碳化环境下碳纤维-混凝土复合材料的耐久性分析∗

毕 磊 刘 源

（1.陕西职业技术学院建筑工程学院，西安 710038； 2.中国建筑西北设计研究院结构技术研究中心，西安 710018）

混凝土是当前使用最为广泛的材料之一，由于混凝土所处的环境较为恶劣和复杂，不少学者通过数值模型和试验方法分析研究在碳化环境下的混凝土性能变化。在数值模型方面，许多研究者通过混凝土的水灰比、配合比和环境因素等因素，建立了混凝土的碳化模型，并且根据实测的实验数据验证了模型的有效性[1-9]。数值模型方法尽管能够较为方便地计算分析出碳化环境下混凝土的性能演变规律，但该方法的基础主要还是基于试验数据，即通过大量的试验得出混凝土的变化规律，在此基础上进行拟合或修正计算。可见，不同的试验对模型的影响较大，试验方法是分析混凝土性能演变规律的最佳方法。

在试验方法方面，以往的研究采用矿物掺合料：如粉煤灰、硅灰、矿渣等，纤维类材料：如聚丙烯纤维和钢纤维等，来制备高性能混凝土，提高混凝土的耐久性性能[10-24]。结果表明，该方法能够有效提高混凝土的上述性能，但由于混凝土所处环境往往较为复杂多样，如碳化环境、盐酸环境和硫酸环境等，因此需要进一步分析腐蚀环境下的混凝土耐久性性能变化。目前被广泛运用于提高混凝土耐久性性能的纤维材料除了上述所示的聚丙烯纤维和钢纤维外还有聚乙烯纤维、碳纤维等[25-27]。其中，在相同掺量下，碳纤维对材料的性能改进效果好[28]，在混凝土材料中的效果强于聚乙烯纤维和聚丙烯纤维[29-35]。但在碳化环境下，碳纤维-混凝土的最佳掺量及性能变化规律研究较少。

从已有的研究成果可以得出，活性碳纤维对混凝土的耐久性性能的提升效果要好于矿物掺合料及大部分纤维类材料。因此本文通过在混凝土中掺入不同含量的活性碳纤维来考察纤维掺量对混凝土抗碳化能力的影响。通过调整碳化养护试件和二氧化碳浓度，进一步分析这两种因素对碳纤维-混凝土复合材料的影响，同时试验探究这三种因素对混凝土的坍落度、含气量和抗压强度的影响变化规律。本研究可为高性能混凝土的设计及制备提供试验依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料中的P.O. 52.5 水泥由贵阳如佳建材有限公司生产，其化学成分如表1 所示；粗/细骨料由郑州中德泽润建筑材料有限公司生产，其堆积密度分别约为1 480 kg/m3和1 630 kg/m3；碳纤维由河北富瑞复合材料有限公司生产，其抗拉强度约为2 500 MPa，剪切强度为60 MPa，弹性模量约为180 GPa，直径约为8 μm，长度为12 mm；水为普通饮用水。根据上述材料，配制混凝土，其配合比如表2 所示。

表1 水泥化学组成Tab.1 Composition of cement

1.2 设备

TLD-A坍落度测试仪，上口直径：100 mm，下口直径：200 mm，高：300 mm，绍兴市上虞汤圆嘉仪器制造有限公司；HC-7L含气量测定仪，容积约为7L，含气量量程小于10%，精度为0.1%，沈阳兴路达检测仪器有限公司；WDS-50 万能力学试验机，最大压力为2 000 kN，上下承压板尺寸220 mm×250 mm,上下压板最大间距为320 mm，济南万测电气设备有限公司。

1.3 试验方法

为提高混凝土的耐久性能，在混凝土中分别掺入含量为0%、0.5%、1%和2%的碳纤维。根据GB50666—2011《混凝土结构工程施工规范》，按照表2 的配合比制备60 件标准混凝土试块，即每组试验3 块试件。将制备好的试件放入碳化箱中分别进行碳化养护1 h和2 h，养护环境二氧化碳浓度分别为0%、20%、60%、80%和100%。然后分别根据GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》、GB50164—2011《混凝土质量控制标准》、GBJ204—83《钢筋混凝土工程施工及验收规范》测定坍落度、含气量和抗压强度。

