)度達(dá)到最大值。劉喜平等[7]選用不同粗骨料替代率的再生粗骨料混凝土進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同替代率的再生混凝土的流動性和抗壓強(qiáng)度均比普通混凝土差。蔡海勇等[8]分析了再生骨料混凝土破壞形態(tài)及不同再生粗骨料替代率對再生混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明28 d齡期的再生骨料混凝土強(qiáng)度能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，用再生骨料配制混凝土是可行的。

目前，碳纖維由于具有優(yōu)異的活性和化學(xué)穩(wěn)定性，且性價(jià)比高，被廣泛用于高性能混凝土的開發(fā)。孟博旭等[9]研究了納米碳纖維摻量對納米碳纖維/混凝土抗凍性能的影響，結(jié)果表明納米碳纖維通過改善混凝土的微觀形貌、孔隙結(jié)構(gòu)、整體性和密實(shí)度，顯著改善了混凝土的抗凍性能。畢鵬[10]采用碳纖維摻入瀝青混凝土中，碳纖維體積摻量為0.05%左右時混凝土的性能達(dá)到最佳。碳纖維能夠明顯提高混凝土的各方面性能，但碳纖維材料受溫度的影響較大，從而影響混凝土的性能[11]，因此，需進(jìn)一步研究在不同養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度下碳纖維混凝土的性能變化規(guī)律。作者通過在混凝土中摻入不同含量的碳纖維配制碳纖維混凝土，研究碳纖維摻量對碳纖維混凝土力學(xué)性能的影響；同時，通過調(diào)節(jié)不同的養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度來分析碳纖維混凝土力學(xué)性能的變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 主要原料

P.O.42.5水泥：二氧化硅(SiO2)質(zhì)量分?jǐn)?shù)25.03%，氧化鈣(CaO)質(zhì)量分?jǐn)?shù)54.99%，三氧化二鋁(Al2O3)質(zhì)量分?jǐn)?shù)7.01%，氧化鎂(MgO)質(zhì)量分?jǐn)?shù)3.91%，三氧化二鐵(Fe2O3)質(zhì)量分?jǐn)?shù)2.94%，三氧化硫(SO3)質(zhì)量分?jǐn)?shù)6.12%，青島卓能達(dá)建筑科技有限公司生產(chǎn)；砂、石：砂粒徑0～15 mm、堆積密度1 720 kg/m3、表觀密度2 903 kg/m3，石粒徑15～25 mm、堆積密度1 660 kg/m3、表觀密度2 561 kg/m3，均由佛山市越祥建材有限公司提供；減水劑：上海富畦工貿(mào)有限公司生產(chǎn)；碳纖維：長度12 mm，抗拉強(qiáng)度3 900 MPa，彈性模量230 GPa，單絲直徑8 μm，河北富瑞復(fù)合材料有限公司生產(chǎn)。

1.2 主要設(shè)備及儀器

HS85623型多功能攪拌機(jī)：滄州恒勝偉業(yè)公路儀器有限公司制；CBW-2T型萬能試驗(yàn)機(jī)：重慶重標(biāo)實(shí)驗(yàn)儀器有限公司制。

1.3 碳纖維混凝土的制備

使用攪拌機(jī)將水泥、砂、石、水和碳纖維等進(jìn)行混合攪拌，其中水:水泥:砂:石的質(zhì)量比為0.38:1.00:1.11:2.72，摻入碳纖維體積分?jǐn)?shù)為0～3%，摻入減水劑體積分?jǐn)?shù)為2%。根據(jù)GB/T 50476—2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》制備不同碳纖維含量的100 mm×100 mm×100 mm立方體混凝土，隨后放入振動臺上進(jìn)行振動，使得成型的混凝土內(nèi)部材料均勻且密實(shí)，并在不同環(huán)境溫度下對混凝土試件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，環(huán)境溫度分別為20，40，60，100 ℃，養(yǎng)護(hù)時間為7 d。

1.4 力學(xué)性能測試

根據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，將養(yǎng)護(hù)成型的碳纖維混凝土放置在萬能試驗(yàn)機(jī)上，開始逐級加壓力/加拉力，通過試驗(yàn)儀器顯示器讀取碳纖維混凝土壓碎/拉壞時的受力值，最終取每組3塊試件的平均值作為最終受力值，計(jì)算碳纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強(qiáng)度

