碳纤维混杂纤维混凝土高温后力学性能试验研究

靳 巍 巍

(上海雷谷建筑科技有限公司，上海 201615)



碳纤维混杂纤维混凝土高温后力学性能试验研究

靳 巍 巍

(上海雷谷建筑科技有限公司，上海 201615)

通过高温电阻炉持续加热掺入碳纤维与碳纤维混杂纤维的混凝土，分析了在不同温度加热后，各种纤维混凝土物理力学性能的变化情况，通过设置温度变量，定量分析了不同温度下混杂纤维混凝土的变化与损伤规律，试验结果表明混杂纤维提高了混凝土的安全性。

混杂纤维混凝土，碳纤维，高温，力学性能

0 引言

高温时及高温后混凝土的材料性能是研究混凝土结构和构件性能的基础。普通混凝土作为常用建筑材料，是一种非匀质复合材料。各组成材料的热工性能及力学性能有悬殊的差距，并且在经过高温环境后会产生大量复杂的物理及化学变化。而普通混凝土在掺入了混杂纤维以后，本身力学性能在各方面有所变化。要准确评估混杂纤维混凝土在高温后的损伤程度和残余承载力，以便选择出最佳的纤维掺加方案。为了取得最合理的纤维掺入方案，有必要对混杂纤维混凝土的高温性能进行全面的研究。

近年来，纤维混凝土被广泛用于道路、桥梁以及军事建筑等领域，对混杂纤维混凝土高温后的各项力学性能有更加深入透彻的研究。单一纤维混凝土往往只能在某些有限的方面发挥自己的优点，如：聚丙烯纤维虽然增强效果不佳，但可以显著提高混凝土的韧性和延性[1]。但是单纯加入聚丙烯纤维容易受到制作工艺的影响导致纤维无法分散均匀，从而难以达到设计要求。而二元纤维混杂甚至三元纤维混杂则能解决混凝土单方面性能提高的问题。目前研究较多的是钢纤维、碳纤维、玻璃纤维等高弹模纤维与聚丙烯纤维、乙纶、丙纶等低弹模延性较高合成纤维混杂[2]。

关于混杂纤维混凝土高温后力学性能的研究还处于探索阶段，各研究成果不尽相同。

本文对掺入不同混杂纤维后的混凝土进行20 ℃，200 ℃，400 ℃,600 ℃,800 ℃五个温度段，时间为6 h的加热。高温加热结束后放置于炉膛内冷却24 h后取出进行质量损失、弹性模量和单轴抗压强度的测量。并探究其在高温后的表现和高温对混凝土各项力学性能的影响，从而找到一种相对安全有效的二元或三元纤维混杂组合，能够使得混凝土各项性能有较大的提高。这些研究成果可为需要高强度和高延性建筑提供可靠的参考和科学依据。

1 试验介绍

1.1 实验材料

水泥采用上海海螺水泥有限公司生产的32.5级普通硅酸盐水泥；粗骨料为连续级配的碎石(最大粒径为25 mm)；细骨料为颗粒级配属于级配Ⅱ区的中砂，表观密度为2 700 kg/m3；聚丙烯纤维采用束状单丝聚丙烯纤维，长度9 mm；碳纤维采用束状单丝碳纤维，长度6 mm；钢纤维采用波浪形钢纤维。

1.2 试件设计与试件制作

本次试验共制作了80块试块，其尺寸为100 mm×100 mm×100 mm。试验中采用了5组混凝土试件，分别为钢纤维、碳纤维与聚丙烯纤维混杂混凝土、钢纤维与碳纤维混杂混凝土、碳纤维与聚丙烯纤维混杂混凝土、碳纤维混凝土以及普通素混凝土。其中普通素混凝土作为参照组用来与其他4组进行对比。5组不同编号的试件分别进行20 ℃，200 ℃，400 ℃，600 ℃，800 ℃五种不同目标温度的加热。加热时间为6 h，升温速度为10 ℃/min。各组试件编号和纤维掺量如表1所示。

表1 混凝土试件设计

本试验中基准混凝土强度等级设计C35，配合比见表2(除添加不同比例的各种纤维外，其他材料及配合比与普通混凝土一致)。本试验中的纤维添加量属于低掺量，即所掺纤维重量相对于混凝土自重可忽略不计。试件制作完成后将其放入空调房(恒温20 ℃)中养护，24 h后用拆模器拆模随后搬入标准养护室中(20 ℃±3 ℃，相对湿度90%以上)养护28 d，再将试件常温下放置3 d。