表2 混凝土配方Tab.2 Composition ratio of concrete

2 结果与分析

2.1 坍落度变化趋势

在混凝土中掺入含量为0%、0.5%、1%和2%的碳纤维，测试混凝土在不同碳化环境（0%、20%、60%、80%、100%）及不同养护时间（1、2 h）下坍落度的演变关系，结果如图1 所示。由图1 可见，在相同的二氧化碳浓度（100%）和相同的养护时间（1 h）下，当纤维掺量在0～1%之间时，随着纤维掺量的增加，混凝土坍落度逐渐下降；而纤维掺量在1%～2%之间时，随着纤维掺量的增加，混凝土的坍落度增加。如当无纤维时（0%），混凝土坍落度为94 mm；在纤维掺量为0.5%、1%、2%时，混凝土坍落度分别为88、85、87 mm。这主要是因为，一方面少量的纤维能够填充混凝土内部之间的空隙，提高混凝土的密实度，降低混凝土的坍落度。但另一方面，过量的纤维会粘接在混凝土表面，使得混凝土的坍落度下降。因此，建议碳纤维的掺量为1%。

在相同的纤维掺量下，混凝土坍落度随着二氧化碳浓度的增加而逐渐增加，并且随着浓度的增加，混凝土坍落度的增长率也逐渐增加。如当纤维掺量为1%时，二氧化碳浓度为0%时，混凝土的坍落度为63 mm；在20%、60%、80%、100%的二氧化碳浓度下，混凝土坍落度分别为66、71、77、85 mm。这是因为在二氧化碳的侵蚀下，混凝土内部空隙被破坏，泡孔出现坍塌，造成混凝土的致密性下降，因此坍落度增加。对比图1a和b可得，随着二氧化碳养护时间的增加，混凝土坍落度也逐渐增加。如当纤维含量为1%时，二氧化碳浓度为100%时，养护1 h后的混凝土坍落度为85 mm；养护2 h后的混凝土坍落度为90 mm。这是因为随着养护时间的增加，混凝土内部空隙被二氧化碳逐渐侵蚀，导致混凝土的密实性进一步下降，混凝土坍落度增加。

图1 坍落度的变化趋势Fig.1 Change trend of slump

2.2 含气量变化趋势

在混凝土中掺入含量为0%、0.5%、1%和2%的碳纤维，测试混凝土在不同碳化环境（0%、20%、60%、80%、100%）及不同养护时间（14、28 d）下含气量的演变关系，结果如图2 所示。由图2 可知，在相同的二氧化碳浓度（100%）和相同的养护时间（14 d）下，当纤维掺量在0%～1%之间时，随着纤维掺量的增加，混凝土的含气量逐渐下降；而纤维掺量在1%～2%之间时，随着纤维掺量的增加，混凝土含气量增加。如当无纤维时（0%），混凝土含气量为8.0%；在纤维掺量为0.5%、1%、2%时，混凝土含气量分别为7.7%、7.4%、7.5%。这是因为纤维类材料具有活性，能够促使混凝土内部的化学生成进展加速，从而提高混凝土的孔隙率，降低混凝土的含气量。由上分析可知，碳纤维的较佳掺量为1%。

在相同的纤维掺量下，混凝土的含气量随着二氧化碳浓度的增加而逐渐增加，并且随着浓度的增加，混凝土含气量的增长率也逐渐增加。如当纤维掺量为1%时，二氧化碳浓度为0%时，混凝土含气量为6.3%；在20%、60%、80%、100%的二氧化碳浓度下，混凝土含气量分别为6.4%、6.6%、7.0%、7.4%。这是因为二氧化碳通过硬化混凝土细孔渗透到混凝土内，与其碱性物质发生化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土碱性降低，含气量增加。对比图2a和图2b可得，随着二氧化碳养护时间的增加，混凝土含气量也逐渐增加。如当纤维含量为1%时，二氧化碳浓度为100%时，养护14 d后的混凝土含气量为7.4%；养护28 d后的混凝土含气量为7.7%。这是因为随着养护时间的增加，混凝土内部空隙被二氧化碳逐渐侵蚀，导致混凝土的密实性进一步下降，含气量增加。

