碳纤维轻骨料混凝土力学性能试验研究*

杨 虹， 王海龙， 王红珊， 孙 松， 刘思盟， 王 子

(内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院， 呼和浩特 010018)

0 引言

浮石是火山喷发而形成的固体物质，其具有较多孔隙且质量远远轻于普通碎石，具有优秀的耐酸碱、腐蚀的性质。在制备混凝土过程中不会对环境造成污染，是替代普通碎石的理想材料。在内蒙古地区存在大量天然浮石，将浮石作为粗骨料应用于混凝土中制成轻骨料混凝土，轻骨料混凝土具有孔隙率大、密度低、抗冻性和保温性好的优点，所以被广泛的应用[1]。但是轻骨料混凝土与普通混凝土也存在同样的缺陷，其抗压抗拉抗折强度低、耐磨性差、抗渗性差，会在一定程度影响轻骨料混凝土的应用[2]。

为了弥补普通混凝土自身的不足，诸多国内外学者对在混凝土中掺入纤维进行了广泛研究，产生了纤维混凝土，又称纤维增强混凝土[3]。在混凝土中掺入纤维可以提高混凝土抗拉强度、抗压强度[4-5]和抗折强度[6]等。碳纤维的掺入可以改善混凝土的性能，延缓混凝土表面裂缝的出现，阻止内部微裂纹的扩展[7]。

在内蒙古地区，实际工程中粗骨料多采用天然浮石，由于其使用时间较短，所以对在轻骨料混凝土中掺入碳纤维的研究很少。纤维增强混凝土可以提高混凝土在实际应用中的力学性能。为了使碳纤维轻骨料混凝土在内蒙古地区得到广泛使用，本文对其力学性能进行研究。

1 试验概况

1.1 试验材料

水泥：P.O42.5级普通硅酸盐水泥，其性能指标见表1；粗骨料：内蒙古锡林浩特天然浮石，其物理性能见表2；细骨料：天然河砂，中砂，颗粒级配Ⅱ区，细度模数2.5，堆积密度1 565kg/m3，表观密度2 650kg/m3；粉煤灰：呼和浩特市某热电厂Ⅰ级粉煤灰；水：自来水；减水剂：木质素磺酸钙，减水率20%；纤维：北京某厂生产的碳纤维布，弹性模量2.4×105GPa，伸长率1.7%，后经人工裁剪成长度不超过20mm的碳纤维。

P.O42.5普通硅酸盐水泥性能指标 表1

浮石的物理性能指标 表2

1.2 试验设计

制备100mm×100mm×100mm立方体试块，置于标准条件下养护。试验按照碳纤维体积掺量的不同分为6组，减水剂的掺量为胶凝材料的0.5%，配合比见表3。碳纤维的体积掺量分别为0，0.3%，0.6%，0.9%，1.2%，1.5%，命名为D，D-1，D-2，D-3，D-4，D-5。每组均选取3个平行试块，分别测试3，7，14，28d的立方体抗压强度，28d劈裂抗拉强度，取其算术平均值作为该组试块的强度值。待试块养护28d后，对其进行SEM电镜试验和气孔结构试验。

混凝土配合比设计 表3

1.3 试验方法

本文采用微机控制全自动压力试验机(图1)测试混凝土试块的立方体抗压强度，抗拉强度采用WAW型微机控制点液伺服万能试验机(图2)进行测试，采用S-4800型环境扫描电子显微镜(图3)观察混凝土内部的微观结构，采用Rapid Air457气孔间距分析仪(图4)测试混凝土内部的孔隙间距系数，含气量、孔隙比表面积、气泡频率、气泡的平均弦长等参数。

图1 微机控制全自动压力试验机

图2 WAW型微机控制点液伺服万能试验机

图3 S-4800型环境扫描电子显微镜

图4 Rapid Air457气孔间距分析仪

2 试验结果与讨论

2.1 碳纤维对轻骨料混凝土立方体抗压强度发育的影响

图5是龄期与抗压强度的关系，从图中可以看出，随着龄期的增长，混凝土的抗压强度逐渐增大。当碳纤维的体积掺量为0.3%和0.6%时，其抗压强度较基准组有所提高；当大于碳纤维的体积掺量0.6%后，抗压强度逐渐下降，其中碳纤维的体积掺量为1.5%时下降幅度最大。

