碳纤维短切丝对水泥混凝土梁性能的改善试验研究

雷小磊，黄国栋，崔玉龙

(安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

随着建筑结构逐渐复杂化，结构跨度的不断增大，使用环境的不断改变，混凝土材料自身脆性大、易开裂与抗折强度不足的缺点限制了其在新型建筑环境中的使用.因此，在混凝土材料的应用研究中，如何进一步改善其抗裂与抗折性能的不足，以适应更加复杂的建筑结构形式与使用环境条件，确保建筑结构的安全性与稳定性，就显得尤为重要.

目前，虽然国内外学者对增强混凝土材料的抗裂与抗折性能进行了深入研究，取得了一定的进展，但仍存在一系列问题.例如，尚建丽等[1]采用钢纤维增强混凝土材料的抗裂与抗折性能，虽然钢纤维的掺入可以提高混凝土材料的抗折与抗裂性能，但钢纤维具有价格高，易腐蚀的特点，而且腐蚀后的钢纤维体积增大，反而进一步加速了混凝土中裂缝的形成与扩展.吴江等[2]采用短切玄武岩纤维增强混凝土的力学性能，研究表明，将短切玄武岩纤维掺入混凝土中可以明显改善混凝土材料的抗裂性能，适当提高混凝土抗折性能，然而，短切玄武岩纤维表面光滑，导致短切玄武岩纤维无法与混凝土之间形成足够的粘结力，从而阻碍了玄武岩纤维增强作用的发挥.可以看出，虽然各类纤维在改善混凝土力学性能方面都发挥了一定的作用，但是也存在各自的缺陷.

碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量的新型纤维材料，具有“外柔内刚”、粘结强度和模量高、密度低、无蠕变、耐疲劳与耐腐蚀的特点[3].随着碳纤维复合材料的研发，将碳纤维复合材料应用于混凝土材料中将有助于改善混凝土材料抗裂与抗折性能的不足[4-6].本试验通过掺入碳纤维短切丝的方法改善混凝土梁的抗裂与抗折性能，着重分析了碳纤维短切丝的长度、掺量对混凝土梁抗折性能的改善作用，以及最佳改善的条件.

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

1.1.1 碳纤维短切丝

本试验采用的碳纤维短切丝由河北沧州中丽新材料科技有限公司生产，其性能参数见表1.

表1 碳纤维短切丝力学性能测试结果

试验采用3 种不同长度(长度分别为3，6 和9 mm)和4 种不同掺量(掺量分别为0.5%，1%，1.5%和2%)的碳纤维短切丝，制作混凝土梁试件，并以此检验不同长度与不同掺量的碳纤维短切丝对混凝土梁抗折能力的改善效果.

1.1.2 混凝土材料

本试验采用安徽舜岳水泥有限责任公司所生产的P·O 42.5 普通硅酸盐水泥，其性能符合《通用硅酸盐水泥》[7](GB175-2007)的标准；细骨料为中粗河砂，细度模数为2.7；粗骨料为碎石，饱和面干状态，连续级配，粒径范围为5～20 mm；试验用水为普通自来水.

1.2 试验方法

1.2.1 混凝土配合比

混凝土配合比如表2 所示.

表2 混凝土配合比

表2 中，A-1 组为素混凝土，未加入碳纤维短切丝，为对照组；B-1 至B-4 组、C-1 至C-4 组与D-1 至D-4 组分别为掺入不同长度和不同掺量碳纤维短切丝的混凝土梁试件.以此试件来研究碳纤维短切丝的长度与掺量对混凝土梁抗折性能的增强作用，并对碳纤维短切丝的作用机理进行深入分析[8-9].

1.2.2 混凝土梁试件的制备与养护

试验参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》[10](GB/T50081-2019)制备并养护混凝土梁试件，其中混凝土梁的尺寸为150 mm×150 mm×550 mm，其配合比如表2 所示.混凝土的制备方法以D-2 组为例，首先，处理碳纤维短切丝(长度为9 mm，掺量为1%)，为了使短切丝乱向分布，需要将其放入塑料透明袋中快速摩擦1～2 min，并使其在静电作用下彼此分离；然后，参照表2 配合比将水泥与碳纤维短切丝加入混凝土搅拌机并快速搅拌30 s，加入河砂并快速搅拌30 s，加入碎石与水先慢搅30 s 再快速搅拌60 s；最后，浇筑混凝土试件并振捣密实.试件制备完成后立即放入养护室，养护24 h 进行拆模，待试件养护至试验设计的7，14，28 和60 d 龄期时进行抗折性能试验.养护室的温度保持在20±2 ℃，相对湿度保持在95%以上.

1.2.3 混凝土梁抗折性能试验

试验参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》[10](GB/T50081-2019)方法，采用WAW-1000型微机控制电液伺服万能试验机对混凝土梁进行加载，加载速度0.05～0.08 MPa/s，加载方式采用三分点加荷，分别测试7，14，28 和60 d 混凝土梁抗折强度，精度为0.01 MPa，测试结果取3 个试件的平均值.

2 试验结果与分析

2.1 短切丝长度对混凝土梁的增强效果

碳纤维短切丝的长度对混凝土梁抗折性能的增强效果如图1 所示.从图1(a)可以看出，当掺入的碳纤维短切丝掺量为0.5%时，试件C-1 养护7 d 的抗折强度达到2.91 MPa，比试件B-1 与D-1分别提高了9.4%与8.2%；试件C-1 养护14 和28 d 的抗折强度分别达到4.59 和5.41 MPa，比试件B-1 分别提高了5.0%和降低了0.7%，提升效果不明显.这是因为碳纤维短切丝只能通过延缓混凝土微裂缝的形成与扩展来提高混凝土梁的抗折强度.当掺入的碳纤维短切丝长度为3 mm 时，由于碳纤维短切丝与混凝土的粘结长度不足，导致绝大多数的碳纤维短切丝以拔出形式破坏，无法充分发挥碳纤维短切丝的抗拉性能，所以混凝土试件的抗拉强度没有明显提高.

