碳纤维混凝土抗渗试验研究

于良，程华，朱国华

（后勤工程学院 军事建筑工程系，重庆 401311）

碳纤维混凝土抗渗试验研究

于良，程华，朱国华

（后勤工程学院 军事建筑工程系，重庆 401311）

1 研究概论

1.1 研究目的

碳纤维是一种性能优良的新型纤维材料，具有轻质高强、高弹性模量等特性，线膨胀系数几乎为零，甚至“热缩冷胀”，碳纤维加入混凝土后具有极好的阻裂能力，在阻止内部微裂缝的扩展并阻滞宏观裂缝的发生和发展方面起到明显的作用[1]。随着碳纤维成本的降低，碳纤维混凝土现已广泛应用于建筑领域，在屋面防水工程中的应用收到了良好的效果。

本文基于对碳纤维掺量为0.8%的碳纤维混凝土与素混凝土进行抗渗试验性能对比研究，研究碳纤维对混凝土抗渗性能的作用效果，对碳纤维混凝土在实际工程中的抗渗性能应用给出参考数据。

1.2 混凝土渗透机理

混凝土由于自身浇筑时本身就存在一定的不密实性，在养护的初期，由于水化反应放出水化热，混凝土内部水分蒸发时形成很多微细毛细孔，使混凝土的孔隙率增加。又因为混凝土养护过程中体积发生收缩，导致内部受到拉应力作用大于混凝土本身的抗拉强度时就会产生微细裂缝。毛细孔和微细裂缝在混凝土内部形成水通道，在混凝土表面接触到水时，水分通过吸附和表面扩散作用进入混凝土的空隙，在压力差和毛细孔压力的作用下使水分向混凝土内部迁移，水分在微细水通道内流动渗透，渗透达到表层时水分发生蒸汽扩散，使渗透得以持续进行[2]。

影响混凝土渗透性能的因素最主要的是其本身材料结构的组成，包括水灰比的大小，集料的多少，粉煤灰、硅粉等掺合料的多少，内部孔结构的形式和孔隙率的大小等。水灰比越大，水泥水化速度越低，水化时留下的毛细孔越多，因此混凝土的抗渗性能越差。粉煤灰、硅粉等颗粒细小的掺和料加入混凝土能够填充内部空隙，使混凝土结构变得更加致密，增强了混凝土的抗渗性能。

提高混凝土自身的密实性、减少养护过程中内部微裂缝的产生、减小混凝土体积收缩率是增强混凝土抗渗性能的最有效最根本的方法。实际工程中常通过降低水灰比，添加硅粉、粉煤灰等措施来提高混凝土的抗渗性能。

1.3 混凝土抗渗试验研究方法

混凝土的抗渗试验研究有多种方法，我国试验规范标准中采用的是抗渗标号法，将6个高度为150mm圆台型试件安装在混凝土渗透仪上，从0.1MPa的水压力开始加压，每隔8h升0.1mm水压力，直到6个试件中有3个被水压力穿透到表面有水渗出为止。将此时的水压力值通过一个简单的线性关系换算成整数，这个整数即所谓的抗渗标号。该方法在实际工程中评价混凝土的抗渗性能十分合适，但因为其仅仅得到一个抗渗标号，对于科学研究来讲，数据缺乏直接性的对比。

另一种方法为渗透深度法，即将3个高度为150mm圆台型试件安装在混凝土渗透仪上，在1.2MPa的恒定水压力下放置24h，然后取下放置24h后再将试件用压力试验机劈裂开试件，劈裂面上水上升的高度即为渗透高度，将3个试件取平均值得到平均渗透高度。并通过公式(1)得到相对渗透系数，其可以作为混凝土抗渗性能的评价指标。

式中K-渗透系数法测量的渗透系数；

d-平均渗透高度（cm）；

v-混凝土的孔隙率；

t-恒定压力试件（s）；

H-水头高度（cm）。

采用此方法得到的渗透高度及相对渗透系数数据比较直观，便于直接对比和分析研究。因此本文采用此方法进行碳纤维混凝土的抗渗性能研究。

2 抗渗试验方案

2.1 碳纤维混凝土抗渗试验采用方法

根据试验的目的，该试验采用以上所说的渗透深度法，分别对素混凝土和0.8%碳纤维掺量的碳纤维混凝土进行抗渗试验，分别得出两组试件的渗透高度及相对渗透系数。

2.2 试件制作

试件的尺寸为175mm×185mm×150mm的圆台型，即试件上圆面直径为175mm，下圆面直径为185mm，试件高度为150mm。每组分别制作3个试件，共计6个试件。

基准混凝土强度选为C25，水泥为42.5R普通硅酸盐水泥，砂为天然细河沙，石子为碎石，最大粒径不超过10mm，减水剂为萘系减水剂。碳纤维使用威海拓展纤维有限公司生产的长度为25mm的CCF300-12K碳纤维，其性能指标见表1。