表2 基准混凝土配合比 kg/m3

待试件表面水分晾干后放入高温箱式电阻炉(SMF1900-50型)进行高温试验，升温速率为10 ℃/min，达到制定温度后恒温6 h，以保证试件内外温度一致。高温后试件的冷却方式采用炉膛内自然冷却至室温。

2 试验结果

2.1 高温后试件的表观形态

高温作用后试件外观会发生一系列变化，温度达到200 ℃时，混凝土试块与常温下混凝土试块相比灰色加深，为青灰色，外观完整，未出现缺角、裂缝等现象；温度达到400 ℃时，混凝土试块颜色变浅，为浅灰色，外观完整，未出现缺角、裂缝等现象；温度达到600 ℃时，混凝土试块颜色略趋向暗红色，部分试块出现裂缝和缺角现象；温度达到800 ℃后，混凝土试块颜色为浅棕色，有明显的烧焦痕迹，外观不完整，有裂痕，掺有聚丙烯纤维的试块有部分出现爆裂掉皮现象，且混凝土明显疏松。

2.2 质量损失率

通过将各温度处理后的试块质量和常温下试块质量进行比对，得出了5种不同种类混凝土试块的质量损失率折线图，见图1。将素混凝土N的质量损失率折线作为参考系，比对4种含碳纤维混凝土质量损失和温度的关系。

试验结果表明纤维的掺入在200 ℃时并未对混凝土试件的质量损失产生影响。

当温度达到400 ℃时折线图出现了分歧，掺入了单一碳纤维的混凝土C质量损失率最低，为2.84%。作为参考系的素混凝土N和两种混杂纤维混凝土SC，PC的质量损失几乎一致。而M型混杂纤维混凝土质量损失率最高，达到了3.62%。这说明碳纤维的掺入在400 ℃情况下，从某种方面抑制了混凝土内自由水的散失。而M型混杂纤维混凝土在400 ℃时因为导热系数要高于混凝土，试件内部的钢纤维可较快传导热量并且使得钢纤维与骨料的联接性下降。而且因为M型混凝土内纤维种类和含量较高，使得混凝土本身不够紧密，导致自由水散发更快。

当温度达到600 ℃时，5种混凝土的质量损失开始贴近，差距缩小至可以忽略。说明在500 ℃～600 ℃阶段主要是因为氢氧化钙晶体的分解导致质量损失的提高，纤维种类和掺量对此过程的影响不大[3]。

当温度达到800 ℃时，发现质量损失率提升的速度有所下降，并且几种混凝土的质量损失率数据相差不大。所以可以得出碳纤维、钢纤维和聚丙烯纤维的掺入与混凝土800 ℃后的质量损失并没有什么直接关联。

2.3 抗压强度

将各温度处理后的试块进行单轴抗压强度的测试，得出了5种不 同种类混凝土试块随温度变化的抗压强度变化曲线，见图2。将素混凝土N的抗压强度折线作为参考系，比对4种含碳纤维混凝土抗压强度随温度变化的相对关系。

试验结果表明，随着温度的升高，混凝土试件抗压强度的总体趋势是下降的。其中，N型混凝土作为参考系，试验所得出的结果与相关参考文献中所描述的大体一致[4]。

其中，C，SC，PC型混凝土试件的抗压强度与N型混凝土的下降趋势整体一致，都是随着温度的上升而下降。并且在温度达到600 ℃的时候抗压强度会有大幅度的降低。其主要原因是混凝土中Ca(OH)2分解导致的抗压强度下降。但相对来说SC型混凝土由于钢纤维的加入，较大的提高了混凝土的整体抗压强度，使得SC型混凝土在600 ℃之前的强度要高于其余3种纤维混凝土，在600 ℃之后的强度高于包括N型混凝土试件在内的所有种类试件。这说明钢纤维混凝土在温度不超过800 ℃的情况下，对混凝土试块的抗压强度能得到持续加强的作用。

