碳纤维混凝土抗裂性能的试验研究

刘志龙，杜向琴

（安庆职业技术学院，安徽 安庆 246003）

碳纤维混凝土抗裂性能的试验研究

刘志龙，杜向琴

（安庆职业技术学院，安徽 安庆 246003）

采用圆环试验法研究了碳纤维体积掺量对混凝土抗裂性的影响，并结合复合材料理论和纤维间距理论对碳纤维的抗裂机理进行了分析探讨.结果显示：碳纤维的掺入能延缓裂缝的出现，有效抑制裂缝的扩展；碳纤维掺量越大，试件开裂越晚，主裂缝宽度越小，试件抗裂性越好；用复合材料理论和纤维间距理论分析碳纤维对混凝土抗裂性的增强作用，得出的结论与试验结果是一致的.

碳纤维混凝土；抗裂性；开裂时间；裂缝宽度

碳纤维混凝土是以混凝土为基材，以碳纤维这种高强度、高模量的材料为增强基而形成的新型复合材料.研究表明：在混凝土中掺入纤维可有效改善混凝土的力学性能和耐久性能，提高混凝土的抗压强度、抗拉强度和抗弯强度[1-4].但在纤维混凝土抗裂性研究方面，成果主要集中于钢纤维和聚丙烯纤维[5-8]，碳纤维对混凝土抗裂性影响的研究还不够成熟.本文在已有研究的基础上，采用圆环试验法比较分析了不同体积掺量下碳纤维对混凝土抗裂性的影响，并对其抗裂机理进行了分析探讨.

1 原材料和试验方法

1.1 试验原材料

本试验水泥采用天柱牌P.O 42.5普通硅酸盐水泥；细骨料采用机制砂，表观密度2.75g/cm3，细度模数为2.68；粗骨料采用天然连续级配碎石，粒径-105mm，级配合理，表观密度2.71g/cm3，粗、细骨料的含泥量及有害物质含量均符合规范规定；粉煤灰为I级，细度9.5%；碳纤维为日本东邦碳纤维公司生产的IM400-12K碳纤维，各项性能指标见表1；减水剂为UNF-5型萘系高效减水剂（减水率22%）；拌合水采用自来水.

1.2 试验配合比

设计混凝土基准强度为C40，配合比为：水胶比0.4，胶凝材料455kg/m3，粗细骨料712kg/m3，砂率为28%，减水剂掺量为胶凝材料的2%，粉煤灰掺量为胶凝材料的20%.

1.3 试验方法

（1）本文采用圆环法来评价混凝土的抗裂性.试件尺寸为：内径305mm，外径425mm，高100mm.具体试验方法为：将新拌合的混凝土浇入圆环模具，每组制备3个试件，采用机械振动成型，分两层填筑，同时每层用振捣棒插捣75次至试件密实.成型后，将试件连同模具一起移入养护室养护，养护24h后拆除外环，并用石蜡密封试件上表面，以防水分蒸发[9].

（2）为有效监测试件的应变发展，在钢环内表面粘贴4片应变片，并将其连接在应变仪上，通过数据采集系统记录各应变片的应变值，记录试件的开裂时间、试件顶面和外侧面的裂缝数量、裂缝长度、宽度及随时间的发展变化情况.试件测试在恒温恒湿环境下进行，温度（23±2）℃，相对湿度（50±4）%，养护龄期为28d.

（3）为较全面的研究碳纤维对混凝土抗裂性的影响，结合已有研究基础[10]，本试验中碳纤维体积掺量取0.04%、0.07、0.10%、0.15%和0.20%，分别用 CF04、CF07、CF10、CF15、CF20表示.

（4）由于碳纤维在混凝土中难于均匀分散，且其掺入会降低混凝土的流动性，故加入减水剂并采用干湿拌合法以提高混凝土分散的均匀性和乱向性，即先将粗、细骨料投入搅拌机搅拌30s，再加入碳纤维搅拌90s，最后加水搅拌3min即可.

2 试验结果及分析

2.1 开裂时间与裂缝数量

各组圆环试件的开裂时间和裂缝数量见表1.从开裂时间来看，掺碳纤维试件的开裂要明显迟于素混凝土试件，碳纤维掺量越大，裂缝出现的越晚.从开裂时的裂缝数量来看，素混凝土圆环试件开裂时仅出现一条贯穿裂缝，CF04、CF07和CF10圆环试件开裂时出现1条主裂缝和1条次裂缝，次裂缝长度约为主裂缝的1/2；CF15和CF20圆环试件开裂时出现1条主裂缝和2条次裂缝，次裂缝呈对称形态分布于主裂缝两侧，长度约为主裂缝的1/3.可以得出，碳纤维的掺入延迟了裂缝的出现，纤维掺量越大，裂缝出现越晚；次裂缝的出现有助于减轻由于收缩而积聚在混凝土内部的能量，预期将减小主裂缝的宽度，从而提高结构构件的整体性.