图2 含气量的变化趋势Fig.2 Change trend of air content

2.3 抗压强度变化趋势

在混凝土中掺入含量为0%、0.5%、1%和2%的碳纤维，测试混凝土在不同碳化环境（0%、20%、60%、80%、100%）及不同养护时间（14、28 d）下的抗压强度的演变关系，结果如图3 所示。由图3 可见，在相同的二氧化碳浓度（100%）和相同的养护时间（14 d）下，当纤维掺量在0%～1%之间时，随着纤维掺量的增加，混凝土的抗压强度逐渐上升；而纤维掺量在1%～2%之间时，随着纤维掺量的增加，混凝土的抗压强度下降。如当无纤维时（0%），混凝土的抗压强度为35.9 MPa；当纤维掺量为0.5%、1%、2%时，混凝土的抗压强度分别为37.2、39.6、38.9 MPa。这主要是因为，一方面纤维能够填充混凝土内部之间的空隙，提高混凝土的抗压强度。但另一方面，纤维本身无任何强度，过量的纤维会导致混凝土的抗压强度下降。因此，碳纤维掺量以1%为佳。

图3 抗压强度的变化趋势Fig.3 Change trend of compressive strength

在相同的纤维掺量下，混凝土的抗压强度随着二氧化碳浓度的增加而逐渐下降，混凝土抗压强度的降低率也随着浓度的增加而逐渐增大。如当纤维掺量为1%时，二氧化碳浓度为0%时，混凝土的抗压强度为54.7 MPa；在20%、60%、80%、100%的二氧化碳浓度下，混凝土的抗压强度分别为53.5、50.9、45.7、39.6 MPa。这是因为在二氧化碳的侵蚀下，混凝土内部空隙被破坏，泡孔出现坍塌，造成混凝土的致密性下降，抗压强度增加。对比图3a和图3b可得，随着二氧化碳养护时间的增加，混凝土抗压强度逐渐降低。如当纤维含量为1%时，二氧化碳浓度为100%时，养护14 d后的混凝土抗压强度为39.6 MPa；养护28 d后的混凝土抗压强度为37.4 MPa。这是因为随着养护时间的增加，混凝土内部空隙被二氧化碳逐渐侵蚀，导致混凝土的密实性进一步下降，抗压强度随之下降。

3 结论

本文通过调整碳纤维在混凝土中的掺入比例（0%、0.5%、1%和2%）、碳化环境（二氧化碳浓度0%、20%、60%、80%和100%）和养护时间，分析混凝土坍落度、含气量和抗压强度的变化规律，得出碳纤维掺量以1%为宜。采用上述比例制成碳纤维-混凝土复合材料在不同二氧化碳浓度和养护时间下的性能表现如下：

1）当碳纤维掺量在0%～1%之间时，随着纤维掺量的增加，混凝土的坍落度和含气量逐渐下降，抗压强度逐渐上升。当碳纤维掺量超过1%时，纤维混凝土三种性能均呈现下降，比较而言，碳纤维掺量为1%时性能较好。

2）混凝土的坍落度、含气量随着二氧化碳浓度的增加而逐渐增加；抗压强度则随着二氧化碳浓度的增加逐渐下降。可见二氧化碳浓度会明显降低混凝土性能。

3）随着混凝土的养护时间增加，混凝土的坍落度、含气量逐渐增加；混凝土的抗压强度逐渐下降。可见，在二氧化碳浓度下养护试件越久，对混凝土的侵蚀性能越强。