浅谈碳纤维混凝土的基本特性及研究进展

2014-12-06孙玉军吴本清李俊飞

安徽建筑 2014年6期

孙玉军，吴本清，李俊飞

（青岛高新区工程质量检测有限公司，山东青岛 266111）

0 引言

碳纤维混凝土就是将短切碳纤维均匀的加入到普通混凝土中而制成的纤维增强水泥基复合材料。与普通混凝土相比,作为一种土木工程界新型的功能材料，它不仅具有抗拉强度高、极限抗拉应变大等良好力学性能,而且还具有温度和压力的自感知以及电磁屏蔽等机敏特性,并且其与混凝土结构相容性好，因此在大坝、桥梁、道路、原子能发电站、海洋结构物等大型复杂土木工程结构中的健康监测以及电子设备的电磁屏蔽等领域均具有广泛的应用前景[1]。

1 碳纤维混凝土的主要力学性能

表1为几种碳纤维的基本性能。由表1可见,碳纤维具有高抗拉模量和抗拉强度，因此，它的加入不仅可以提高混凝土的抗裂性、抗渗性，减少收缩变形，而且混凝土的力学性能亦得到明显改善，因此混凝土结构的抗疲劳特性以及抗震性均有所提高。

碳纤维的基本性能表1

1.1 抗拉强度

碳纤维表面光滑，因此与水泥基体的界面粘结力较弱，但碳纤维仍能显著提高混凝土的抗拉强度。通过试验表明，对于不同水灰比的短切碳纤维砂浆，当碳纤维体积掺入量在4.5%以下时，纤维体积掺入率每增加1%，其抗拉强度可至少提高0.66MPa甚至高达2.14MPa，并且随着混凝土中碳纤维含量的逐步提高，其增强效果也相应提高。当碳纤维体积掺入量达到5%时，碳纤维体积掺入量与混凝土的抗拉强度几乎接近于线性变化趋势[2]。一般来说，碳纤维增强混凝土的抗拉强度比不含碳纤维的普通水泥混凝土的抗拉强度高3倍左右。

碳纤维混凝土不仅具有较高的抗拉强度，而且其极限拉应力也得到较大增强，且在一定范围内随体积掺入量的增加而增加。试验表明，在掺入某些外加剂的作用下，对于碳纤维体积掺入量为3%的碳纤维砂浆，其极限抗拉应变可以达到其纯料浆的20～40倍[3]。较高的极限拉应力使混凝土结构的抗震性能得到了显著提高。

1.2 抗压强度和抗弯强度

试验表明，碳纤维砂浆的抗压强度随碳纤维体积掺入量的增加而降低，分析原因是由于在搅拌纤维的过程中带入了一定的气泡造成的。这种强度的下降可以通过加入适当的超细物料、外加剂和改善搅拌工艺等措施而得到一定的补偿。

随着纤维掺入百分率的增加，其抗弯强度也大致呈线性增加的趋势。试验表明，与素混凝土相比碳纤维混凝土的压缩韧度指数可提高60%～100%，并且随着纤维掺量的增加而增加。

2 碳纤维混凝土的压敏性能及温敏性能

2.1 碳纤维混凝土单次加载下的压敏性能

图1 碳纤维混凝土单次加载下的压敏特性

图1 为碳纤维混凝土在逐渐加压直至破坏的全过程中电阻率的典型变化曲线。由图可见，电阻率与压应力之间的关系可分为以下三个阶段:①AB段，压应力较小，电阻率随压应力的增加而减小;②BC段,此时压应力大约处在其强度的30%～40%，电阻率变化趋势平缓;③CD段，压应力处在其强度的40%以上，电阻率出现急速上升阶段。大量试验表明,碳纤维混凝土的电阻率在逐渐加压直至破坏的全过程中的变化形式基本相同，仅在数值上有微小差异。当碳纤维掺量大、电阻率较低时，AB段的变化幅值相对比较大，且变化比较稳定，而当碳纤维掺量小、电阻率较高时,AB段的变化幅值相对较小。

电阻率呈现如图1所示的变化规律，分析原因为:碳纤维混凝土是由导电性不良的水泥基体中均匀分散着导电性良好的碳纤维而形成的复合材料。在压应力的作用下,纤维间的水泥基材间隔变薄,纤维间的绝缘势垒相应减小,因此混凝土的电阻率显著降低;当压应力达到一定程度后,水泥基材间隔变薄造成电阻率下降，同时产生破坏裂纹和纤维断裂，从而造成电阻率的增加,当电阻率的升与降达到动态平衡时,数值保持相对稳定；如果压应力继续增加,混凝土内部产生大量的裂纹而趋于破坏,此时电阻率将因此而迅速升高。

2.2 纤维混凝土循环加载下的压敏性能

压应力与电阻率的变化率之间有很好的对应关系,在循环荷载作用下,电阻率随压应力的增大而减小，反之亦然。在初始几次,当卸荷为零时,由于纤维与砂浆的界面出现了微小的损伤,电阻率的变化率并不为零,随着循环次数的增加,电阻率变化率最大和最小值均相应减小,当达到150次以后逐步达趋于稳定[4]。

3 碳纤维混凝土的抗裂及抗渗性能

3.1 抗裂能力

经过特殊的生产工艺进行表面处理后的纤维，与水泥基料有极强的粘结力。通过对几种主要的混凝土增强塑料纤维丝进行研究，发现与其它几种纤维比较，此纤维可握裹更多的集料，因此与水泥基体有更强的结合力，在混凝土中的抗裂能力更为显著。由于纤维可以迅速而轻易地与混凝土材料混合，分布极其均匀、彻底，能在混凝土（砂浆）内部构成一种均匀的乱向支撑体系，从而产生一种极其有效的加强效果。

在混凝土（砂浆）中加入纤维，是控制混凝土塑性收缩、干缩等非结构性裂缝的有效手段；同时，还可以有效阻碍骨料的离析，保证混凝土早期均匀的沁水性，从而阻碍了沉降裂纹的形成。

但是，纤维是一种低碳横纤维，掺量少，对混凝土的抗压强度、抗折强度的提高几乎没有影响，因此不能作为结构性增强材料使用。

3.2 抗渗防水性能

纤维能大大增强混凝土或砂浆防水抗渗的能力。纤维可以有效地抑制混凝土早期干缩微裂及离析裂纹的产生和发展，减少混凝土的收缩裂缝，尤其能有效抑制连通裂缝的产生，降低混凝土表面的析水与集料的离析，可以极大地提高抗渗能力。因此，纤维在刚性自防水材料抗渗裂领域有显著效果。

3.3 抗冲击及抗震能力

混凝土中加入纤维凝固后，握裹水泥的高强纤维丝相粘连成为致密的、乱向分布的网状增强系统，有利于防止并控制微裂的产生和发展，增强混凝土的韧性。极大地保持了混凝土的整体强度，混凝土受冲击时纤维能吸收大量能量，从而有效减少集中应力的作用，阻碍混凝土裂缝的迅速扩展，增强混凝土的抗冲击及抗震能力[5]。这一特性对于受到冲击疲劳作用的一些混凝土结构（如道路、人行道、停车场、停机场等）是非常有用的。