纤维增强活性粉末混凝土力电性能综述

赵埔淋 王 静 张云龙

（1.吉林建筑大学，吉林 长春 130118；2.吉林建筑大学 交通科学与工程学院，吉林 长春 130118）

0 引言

混凝土是目前基础建设工程领域使用量最大、应用范围最广泛的材料。具有就地取材、耐久性好、可模型好、原料丰富等特点。活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，简称RPC)采用细砂代替混凝土中的粗骨料，加入硅灰、粉煤灰等活性混合材料，通过加入高效减水剂来获得低水胶比，是一种具有高强度、高耐久性的新型建筑材料。RPC 因其良好的力学性能在工程应用中逐渐受到重视。

碳纤维具有高强度、轴向强度和模量高、密度低、非氧化条件下耐高温、耐疲劳性好、耐腐蚀性好的优点。混凝土抗压性能远远高于其抗拉性能，混凝土抗压强度约为其抗拉强度的10 倍左右，由于混凝土抗拉强度较小，因此受到拉应力时容易出现裂缝，这是由于沉降和塑性收缩裂缝会穿过新版混凝土，进而形成软弱面，降低了混凝土结构的整体强度。在RPC 中掺入短切碳纤维可形成纤维增强活性粉末混凝土，相比较于传统的普通混凝土，碳纤维可以有效地延缓裂缝的产生和发展。而且RPC 中的矿物掺合料也可以促进碳纤维的分散，碳纤维也能通过提高混凝土的拉伸性能来减缓塑性收缩和干燥收缩，因此本文对碳纤维RPC 的力电性能的研究进行了讨论。

1 碳纤维活性粉末混凝土研究现状

智能材料（Intelligent Material）的概念在20 世纪80 年代中期被提出，并于20 世纪90 年代迅速发展起来。目前对智能材料的定义是：一种当环境发生变化时，能够从自身的表层或者内部获取关于环境条件及条件变化的信息点，通过其信息点能够进行判断、处理并作出反应的材料。

国内外学者对活性粉末混凝土有着不同的定义及内涵。国外学者要求其抗压强度大于150MPa，对物理性能有着较高的要求；而国内学者不仅对力学性能指标有限制外，对其制备工艺也有特殊要求，使其制备较为简单[1]。RPC 作为一种多孔不均匀材料，孔隙结构时影响RPC 基体强度的重要因素，混合后的颗粒体系拥有最大密实度是RPC 能够获得高强度的前提。因此，制备RPC 的基本原理和主要方式有：1.使用细骨料，保持细骨料较小粒径。2.优化骨料级配，增加密实度。3.添加活性矿物掺合料，通过化学反应使结构内部更密实。4.采用加热养护，减小化学收缩。5.添加纤维，改善RPC 韧性。

在碳纤维活性粉末混凝土的技术发展和实用化过程中，抗压强度、劈拉强度等力学性能一直是研究的重要方向之一。近几年学者对碳纤维RPC 的研究主要集中在以下几个方面：选择不同的碳纤维掺量，通过对比碳纤维RPC的性能得到最佳纤维掺入量；研究碳纤维RPC 的导电性，分析其导电作用机理；研究纤维种类及掺量对碳纤维RPC 的力学性能及电学性能的影响，；对碳纤维RPC 的内部结构的研究集中在宏观和微观两个方面。美国D.D.L.Chung 教授将混凝土掺入碳纤维可使混凝土的电阻率随材料受到的荷载而发生变化，他称这种现象为混凝土的压敏效应。结果表明，试件在受到循环荷载时，由于碳纤维的插拔效应，碳纤维混凝土的电阻随着荷载的增大而减小，随荷载的减小而增大[2]。其中灵敏度系数最高可到700，是普通电阻应变片的350 倍，因此该材料具有自感知能力，为智能材料的推广和应用奠定了基础。

2 碳纤维RPC 的研究

1、抗拉强度：由于碳纤维的掺入，试件内部应力集中现象大大减少，使得混凝凝土内部裂缝开裂得到延缓。进行了碳纤维增强混凝土劈拉强度试验，纤维掺量分别为0.02%、0.04%、0.06%、0.08%、0.1%、0.15%、0.2%，每种掺量制作3 个劈拉试件，标准条件下养护28d。结果表明：碳纤维能够明显提高混凝土的劈拉强度，且纤维掺量临界值为0.08%时，纤维混凝土较素混凝土劈拉强度提升43.3%，掺量高于临界值时，劈拉强度逐渐降低，但始终高于未掺加碳纤维的素混凝土；而对于混凝土抗压强度基本无明显影响，混凝土拉压比的提升说明混凝土塑性性能得到明显改善；由于碳纤维的阻裂作用，破坏的试件表面特征和形态获得很好的改善，试件碎裂现象减缓；考虑到掺入过多碳纤维会影响混凝土的工作性，因此纤维掺量宜在0.08%[3]。