图5 龄期与抗压强度的关系

图6是碳纤维的体积掺量与抗压强度变化率的关系，抗压强度变化率是指混凝土试验组与基准组的抗压强度差值和基准组抗压强度的比值。从图中可以看出，与基准组相比，在碳纤维的体积掺量不断增加的情况下，混凝土的抗压强度变化率逐渐下降。碳纤维的体积掺量以0.6%为分界线，当碳纤维的体积掺量低于分界线水平时，碳纤维的掺入提高了混凝土的抗压强度；当碳纤维的体积掺量大于分界线水平时，试块的抗压强度低于基准组。相比于基准组，当碳纤维的体积掺量为0.3%时，3，7，14，28d的抗压强度分别提高了20.04%，12.17%，10.94%，10.28%；当碳纤维的体积掺量为0.6%时，其各龄期的抗压强度分别提高了10.12%，5.41%，0.69%，2.92%；当碳纤维的体积掺量为0.9%时，其各龄期的抗压强度分别降低了7.08%，21.64%，17.55%，19.43%。

图6 碳纤维的体积掺量与抗压强度变化率的关系

当碳纤维的体积掺量为0.3%时，可以明显提高混凝土的抗压强度，28d立方体抗压强度值较基准组提高了10.28%，造成这种变化的原因：一是在轻骨料混凝土中加入碳纤维，碳纤维均匀无序的分布在混凝土中，其“空间约束”特性充分体现，在混凝土硬化过程中阻止了粗细骨料沉降产生的离析。二是在混凝土受力过程中碳纤维与混凝土共同承担荷载，混凝土受压产生横向变形，向四周膨胀，碳纤维受拉起到了传接力的纽带作用，阻止了混凝土中旧裂纹的扩展和新裂纹的产生。三是在混凝土制备过程中加入粉煤灰，使水泥与第二相材料之间的界面过渡区变得更加密实，提高了碳纤维与混凝土的界面粘结程度[8]，同时水泥浆与骨料的粘结力也随着提高，从而提高了混凝土的强度。

当碳纤维的体积掺量大于0.6%时，混凝土的抗压强度逐渐下降，原因在于：碳纤维的掺入量过多，人工分散不能使碳纤维均匀分布，碳纤维成团，使混凝土内部构成新的缺陷，对混凝土的抗压强度产生减益效果，碳纤维的大量加入增大了碳纤维的表面积[9]，使水泥对碳纤维的包裹不充分，降低了水泥与碳纤维的粘结程度；同时，碳纤维大量加入增大了混凝土的孔隙率，从而降低了混凝土的抗压强度。

2.2 碳纤维对轻骨料混凝土劈裂抗拉强度的影响

图7为碳纤维的掺量对混凝土28d劈裂抗拉强度的影响，从图中可以看出，随着碳纤维的体积掺量的增加，轻骨料混凝土的劈裂抗拉强度呈现先增强后降低再增强的趋势。碳纤维在混凝土内部无序交错分布，有的碳纤维处于纤维增强方向，有的碳纤维处于非纤维增强方向，处于纤维增强方向上的碳纤维能够充分发挥作用，有效提高混凝土的劈裂抗拉强度；而处于非纤维增强方向的碳纤维则不能发挥阻裂、抗拉的作用，此时混凝土的劈裂抗拉强度主要由基体本身的强度决定。混凝土的劈裂抗拉强度先增强后降低与混凝土的抗压强度变化趋势相同，因为D-1,D-2组试块的混凝土碳纤维的体积掺量较少，其碳纤维的分布方向又是随机的，能够发挥增强作用的碳纤维量也较少，所以其劈裂抗拉强度由基体本身的强强度和少量碳纤维共同决定，但是主要还是由基体的强度决定。D-5组混凝土的劈裂抗拉强度达到最高值，是因为当碳纤维的体积掺量达到1.5%时，即使碳纤维在混凝土内部的分布方向是随机的，但是在纤维增强方向上分布的碳纤维数量较之前的组会有所提高，此时基体的劈裂抗拉强度主要由碳纤维决定。