C型混凝土高温后抗压强度总体趋势是随温度的增高而下降，但在400 ℃时其抗压强度出现了一个不降反升的现象。在排除实验误差并参照碳纤维本身性能之后，认为此处强度的提高是因为碳纤维在高温下，碳纤维的石墨化程度提高，碳纤维在高温处理过程中石墨微晶堆叠厚度逐渐提高，碳纤维本身强度增加[5,6]，并使碳纤维在400 ℃左右对混凝土的抗压强度支撑得到了最大增强。而其后混凝土产生了化学分解，导致混凝土试件整体结构变得松散，与碳纤维的粘结性降低，碳纤维对混凝土的抗压强度支撑失去了作用。所以C型混凝土的抗压强度在400 ℃之后又恢复了和其他种类混凝土试件相同的下降趋势。

而PC型与SC型混凝土的抗压强度没有在400 ℃时有明显的上升，是因为添加了其他的纤维，导致其中的力学变化并不纯粹。添加了聚丙烯纤维和碳纤维的PC型混凝土，因为聚丙烯纤维的掺入使得PC型混凝土抗压强度处在本组试验中最低的位置，因为其中的聚丙烯纤维与碳纤维都未能起到增强其抗压强度的功能。聚丙烯纤维掺入混凝土最主要的功能是增强混凝土在高温下抗爆裂的能力[7]，碳纤维性能与聚丙烯纤维相结合能起到高温防爆裂和混凝土增韧的效果。相对来说SC型混凝土和M型混凝土中钢纤维能起到增强抗压强度的作用，碳纤维起到增韧和形成纤维网络增强混凝土整体性的效果，聚丙烯纤维起到在低温情况下形成纤维网络和在高温状况下形成孔道防止混凝土爆裂的效果。将3种纤维混合起来的M型混凝土的抗压强度要比PC型混凝土抗压强度高，这说明M型混凝土吸收了三种纤维的特性，达到了混杂纤维混凝土在抗压强度方面希望达到的性能。

2.4 杨氏模量

杨氏模量是描述固体抵抗形变能力的物理量，本次试验所测得的杨氏模量绘制出的折线图如图3所示。总体趋势依然是杨氏模量E随温度的升高而下降，但在200 ℃时普遍有所提高。普遍认为在200 ℃时因为温度的原因使得混凝土中的水化反应加快，最终导致混凝土完整性加强，杨氏模量提高，更加不容易产生变形，这种变化主要是水化物本身的变化，与纤维的种类与掺量关系并不大[3]。

从图3中我们可以看出，从400 ℃开始，添加了纤维的4组混凝土试块相对参考组普通混凝土试块而言，其弹性模量始终处于随着温度的上升而平稳下降，没有出现骤降的情况。而普通混凝土在600 ℃之后弹性模量产生了骤降，即是由于其中的胶结物质破坏而导致骨料颗粒间无法紧密连接[8]。而添加了纤维的混凝土试块具有低弹模、高韧性的特点[9-11]。所以在随着温度升高的变化中，纤维混凝土的弹性模量逐渐降低，但不会和普通混凝土一样产生突然破坏的情况。

3 结语

1)混凝土中的碳纤维在400 ℃情况下可以一定程度上抑制混凝土内自由水的流失，而混凝土中的钢纤维会加速传导热量导致自由水蒸发加速。2)碳纤维混杂纤维混凝土较普通混凝土而言，提高了韧性，降低了强度。并且混杂纤维混凝土在600 ℃之后的强度下降比普通混凝土平缓，因此不易出现混凝土爆裂而完全破坏的现象。3)混杂纤维混凝土的弹性模量较普通混凝土更低，其中混杂了碳纤维或聚丙烯纤维的混凝土的弹性模量最低。

而钢纤维能相对提高混凝土的弹性模量，提高混凝土的刚度和抗压强度。4)碳纤维的加入提高了混凝土的整体性，在钢纤维的帮助下可以很好的提高混凝土的安全性能。

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Study on the mechanical properties of mixed carbon fiber concrete after high temperatures

Jin Weiwei

(ShanghaiLeiguBuildingScience&TechnologyCo.,Ltd,Shanghai201615,China)

The test which is about carbon fiber concrete and mixed carbon fiber concrete under high temperature for hours is conducted. We analyze the changes of basical mechanical properties and micro-structure of different mixed fiber concrete which is after different high temperatures. According to set temperature variable, we analyze the changes and damage of mixed fiber concrete which are after different high temperatures. The experimental results show that mixed fiber increase the safety of concrete.

mixed fiber concrete, carbon fiber, high temperature, mechanical property

1009-6825(2016)13-0125-03

2016-02-29

靳巍巍(1982- )，男，硕士，工程师

TU528.1

A