從圖1可以看出：當(dāng)環(huán)境溫度為60 ℃時，未摻入碳纖維的混凝土的抗壓強(qiáng)度為27.9 MPa，摻入碳纖維體積分?jǐn)?shù)1%的混凝土抗壓強(qiáng)度為29.1 MPa，摻入碳纖維體積分?jǐn)?shù)2%的混凝土抗壓強(qiáng)度為29.6 MPa，摻入碳纖維體積分?jǐn)?shù)3%的混凝土抗壓強(qiáng)度為29.9 MPa，顯然，隨著碳纖維摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸增加，但是增加速率逐漸降低；當(dāng)環(huán)境溫度分別為20，40 ℃時，混凝土的抗壓強(qiáng)度隨碳纖維摻量的增加呈現(xiàn)同樣的變化趨勢，并且在摻入碳纖維體積分?jǐn)?shù)為3%時抗壓強(qiáng)度最大，這是因?yàn)樘祭w維的表面積及直徑較小，能夠填充至混凝土的空隙之中，從而提高混凝土的抗壓強(qiáng)度[12]；當(dāng)碳纖維摻量一定(摻入碳纖維體積分?jǐn)?shù)為3%)時，環(huán)境溫度為20 ℃的混凝土的抗壓強(qiáng)度為28.9 MPa，環(huán)境溫度為40 ℃的混凝土的抗壓強(qiáng)度為29.6 MPa，環(huán)境溫度為60 ℃的混凝土的抗壓強(qiáng)度為29.9 MPa，環(huán)境溫度為100 ℃的混凝土的抗壓強(qiáng)度為28.4 MPa，隨著養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度的升高，碳纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度先增加后降低，最佳養(yǎng)護(hù)溫度為60 ℃，這是因?yàn)榄h(huán)境溫度的增加，能夠促進(jìn)混凝土中水泥的水化，從而提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，但養(yǎng)護(hù)溫度過高(100 ℃)則會破壞混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低混凝土的抗壓強(qiáng)度[13]。

2.2 劈拉強(qiáng)度

從圖2可以看出：當(dāng)環(huán)境溫度為60 ℃時，未摻入碳纖維的混凝土的劈拉強(qiáng)度為2.8 MPa，摻入碳纖維體積分?jǐn)?shù)1%的混凝土的劈拉強(qiáng)度為3.1 MPa，摻入碳纖維體積分?jǐn)?shù)2%的混凝土的劈拉強(qiáng)度為3.3 MPa，摻入碳纖維體積分?jǐn)?shù)3%的混凝土的劈拉強(qiáng)度為3.4 MPa，隨著碳纖維摻量的增加，混凝土的劈拉強(qiáng)度逐漸增加；當(dāng)環(huán)境溫度分別為20，40，100 ℃時，混凝土的劈拉強(qiáng)度同樣隨碳纖維摻量的增加而增加，呈現(xiàn)同樣的變化趨勢；當(dāng)環(huán)境溫度一定時，隨著碳纖維摻量的增加，混凝土的劈拉強(qiáng)度逐漸增加，但是增加速率逐漸降低，摻入碳纖維體積分?jǐn)?shù)為3%時最佳，這是因?yàn)樘祭w維屬于活性材料，能夠與水泥中的化學(xué)成分發(fā)生反應(yīng)，從而加快水化過程，即加快凝膠的形成，從而提高混凝土的劈拉強(qiáng)度[14]；當(dāng)摻入碳纖維體積分?jǐn)?shù)為3%時，環(huán)境溫度為20 ℃的混凝土的劈拉強(qiáng)度為3.2 MPa，環(huán)境溫度為40 ℃的混凝土的劈拉強(qiáng)度為3.3 MPa，環(huán)境溫度為60 ℃的混凝土的劈拉強(qiáng)度為3.4 MPa，環(huán)境溫度為100 ℃的混凝土的劈拉強(qiáng)度為3.3 MPa，最佳養(yǎng)護(hù)溫度為60 ℃；當(dāng)碳纖維摻量一定(體積分?jǐn)?shù)分別為1%，2%)時，隨著環(huán)境溫度的升高，碳纖維混凝土的劈拉強(qiáng)度同樣先增加后降低，最佳養(yǎng)護(hù)溫度為60 ℃，這是因?yàn)樵谝欢ǔ潭确秶鷥?nèi)升高環(huán)境溫度，能夠加快混凝土中水泥的水化過程，從而提高混凝土的劈拉強(qiáng)度，但環(huán)境溫度過高則會起到相反的作用，降低混凝土的劈拉強(qiáng)度[15]。