图7 碳纤维轻骨料混凝土28d劈裂抗拉强度

表4为碳纤维轻骨料混凝土的劈压比值，由表4可见，混凝土的劈裂抗拉强度与抗压强度整体上呈现正相关趋势，即随着抗压强度的增长，劈裂抗拉强度也随之增长，反之亦然；但是，当碳纤维的体积掺量为1.5%时，其规律发生变化，抗压强度降低但劈裂抗拉强度反而升高。碳纤维轻骨料混凝土的劈裂抗拉强度增长速率大于抗压强度增长速率，即表4中的劈压比逐渐增大，说明碳纤维的掺入对混凝土的劈裂抗拉强度影响较大，改善了混凝土的脆性破坏。

2.3 碳纤维轻骨料混凝土的微观结构

图8为碳纤维轻骨料混凝土28d的SEM照片。

碳纤维轻骨料混凝土28d劈压比 表4

图8 碳纤维轻骨料混凝土28d的SEM照片

由图8(a)可知，碳纤维轻骨料混凝土的表面有许多的裂纹存在，这些裂纹可能是受到荷载而产生的，也可能是由混凝土变形引起的，主要是在混凝土凝结硬化中和凝结硬化之后，产生一定的体积变形，体积变化使混凝土内部产生微小的裂纹。由图8(b)和图8(c)可知，碳纤维在混凝土中无序交错分布，被水泥浆体紧密包裹，在混凝土内部形成密实三维网状空间结构，提高混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度，与2.1和2.2节中的试验结果相符。由图8(d)可以看到，碳纤维横跨两条主裂纹，在外力作用下，混凝土内部的界面微裂缝尖端成为应力集中位置，当应力超过强度，微裂缝开始沿混凝土中的最薄弱区[10]——水泥石与集料界面扩展，并随荷载增大而蔓延到水泥浆基体中。此时，碳纤维的存在特别是横跨裂缝两端的碳纤维可起到承担拉应力、阻碍裂缝扩展的作用，提升了混凝土的抗压强度，与2.2节中的试验结果相符。

由图8(e)和图8(f)可以看出，由于碳纤维的体积掺量增大，碳纤维没有充分分散，碳纤维与混凝土基体的界面结合层不产生反应，水灰比和孔隙率较高，甚至产生了酥松的网状结构，形成界面薄弱区，导致混凝土的抗压强度逐渐降低[11]，这与2.1节的试验结果相符。但是，随着碳纤维的体积掺量增加，纤维增强方向上分布的碳纤维数量有所提高，碳纤维在基体内部有效减缓裂纹尖端的应力集中，提高混凝土的劈裂抗拉强度。D-5组的碳纤维的体积掺量最高，所以其劈裂抗拉强度最高，为3.21MPa，这与2.2节的试验结果相符。

2.4 碳纤维轻骨料混凝土的气孔结构试验分析

2.4.1 碳纤维轻骨料混凝土的气孔特征参数分析

碳纤维轻骨料混凝土气孔结构分析试验结果见表5，由表可以看出，随着碳纤维的体积掺量的增加，混凝土的含气量呈现先增大后减小再增大的趋势，D-1组混凝土的含气量最低，与D组相比含气量降低了11.59%，D-5组的含气量最高，为53.37%，与D组相比增加了19.19%。因为碳纤维的弹性模量较混凝土的高，掺入混凝土内部可以有效抑制混凝土早期的干缩开裂，降低孔隙率，抑制内部微小裂缝的产生和扩展，从而提高混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度；但是当碳纤维的体积掺量过多时会使含气量增大，降低混凝土的抗压强度，这与2.1和2.2节中的试验结果相符。

碳纤维轻骨料混凝土气孔结构分析试验结果 表5

孔隙比表面积[12]是描述混凝土孔隙大小的指标。含气量相同时，孔隙个数越多，平均孔隙直径越小，孔隙比表面积就会越大。从表5可以看出，随着碳纤维的体积掺量的增加，孔隙比表面积整体上呈现逐渐减小的趋势，但是都高于未掺碳纤维时，主要是由于D组未掺碳纤维的混凝土中的小孔隙和中孔隙较多。随着碳纤维的体积掺量的增加，孔隙间距系数呈现先减小再增大再减小的趋势，与含气量的变化规律相反，这是由于含气量的减小必然导致孔隙间距系数的增大。

