碳纤维混凝土的抗渗性能试验研究

徐永芝, 陈丽芳

(许昌学院 土木工程学院，河南 许昌 461000)

大型水电工程和火电工程中的混凝土大坝及隧道等构筑物，对混凝土的抗渗性有极高的要求，一旦混凝土的抗渗性不足或遭到损坏，就会严重降低这些结构的使用功能，造成严重的污染和泄露事故.

国内外学者通过向混凝土中掺加纤维材料以提高混凝土的各项强度性能.龙志勤等[1]通过试验研究了不同掺量的碳纤维对泡沫混凝土抗压抗折力学性能的影响，研究结果表明：当碳纤维的掺量为0.6%时，碳纤维对泡沫混凝土的抗压抗折力学性能综合增强效果最为显著.王磊等[2]研究了碳纤维对混凝土的各项力学性能指标的影响，结果表明：合理的碳纤维掺量对于混凝土的抗压强度的增强效果不明显，对抗折强度的增强效果较显著.杜玉兵等[3]研究了掺入碳纤维后混凝土基体的抗蚀性能，试验结果表明，碳纤维能提高混凝土的抗侵蚀能力.

目前，关于纤维和硅粉等掺加物对混凝土抗渗性能的影响，国内外学者研究的较少.本研究利用正交试验法优化碳纤维和硅粉的合理掺量，探讨碳纤维对混凝土抗渗性的改善程度，以期为提高混凝土的抗渗性能提供可靠的实验数据和理论支持.

1 试验材料和试验方法

1.1 试验目的

通过水压法[4,5]测试碳纤维混凝土的抗渗性,研究影响混凝土抗渗性的各种因素及其规律.

1.2 试验材料

水泥选用P·O 32.5的普通硅酸盐水泥；河砂的细度模数为2.6，最大粒径为1 mm；普通碎石的最大粒径为16 mm；碳纤维采用上海新卡碳素有限公司生产的长度分别为6、10和15 mm的短切PAN基碳纤维(表1)、粉末型甲基纤维素分散剂、920U型硅粉和CNF-2高效减水剂.

表1 碳纤维的性能指标

1.3 配合比

试验以C40混凝土为例研究碳纤维对其抗渗性的影响.基本配合比、碳纤维的长度及掺量、硅粉和甲基纤维素的配合比如表2所示.

表2 碳纤维混凝土配合比

1.4 正交试验方案设计

采用正交试验法[6]设计混凝土的抗渗性试验.正交试验设计是建立在概率论、数理统计和实践经验基础上的一种安排试验方案的设计方法.它运用标准化正交表来灵活方便的安排试验，布点均衡，大大减少了试验次数，并且保证主要因素不会被漏掉，结果比较直观，易于分析，每个试验水平均重复相同的次数，可消除部分试验误差的干扰.因其具有正交性，易于分析出各因素的主效应，因而得到了广泛的应用.

本次试验研究碳纤维掺量及长度、甲基纤维素和硅粉4个因素对混凝土抗渗性的影响.选取的正交试验表为L16(45)，不考虑各因素的交互作用.

1.5 试验方法

1.5.1 碳纤维混凝土的制备

先将水加热至40 ℃，然后加入甲基纤维素并搅拌使其充分溶解，再加入碳纤维，搅拌并使其均匀分散，之后加入粗骨料和减水剂溶液，最后加入沙子和水泥的混合物，强制搅拌2 min出料，得到均质分散的碳纤维混凝土.

1.5.2 试件的浇筑

根据SD105-82《水工混凝土试验规程》，采用一次加压法进行相对抗渗性试验.抗渗试验采用上口直径为175 mm，下口直径为185 mm，高150 mm的圆台形试件，如图1所示.

图1 混凝土抗渗试件示意图

1.5.3 加载方法

试件养护28天后，在试验前一天取出，将表面晾干，然后在其侧面涂一层融化的石蜡，随即在螺旋加压装置上，将试件压入经烘箱预热过的试件套中，稍冷却后即可解除压力，连同试件套在抗渗仪上进行试验.将抗渗仪水压力一次加到0.8 MPa，恒压24 h，加压过程不大于5 min，达到稳定压力的时间作为记录起始时间(精确到min).如恒压过程中试件端面未出现渗水情况，将试件放在压力机上，沿纵断面将试件劈裂为两半，测试平均渗水高度，以此确定混凝土的抗渗性.

2 试验结果与分析

2.1 试验结果

在水压力不变的情况下，采用正交试验法安排试验，对17组试件进行了抗渗性能测试，每组取3个圆台试件，试验结果如表3所示.

表3 碳纤维混凝土的渗透高度

2.2 结果分析

采用极差R对影响混凝土抗渗性的各项因素的测试结果进行分析.极差R能体现一组数据波动的范围，极差越大离散程度越大，说明该影响因素的改变对试验指标的影响较大，是主要的影响因素.因此，利用渗透高度的试验结果，以碳纤维掺量、长度、甲基纤维素和硅粉为考核指标进行极差分析，结果见表4.