图1 为试件破坏形态，能够观察试块的破坏形态得到明显改善。这是因为试件内乱向分布的碳纤维在试件内部起着微细筋的作用，当试块出现裂缝时，纤维会阻止裂缝继续扩大，延缓了基体裂缝的失稳扩展。

2、抗折强度：在混凝土中掺入碳纤维可以明显改善混凝土抗折能力。将石墨烯和碳纤维分掺入到设计强度为C40 的混凝土中，碳纤维掺量分别是水泥质量的0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%，分散剂采用甲基纤维素，用量为碳纤维的20%，将试件分别养护至3 天、7 天和28 天，并绘制抗折强度测试图，来反映石墨烯和碳纤维对混凝土力学性能的改性效果[4]。研究发现：掺加碳纤维的混凝土的抗折强度随着碳纤维掺的增加而增加，掺量超过最佳掺量时开始下降，但整体强度高于素混凝土试样。掺加碳纤维的各组混凝土抗折强度分别提高了7.5%、19.6%、25.7%、13.6%和4.5%。当碳纤维掺量为0.6%时，混凝土抗折强度分别提高了14.3%、26.7%和25.7%。而石墨烯和碳纤维混掺则能充分发挥材料性能，弥补单一材料的不足。

3、抗压强度：将碳纤维长度和掺量作为基本参数，共设计13 组尺寸为150mm×150mm×150mm 的立方体试块。抗压试验加载分为二级加载，首先采用位移控制的方式进行预加载，以便排除由于顶部疏松，试件受力面不平进而对结果造成影响，然后以固定速度对试件进行持续加载，直至试件破坏[5]。最终得出如下结论：1.加入碳纤维的混凝土的力学性能有了明显的提高，由于纤维掺量过多会引起分散效果不佳，影响结构整体性，试件的抗压、抗拉、抗折强度均出现了先增大后减小的趋势，碳纤维最佳体积掺量为0.24%，最佳纤维长度是10mm，碳纤维更适合在C50 混凝土中使用。2.碳纤维混凝土破坏前期形态与普通混凝土相似，但碳纤维能够优先组织裂缝的继续发展，因此只有较少的混凝土碎片剥落。

3 碳纤维RPC 电学性能研究

采用标准立方体混凝土试件作为导电性试验试件，并采用两电极法布置电极，电极尺寸为100mm×120mm，两电极尺寸为60mm。待试件养护完成后，将试件置于室内，烘干至恒重，待试件冷却至常温后将直流稳压电源设置电压为10V，通电30 分钟后开始记录数据。分析电流随时间变化趋势可以发现，时间-电流相对变化曲线可分为初期电流急剧变化，极化反应剧烈，后期电流变化趋于平稳，变化较小两个阶段。试验结果表明：单掺碳纤维且随纤维掺量增加，测量电压相同时，掺入不同掺量碳纤维的混凝土时间-电流相对变化曲线变化趋势近似相同，刚接通电源时，试件极化反应剧烈，试件电阻迅速增大，电流也迅速减小。随后电流变化趋于稳定，电阻率基本保持不变。

利用这些特性，CFRC 可以作为一种强度更高的建筑材料，而且可利用其电阻随压力变化而变化的特性来检测结构的健康状态，有着广阔的应用前景。

4 碳纤维RPC 压敏性能研究

当碳纤维混凝土受到外界荷载时，其电信号（电阻、电流）能够随外界变化而做出相应变化的属性成为压敏特性。与力学信号相比较，电学信号更容易采集，因此可通过检测材料的电信号来记录材料的受力情况。研究了不同掺量碳纤维掺量在28d 便准养护后的护后抗折、抗压强度、电阻率和在单调荷载下的压敏性。结果表明：在混凝土中掺入混杂纤维可以有效提升纤维混凝土的抗折强度，且抗折强度和导电能力随着混杂纤维的增加都得到了有效提升，试件电阻率随着混杂纤维掺量的增加而下降，并在钢纤维掺量为1%和碳纤维掺量为0.5%时达到临界掺量，之后电阻率变化幅度不大；1%钢纤维+0.5%碳纤维电阻随压力相对变化率明显，对压力敏感性较好；综合强度、电阻率和压敏性，混杂纤维优选掺量为1%钢纤维+0.5%碳纤维。

5 结束语

碳纤维RPC 耐久性强、强度高的有点和满足实际工程项目的各种需求，在未来的工程中具有很大优势，对结构耐久性的提高起到的积极的作用，能够满足土木工程中的各种需求。现阶段对于碳纤维混凝土的研究仍处于初步阶段，目前对于碳纤维提高混凝土力学性能、耐久性以及导电性已基本达成共识。为以后碳纤维混凝土的广泛使用提供了思路。同时碳纤维RPC 的优良耐久性会大大减小工程后期的维修成本。