圖2 不同環(huán)境溫度下碳纖維混凝土劈拉強(qiáng)度隨碳纖維摻量的變化Fig.2 Change of splitting tensile strength of carbon fiber reinforced concrete with carbon fiber content under different ambient temperatures■—20 ℃；●—40 ℃；▲—60 ℃；▼—100 ℃

2.3 抗彎強(qiáng)度

從圖3可以看出：當(dāng)環(huán)境溫度為60 ℃時，未摻入碳纖維的混凝土的抗彎強(qiáng)度為4.7 MPa，摻入碳纖維體積分?jǐn)?shù)1%的混凝土的抗彎強(qiáng)度為5.0 MPa，摻入碳纖維體積分?jǐn)?shù)2%的混凝土的抗彎強(qiáng)度為5.2 MPa，摻入碳纖維體積分?jǐn)?shù)3%的混凝土的抗彎強(qiáng)度為5.3 MPa；當(dāng)環(huán)境溫度分別為20，40，100 ℃時，隨著碳纖維摻量的增加，混凝土的抗彎強(qiáng)度呈現(xiàn)同樣的變化趨勢；當(dāng)環(huán)境溫度一定時，隨著碳纖維摻量的增加，混凝土的抗彎強(qiáng)度逐漸增加，但是增加速率逐漸降低，碳纖維最佳摻量為體積分?jǐn)?shù)3%，這是因?yàn)樵诨炷林袚饺胩祭w維能夠降低混凝土的塑性流動和收縮微裂紋，使混凝土得到輔助的加強(qiáng)，并且碳纖維能夠加快水泥的水化，使得水泥水化產(chǎn)物隨時間不斷累積，填充于已硬化試件的空隙，降低體系的空隙率，密實(shí)試件，從而使強(qiáng)度不斷得以發(fā)展[16]；當(dāng)摻入碳纖維體積分?jǐn)?shù)為3%時，環(huán)境溫度為20 ℃的混凝土的抗彎強(qiáng)度為4.9 MPa，環(huán)境溫度為40 ℃的混凝土的抗彎強(qiáng)度為5.1 MPa，環(huán)境溫度為60 ℃的混凝土的抗彎強(qiáng)度為5.3 MPa，環(huán)境溫度為100 ℃的混凝土的抗彎強(qiáng)度為5.2 MPa，最佳養(yǎng)護(hù)溫度為60 ℃；當(dāng)碳纖維摻量一定時，隨著養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度的升高，碳纖維混凝土的抗彎強(qiáng)度先增加后降低，最佳養(yǎng)護(hù)溫度為60 ℃，這是因?yàn)榄h(huán)境溫度的增加，能夠促使混凝土中水泥的水化，從而提高混凝土的抗彎強(qiáng)度，但環(huán)境溫度過高則會破壞混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低混凝土的抗彎強(qiáng)度。

圖3 不同環(huán)境溫度下碳纖維混凝土抗彎強(qiáng)度隨纖維摻量的變化Fig.3 Change of bending strength of carbon fiber reinforced concrete with carbon fiber content under different ambient temperatures■—20 ℃；●—40 ℃；▲—60 ℃；▼—100 ℃

3 結(jié)論

a.當(dāng)碳纖維摻量一定時，隨著養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度的升高，碳纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，其最佳養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度為60 ℃。

b.當(dāng)養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度一定時，隨著碳纖維摻量的增加，碳纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度均逐漸增加，增加速率逐漸降低，摻入碳纖維體積分?jǐn)?shù)3%時均達(dá)到最大。

c.當(dāng)養(yǎng)護(hù)環(huán)境溫度為60 ℃、摻入碳纖維體積分?jǐn)?shù)3%時，碳纖維混凝土的力學(xué)性能最佳，其抗壓強(qiáng)度為29.9 MPa，劈拉強(qiáng)度為3.4 MPa，抗彎強(qiáng)度為5.3 MPa。