预埋碳纤维网增强水泥混凝土梁性能试验研究*

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)

0 引 言

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[1]等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，但钢纤维的价格高，容易腐蚀，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。刘秋美[2]等采用聚丙烯纤维增强混凝土材料性能。研究表明，聚丙烯纤维的掺入仅能略微改善混凝土材料的抗裂与抗折性能，这主要由于聚丙烯纤维自身抗拉强度不高，导致其改善作用不明显。因此，研发一种新型纤维材料，显著提高混凝土材料的抗拉与抗裂性能，同时自身又不存在缺陷，对混凝土材料在建筑工程领域中的应用具有重大意义。

碳纤维材料具有高强度、高模量的"外柔内刚"特性，质量很轻，但抗拉强度远高于钢材。它还具有密度低、比性能高，无蠕变，耐疲劳与耐腐蚀的特点。因此，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[3-5]，开展对这种复合材料的研究，为解决混凝土抗裂性与抗弯性不足的问题带来了转机。通过预埋碳纤维网的方法改善混凝土梁的抗裂与抗折性能，着重分析碳纤维网的密度、布置层数与预埋位置对改善混凝土梁的改善作用，最终获得最佳的增强效果。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

1.1.1 碳纤维编织网与碳纤维短切丝

采用的碳纤维束由河北沧州中丽新材料科技有限公司生产，其产品性能参数如表1所示。

碳纤维编织网由单束碳纤维束编织而成，网格尺寸采用密度为60mm×60mm的碳纤维网，其布置形式如图1所示。在距小梁上表面分别为25mm，50mm，75mm，100mm与125mm的不同位置布置碳纤维网，检验碳纤维网的布置位置对混凝土小梁抗折能力的改善作用。对于碳纤维网结点的处理，为了确保碳纤维网能够在混凝土小梁内形成整体并均衡受力，采用碳纤维束将碳纤维网结点进行绑扎，同时在碳纤维网边界结点外各伸出15mm，以保护结点[6]。采用单层与双层形式分别布设碳纤维网，检验不同层数的碳纤维网对混凝土小梁抗折能力的改善作用。

图1 碳纤维网格形式(60 mm×60 mm)

1.1.2 混凝土材料

采用安徽舜岳水泥有限责任公司所生产的P·O42.5普通硅酸盐水泥，其性能符合国家通用硅酸盐水泥(GB175-2007)的标准[7]。试验用细骨料为中粗河砂，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。A-1组未加入碳纤维网，为素混凝土对照组。B-1至B-5组通过在混凝土小梁试件梁体的不同位置布置单层60mm×60mm的碳纤维网，C-1至C-4组通过在混凝土小梁试件梁体的不同位置布置双层60mm×60mm的碳纤维网，研究同一规格密度碳纤维网在距小梁梁体上表面的不同位置对混凝土梁抗折能力的增强作用，从而得到碳纤维网在混凝土梁内最佳的层布方式，通过布置单层及双层碳纤维网，综合分析研究碳纤维网对混凝土小梁抗折性能的增强效果。

1.2.2 混凝土梁试件的制备与养护

试验设计的混凝土梁尺寸为150mm×150mm×550 mm，其配合比如表2所示。参照《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T50081-2002)制备并养护混凝土梁试件[8]。混凝土的制备方法以C-2组为例，首先将单束碳纤维束编织成网格尺寸密度为60mm×60mm的碳纤维网，与混凝土梁等长等宽。按照表2中配合比将混凝土搅拌后准备浇筑试件。混凝土梁浇筑时先将模具放在振动台上，浇筑一层混凝土并振捣密实，在预定位置(距底面25mm)放入第一层碳纤维网。然后继续加入混凝土并振捣密实，在预定位置(距底面100mm)放入第二层碳纤维网，最后加满混凝土并将试件振捣密实。试件制备完成后立即放入养护室，待养护24h进行拆模，待试件养护至试验设计的7d、14d、28d与60d龄期时进行抗折性能试验。养护室的温度保持在20±2℃，相对湿度在95%以上。

表2 混凝土配合比 kg/m3

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》(GB/T50081-2002)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0.05-0.08MPa/s[9-10]。加载方式采用三分点加荷测试混凝土梁7d、14d、28d与60d抗折强度，精度为0.01MPa，测试结果取三个试件的平均值。