表1 圆环试件开裂时间和裂缝数量

2.2 裂缝宽度

图1为不同碳纤维掺量下圆环试件主裂缝宽度随时间的变化图，表2归纳出了各试件主裂缝发展的几个阶段.可以看出：素混凝土的开裂时间明显早于碳纤维混凝土，裂缝发展的速度也快得多；碳纤维混凝土试件的主裂缝发展与碳纤维掺量密切相关，掺量越大，主裂缝宽度发展稳定期越早，快速发展期越靠后，这对提高混凝土的抗裂性非常有利.

在混凝土养护的早期，其抗拉强度非常低，难以抵抗各种收缩引起的拉应力，以致出现裂缝，故早期主裂缝发展速度较快；随着养护龄期的增加，混凝土抗拉强度逐渐增大，能够抵御部分拉应力，故主裂缝发展速度减缓；当养护龄期达14天左右时，裂缝宽度趋于稳定，这一方面因为引起混凝土收缩的因素减弱了，另一方面是混凝土的抗拉强度明显增长，能够抵抗内部的拉应力.

图1 圆环试件主裂缝宽度

表2 主裂缝发展趋势

2.3 抗裂机理

由于碳纤维细而短的特性，它在混凝土中是以“三维乱向”形态分布的，目前没有任何一种理论可以准确建立碳纤维在混凝土中的分布模型.尽管碳纤维在土木工程领域的优良性能已得到大量理论研究与实践应用的证实，但其增强机理仍然是非常复杂的，仍在不断的探讨、完善和发展中.目前可以用来阐述碳纤维对混凝士增强机理的学说有“复合材料理论”和“纤维间距理论”[11].

2.3.1 复合材料理论

根据复合材料理论，碳纤维混凝土的材料性能为碳纤维和混凝土两者性能的叠加值.碳纤维混凝土开裂前的应力表达见式（1）.

式中：σfc——复合材料的平均应力；

σm——基体的应力；

σf,Vf——纤维的应力和体积率；

η0——纤维方向有效系数；

ηl——纤维长度系数.

由式（1）可知，在考虑短纤维分布的乱向性和长度的不连续性的前提下，复合材料的应力为基体和纤维应力与各自体积率乘积的加和值.由于碳纤维的抗拉强度远远高于混凝土，故能显著提高基体的抗裂性，体积掺量越大，抗裂性提高越明显，该结论与试验结果是一致的.

2.3.2 纤维间距理论

纤维间距理论认为混凝土内部有尺度不同的微裂缝、孔隙和缺陷，欲提高混凝土的强度和韧度，必须尽可能减小缺陷程度，降低混凝土缺陷端部的应力集中系数.向脆性混凝土基体中掺入纤维，可提高混凝土的抗拉强度，缩小或减少裂缝的尺度和数量，缓和裂缝尖端的应力集中程度，能阻止裂缝的发生和发展，从而起到增强增韧的作用.

3 结语

本文通过圆环试验法研究了碳纤维体积掺量对混凝土抗裂性的影响，并结合复合材料理论和纤维间距理论分析了碳纤维的抗裂机理，得出以下结论：

（1）碳纤维的掺入能有效延缓裂缝的出现，碳纤维掺量越大，开裂时间越迟；次裂缝的出现有助于减轻由于收缩而积聚在混凝土内部的能量，有助于提高结构构件受荷时的整体性；

（2）碳纤维的掺入明显减小了裂缝的宽度，有效抑制了裂缝的扩展，碳纤维掺量越大，主裂缝宽度快速发展期越靠后，裂缝发展的稳定期出现越早.试件养护14d后，素混凝土和碳纤维混凝土的裂缝发展均趋于稳定.

（2）用复合材料理论和纤维间距理论来分析碳纤维对混凝土抗裂性的增强作用，其结论与试验结果是一致的.

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〔11〕高丹盈,刘建秀.钢纤维混凝土基本理论[M].北京:科学技术文献出版社,1994.95-98.

TV431.3

A

1673-260X（2016）11-0052-02

2016-07-11

安徽省优秀青年人才支持项目（gxyqZD2016514）；安徽省自然科学研究项目（KJ2012B091）