图1 碳纤维短切丝长度对混凝土梁抗折性能增强效果

随着碳纤维短切丝长度的不断加大，增强效果得到不断改善.从图1(b)可以看出，当碳纤维短切丝的长度达到6 mm，掺量为1%时，试件C-2养护7，14 和28 d 的抗折强度分别达到3.42，5.17与5.93 MPa，比试件B-2 分别提高了8.9%，2.2%与6.1%；比试件D-2 分别提高了6.5%，0.8%与4.4%，均有一定提升效果.当混凝土梁承受的荷载不断提升时，碳纤维短切丝可以有效阻碍混凝土中微裂缝的形成并进一步缓解裂缝的扩展，从而提升混凝土材料的抗折强度.随着碳纤维短切丝长度的增长，短切丝与混凝土的粘结面积不断加大，粘结强度也不断提高，可确保碳纤维短切丝在承受荷载时均发生拉断破坏，从而充分发挥出碳纤维短切丝的抗拉性能.由此可知，加大碳纤维短切丝的长度可显著提高试件抗折强度.

当碳纤维短切丝的长度超过6 mm 时，随着碳纤维短切丝长度的进一步加大，增强效果并没有得到进一步改善.当碳纤维短切丝的长度达到9 mm 时，试件D-2 养护7，14 和28 d 的抗折强度达到3.21，5.13 和5.68 MPa，比试件C-2 分别降低了6.1%，0.8%与4.2%.这是因为当碳纤维短切丝的长度达到6 mm 时，短切丝与混凝土之间的粘结强度已经能够确保碳纤维在承受荷载时不会发生拨出破坏，即已经发挥出碳纤维短切丝的抗拉性能.因此，即使继续提高碳纤维短切丝的长度，也仅能够继续提高碳纤维短切丝与混凝土之间的粘结强度，无法继续提高碳纤维短切丝的抗拉强度.所以，继续增加碳纤维短切丝的长度也无法继续提高试件的抗折强度.

2.2 碳纤维短切丝掺量对混凝土梁抗折性能的增强效果

碳纤维短切丝的掺量对其增强混凝土梁的抗折性能具有较大影响，本试验通过改变碳纤维短切丝的掺量继续提升碳纤维短切丝的增强效果.碳纤维短切丝掺量对混凝土梁抗折性能的增强效果见图2.从图2(a)可看出，当3 mm 碳纤维短切丝的掺量为0.5%时，试件B-1 养护7 d 的抗折强度为2.66 MPa，比试件B-3 降低了6.7%，比试件B-2 降低了15.3%；从图2(b)可看出，试件C-1养护14 d 的抗折强度为4.59 MPa，比试件C-2 降低了11.2%，比试件C-3 降低了7.5%.由此可知，降低碳纤维短切丝的掺量，会使试件的抗折强度下降.因此，有必要进一步提高碳纤维短切丝的掺量以达到最优的增强效果.

图2 碳纤维短切丝掺量对混凝土梁抗折性能增强效果

随着碳纤维短切丝掺量的增加，混凝土的抗折强度不断提升.当6 mm 碳纤维短切丝的掺量上升到1.0%时，试件C-2 养护14 d 的抗折强度增长到5.17 MPa，比试件C-1 提高了12.6%；试件C-3 养护14 d 的抗折强度为4.96 MPa，比试件C-1 提高了8.06%.由此可知，继续提高碳纤维短切丝的掺量可继续提高混凝土的抗折强度.这是由于增加碳纤维短切丝掺量可以显著提高混凝土单位面积内碳纤维短切丝条数，充分发挥碳纤维短切丝的抗拉作用，明显提高单位面积内混凝土的抗拉能力，从而显著提高试件的抗折强度.随着碳纤维短切丝掺量的继续提升，混凝土的抗折强度虽不断增长，但其增长幅度却有所降低.当6 mm 碳纤维短切丝的掺量上升到1.5%时，试件C-3 养护28 d 的抗折强度增长到5.78 MPa，比试件C-2 的5.93 MPa 降低了2.5%.可以看出，虽然试件C-3 的碳纤维短切丝掺量比试件C-2 提高了0.5%，但抗折强度呈现了一定幅度的下降，这说明依靠提高碳纤维短切丝掺量来提高混凝土梁抗折强度的作用已经不太明显.当碳纤维短切丝的掺量上升到2%时，试件B-4，C-4 和D-4 的抗折强度增幅下降更明显.这进一步表明，虽继续提高碳纤维短切丝掺量仍能缓慢提高混凝土梁的抗折强度，但考虑碳纤维短切丝的成本，则掺入1%的6 mm碳纤维短切丝的效果已达到最佳.

3 结论

碳纤维短切丝的掺入可以提升混凝土梁的抗折性能.随着碳纤维短切丝长度的增长，提升幅度逐渐增大，当碳纤维短切丝的长度达到6 mm时提升效果最佳；当碳纤维短切丝的长度大于6 mm 时，即使继续增大碳纤维短切丝的长度，也无法继续显著提升混凝土梁的抗折强度.加大碳纤维短切丝的掺量亦可提高混凝土梁抗折性能.随着碳纤维短切丝掺量的不断加大，提升幅度逐渐增大，当碳纤维短切丝的掺量达到1%时，提升效果最佳.