图2 碳纤维网位置增强混凝土梁抗折性能

2 试验结果与分析

2.1 碳纤维网布置位置对混凝土梁的增强效果

单层碳纤维网预埋位置对混凝土梁抗折性能的增强作用如图2所示。可以看出，当碳纤维网布置在距上顶面25mm时，试件B-1养护7d的抗折强度达到1.36MPa，比试件A-1提高了20.4%，养护14d时抗折强度达到3.44MPa，比试件A-1提高了6.8%。试件B-4(距上顶面100mm) 养护7d的抗折强度达到了1.60MPa，比试件B-1提高了17.6%，养护14d时抗折强度达到4.13MPa，比试件B-1提高了20.1%。而试件B-5(距上顶面125mm)养护7d与14d的抗折强度分别达到1.57MPa与4.01MPa，比试件B-4分别降低了1.9%与2.9%。由此得出，随着碳纤维网布置位置距上顶面距离的不断增大，碳纤维网的增强效果也逐渐增大。当碳纤维网布置在距上顶面100mm时，试件B-4养护7d、14d、28d与60d的抗折强度分别达到1.60MPa、4.13MPa、4.59MPa与5.01MPa，是本组试验中强度增加最高的一组。可以看出，碳纤维网距混凝土梁上表面距离越大，抗折强度提升效果越明显。这是因为混凝土梁在受力过程中，梁上表面主要承受压力，而下表面主要承受拉力，而碳纤维网预埋在混凝土梁的下部可以更好的与下表面混凝土共同承担拉力，防止下表面混凝土由于抗拉强度的不足发生破坏，从而提高了混凝土梁的抗折强度。然而，当距离超过100mm时出现了小幅度的下降。这是由于预埋在混凝土中的碳纤维网具有一定的保护层，因此，根据混凝土梁的尺寸，碳纤维网距上表面最大距离为125mm，无法通过继续增大碳纤维网与混凝土梁上表面的距离来继续增大碳纤维网的增强效果[11-12]。所以，通过预埋单层碳纤维网的方法能有效提升碳纤维网的增强效果。

图3 碳纤维网层数增强混凝土梁抗折性能

2.2 碳纤维网布置层数对混凝土梁的增强效果

双层碳纤维网对混凝土梁抗折性能的增强作用如图3所示。可以看出，当双层碳纤维网分别布置在距上顶面25mm与125mm时，试件C-1养护7d的抗折强度达到2.06MPa，比试件B-1(单层25mm)和试件B-5(单层125mm)分别提高了51.5%与31.2%。试件C-2养护14d的抗折强度达到4.35MPa，比试件B-1和试件B-5分别提高了18.5%与8.5%。这说明双层碳纤维网的增强效果优于单层碳纤维网，但提升的幅度并不呈线性递增分布。这是由于第一层碳纤维网距混凝土梁上表面较近，而混凝土梁上表面主要承受压力，没有充分发挥出碳纤维网的抗拉作用。随着双层碳纤维网距混凝土梁上表面的距离不断增大，其增强幅度也不断提升。当双层碳纤维网分别布置在距上顶面100mm与125mm时，试件C-4养护7d的抗折强度达到2.58MPa，比试件B-4与B-5分别提高了61.3%与64.3%，试件C-4养护14d与28d的抗折强度分别达到5.18MPa与5.75MPa，比试件B-4分别提高了25.4%与25.3%，比试件B-5分别提高了29.2%与28.9%，提升效果在本组试验中最为显著。通过对图2和图3(a)的分析，可以看出，设置双层碳纤维网对混凝土梁抗折强度的提升明显优于单层碳纤维网，而且合理布置双层碳纤维网的位置对其提升效果具有很大影响。考虑到现场的实际施工，双层布置碳纤维网将会给混凝土梁的施工带来不便，造成施工工序复杂。

3 结 论

在混凝土梁内预埋高强度碳纤维网可以显著提升混凝土梁的抗折性能，当选用的碳纤维网密度为60mm×60mm，预埋碳纤维网距混凝土梁上表面的距离越大，其增强效果越明显。当碳纤维网距混凝土梁上表面的距离为100mm时,增强效果达到最佳。而且同时掺入双层碳纤维网的增强效果明显优于单层。当双层碳纤维网距混凝土梁上表面的距离为100 mm与125 mm时,增强效果达到最佳。