表1 碳纤维性能指标

配制基准混凝土试件强度为C25，试验配合比为水泥∶水∶砂∶石子=1∶0.55∶1.92∶3.27。素混凝土中减水剂质量为水泥质量的0.5%，碳纤维混凝土中减水剂质量为水泥质量的2.5%。采用外掺法掺入碳纤维，即保持基准混凝土的配合比各材料用量不变，碳纤维按体积率掺量控制掺入其中。

2.3 试验设备

试验采用混凝土渗透仪，允许最大工作压力4MPa/cm2，工作方式为自动调压，一次可安放6个试件；试件模具几何尺寸为175mm×185mm× 150mm；电动机功率为90W，转速1390r/min。

2.4 试验过程

（1）将养护28d的试件从养护室取出，因为试件表面潮湿时密封材料会粘不住，因此要晾晒一天确保其表面干燥。

（2）用刷子将试件的侧面均匀地涂一层融化了的石蜡和松香混合物，涂之前可以先将试件侧面在融化的石蜡和松香上滚一圈，再用刷子涂刷均匀，这样做可以使密封效果更好。融化了的石蜡和松香混合物拿出烘箱后很容易受冷凝固，因此在涂刷的过程中速度要快。

用压力试验机将试件经烘箱预热过（40～50℃）的套模中，冷却5min后解除压力。

（3）将套模安装在混凝土渗透仪上，要确保底座与套模之间螺丝拧紧以防试验过程中漏水漏气影响试验结果。

（4）将水压力设定为1.2MPa，恒定水压力24h。试验过程中要随时观察试件端面渗水情况，若水从两侧渗出说明密封性不好，应取下试件重新安装。

（5）加压24h后将套模取下，放置24h后用压力试验机沿两端面中部劈开试件，通过劈裂面测量水渗透液面高度。若水液面已渗透整个试件，则按照规范规定取其渗透高度为150mm。

图1 混凝土渗透仪

3 试验结果分析

在试验进行到20h左右时，3个素混凝土试件端面均已经有水渗出，这说明水已经渗透穿整个混凝土试件。根据规范规定取素混凝土的渗透高度为150mm。各试件的渗透高度见表2。

表2 各混凝土试件渗透高度值

图2 素混凝土渗透表面

图3 0.8%掺量碳纤维混凝土渗透表面

由试验结果可以看出，碳纤维混凝土的抗渗效果明显好于素混凝土，0.8%掺量的碳纤维混凝土渗透高度较素混凝土下降至少66%。根据公式（1）计算混凝土的相对渗透系数，其中混凝土孔隙率保守估算为8%。则素混凝土的相对渗透系数Ko为8.68×10-9cm/s，0.8%掺量碳纤维混凝土的渗透系数K1为1.08×10-9cm/s。

分析原因认为：碳纤维作为一种高强高弹性模量材料均匀加入混凝土内，一方面填补了内部空隙，使混凝土内部结构更加致密。另一方面碳纤维与水泥砂浆及集料紧密包裹在一起，起到了很多微细钢筋的作用。无论是在混凝土养护初期和后期，混凝土由收缩引起的拉应力由碳纤维承受，减小了混凝土承受的拉应力，使混凝土由拉应力产生的微裂缝减少，并阻滞了内部微裂缝的开展和贯通，阻碍了水分的流通线路，以此增强混凝土了的抗渗性能。

4 结语

碳纤维加入混凝土后使混凝土内部结构变得更加致密，并承担了由于干缩作用引起的拉应力，阻滞了内部微裂缝的开展和贯通。根据试验数据计算得到素混凝土的相对渗透系数Ko为8.68×10-9cm/s，0.8%掺量碳纤维混凝土的渗透系数K1为1.08×10-9cm/s，加入碳纤维明显改善了混凝土的抗渗性能。

[1]任彦华，程赫明，何天淳，等.碳纤维混凝土的力学性能试验研究[J].云南农业大学学报，2010(5).

[2]闫忠明.碳纤维混凝土抗渗性及导电特性研究[D].济南：山东大学，2010.

责任编辑：孙苏

Impermeability Test Study on Reinforced Concrete of Carbon Fiber

该文利用渗透高度法对素混凝土和碳纤维体积率掺量为0.8%的碳纤维混凝土进行渗透试验，得出各混凝土的渗透高度并计算相对渗透系数。理论分析碳纤维的加入对混凝土抗渗性能的影响。

碳纤维；混凝土；抗渗试验

Permeability height method is applied to test the plain concrete and carbon fiber concrete with volume rate dosage of 0.8%and gets the permeability height and relative permeability coefficient of each concrete.Impacts of the carbon fiber on concrete permeability performance are theoretically analyzed.

Carbon fiber;concrete;impermeability test

TU502

：A

：1671-9107（2013）01-0056-02

10.3969／j.issn.1671-9107.2013.01.056

2010-10-29

于良（1988-），男，山东德州人，在读硕士研究生，工程师，主要从事碳纤维混凝土力学性能及耐久性能研究。