2.4.2 碳纤维轻骨料混凝土气泡弦长频率分析

我国著名科学家吴中伟[13]在 1973 年提出混凝土孔级划分，将孔径分为四个等级。这里将孔径分为小孔隙(<0.05mm)、中孔隙(0.05～0.10mm)、大孔隙(0.10～0.50mm)和超大孔隙(>0.5mm)进行分析研究。

表6为碳纤维轻骨料混凝土气泡弦长频率分析试验结果，可以看出：掺入碳纤维，可以提升小孔隙和中孔隙的出现频率，降低大孔隙和超大孔隙的出现频率。与基准组相比，D-1组的小孔隙频率提升了25.8%，中孔隙频率提升了1.32%，大孔隙频率降低了13.47%，超大孔隙频率降低了13.63%，其孔隙分布较其他组最优，所以其抗压强度最高，与2.1节中试验结果相符。由表6可得，掺入碳纤维可以降低混凝土大孔隙和超大孔隙的出现频率，促进混凝土中的超大孔隙和大孔隙向小孔隙和中孔隙转化。

碳纤维轻骨料混凝土气泡弦长频率分析试验结果/% 表6

唐路平[14]在并联多孔体模型基础上推导出多孔材料强度与孔径分布的关系，提出当材料的孔隙率相同时，大孔隙越多强度越低，适当增加小孔隙的比例，可以延缓有效面积率的减小。由表6可以看出，D-1组混凝土的小孔隙和中孔隙的频率较D组增加了61.62%，所以D-1组混凝土的立方体抗压强度比D组高。到D-2组之后，虽然其小孔隙和中孔隙的频率比D组高，但是因其碳纤维的体积掺量的增大，其碳纤维与混凝土基体的界面薄弱区增多，孔隙率变大，所以其抗压强度较D组低，这与2.1节中的试验结果相符。

2.4.3 基于灰色理论下碳纤维轻骨料混凝土气泡与抗压强度的关系研究

根据灰色关联度原理，设混凝土的抗压强度为母序列Y1，含气量、孔隙比表面积、孔隙间距系数、气泡的平均弦长、0～0.05mm弦长、0.05～0.10mm弦长、0.10～0.50mm弦长、0.50～4.00mm弦长为子序列，记为：X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8。计算得到的关联度如表7所示。

关联度 表7

由灰色关联度结果(表7)可知：碳纤维轻骨料混凝土的28d抗压强度与气泡参数的灰色关联度由大到小排序为：气泡的平均弦长>含气量>孔隙间距系数>孔隙比表面积，不同弦长频率与抗压强度的灰色关联度由大到小排序为：0.10～0.50mm弦长>0.05～0.10mm弦长>0.50～4.00mm弦长>0.00～0.05mm弦长。气孔结构参数中影响混凝土强度的最主要因素是气泡的平均弦长，气泡弦长中0.10～0.50mm弦长的气泡是影响混凝土强度的最主要因素。

3 结论

(1)在本试验条件下，碳纤维的体积掺量为0.3%的碳纤维混凝土的抗压性能达到最优。即当碳纤维的体积掺量为0.3%时，其28d抗压强度提高了10.28%，混凝土的抗压强度明显提高，优于基准组；碳纤维的体积掺量大于0.6%时，会导致抗压强度下降。并且碳纤维的掺入明显提高混凝土的抗拉性能，改善混凝土的脆性破坏。

(2)适量碳纤维在混凝土内部形成密实三维网状空间结构，有效抑制混凝土内部微裂缝的产生和扩展；但是随着碳纤维的体积掺量的增大，碳纤维与混凝土基体界面形成界面薄弱区，降低混凝土的力学性能。

(3)碳纤维的掺入可以改变混凝土的含气量，相较基准组，D-1组的含气量降低了11.59%；使混凝土内部的超大孔隙向小孔隙和中孔隙转化，改善混凝土内部的孔隙结构。

(4)气孔结构参数中影响混凝土强度的最主要因素是气泡的平均弦长，气泡弦长中0.10～0.50mm弦长的气泡是影响混凝土强度的最主要因素。