表4 渗透高度的极差分析

2.2.1 碳纤维的掺量对混凝土渗透系数的影响

根据试验的结果，可以看出，每一组试件中，混凝土的抗渗性随着碳纤维掺量的增加而提高.当碳纤维的掺量为0.4%时，抗渗效果较好，当碳纤维的掺量增加至0.5%时，混凝土渗透高度的极差较接近，抗渗性提高幅度较小.

2.2.2 碳纤维的长度对混凝土渗透性能的影响

由表中的极差可以看出，当碳纤维的长度分别为5、10、12和15 mm时，对混凝土的抗渗性影响程度基本一致，可以忽略碳纤维的长度对混凝土抗渗性的影响.

2.2.3 甲基纤维素对混凝土渗透系数的影响

由试验结果可以看出，当甲基纤维素的掺量为0.019%时，混凝土的抗渗性最好.这是因为随着碳纤维掺量的增加，其分散的均匀性变差，因此，增加甲基纤维素的掺量，将起到均匀分散碳纤维的作用.

2.2.4 硅粉对混凝土渗透系数的影响

由试验结果可以看出，随着硅粉掺量的增加，混凝土的抗渗性随之提高，硅粉对混凝土的抗渗性影响较大.

通过对试验结果的分析，可以看出：碳纤维的长度对混凝土的抗渗性影响可忽略，碳纤维和硅粉的掺量对抗渗性影响较大，需重新安排试验进行验证.

2.3 试验改进

为了进一步的得出准确的结论，根据以上试验结果，取三因素三水平，碳纤维的掺量取0.5%、0.6%和0.7%，甲基纤维素的掺量取0.019%、0.022%和0.025%，硅粉的掺量取0.12%、0.15%和0.18%，采用L9(34)的正交表重新安排试验.试验结果如表5所示.

表5 碳纤维混凝土配合比的改进试验方案及数据分析表

根据表5的极差分析结果，可看出碳纤维的掺量对混凝土的抗渗性影响较大，当碳纤维掺量为0.5%时，抗渗效果最好，随着掺量的增加，混凝土的抗渗性反而降低，这可能是因为随着掺量的加大，碳纤维的分布不均匀导致抗渗效果变差，这也说明随着碳纤维掺量的增加，甲基纤维素对碳纤维的分散能力减弱.同时可看出，当硅粉的掺量达到0.15%以后，对混凝土的抗渗性影响变化不大.根据正交试验结果可以判断，碳纤维、甲基纤维素及硅粉的最佳掺量分别为0.5%、0.019%和0.18%.按照该配合比重新进行试验，测得混凝土的渗透高度为2.7 cm.比标准混凝土的渗透高度减少3 cm，降幅达52.6%.

3 结论

本研究基于正交试验方法，对碳纤维混凝土进行了配合比设计，分析了碳纤维掺量、甲基纤维素和硅粉等因素对混凝土抗渗性能的影响，得出各个因素对抗渗性的影响顺序，对于碳纤维混凝土的抗渗性的影响指标，其影响顺序为：碳纤维掺量>硅粉>甲基纤维素>碳纤维长度.根据第一次试验的正交试验结果，重新设计配合比，碳纤维的掺量取0.5%、0.6%和0.7%，甲基纤维素的掺量取0.019%、0.022%和0.025%，硅粉的掺量取0.12%、0.15%和0.18%.试验结果表明：当碳纤维、甲基纤维素和硅粉的掺量分别为：0.5%、0.019%和0.18%时，混凝土的渗透高度最小，仅为2.7 cm，比标准混凝土的渗透高度减少3 cm，降幅达52.6%.

参考文献：

[1] 龙志勤,王志刚. 碳纤维掺量增强泡沫混凝土性能试验研究[J]. 轻工科技, 2016(4):21-22.

[2] 王 磊,王国旭,邓雪莲.不同掺量碳纤维珊瑚混凝土力学性能试验研究[J].中国农村水利水电,2014(9):148-156.

[3] 杜玉兵,荀 勇,刘小艳. 碳纤维织物增强混凝土薄板抗海水侵蚀性能研究[J]. 混凝土,2008,227(9):53-57.

[4] 张 宁.碳纤维混凝土结构裂缝智能检测技术研究[D]. 济南:山东大学,2009.

[5] Bing Chen, Juan yu Liu. Damage in carbon fiber-reinforced concrete, monitored by both electrical resistance measurement and acoustic emission analysis [J]. Original Research Article Construction and Building Materials, 2008,22(11): 2 196-2 201.

[6] 李井永. LC40硼泥陶粒混凝土正交试验研究[J]. 沈阳建筑大学学报:自然科学版, 2014,3(30):491-497.