碳纤维掺量及长度对混凝土力学性能的影响

2021-10-13党军亮牛建刚唐好令董自强张玉玲

合成纤维工业 2021年4期

党军亮，牛建刚，唐好令，董自强，张玉玲

(山东中程试验检测有限公司，山东济南 250100)

混凝土是目前基础建设领域中应用最为广泛的材料之一，提高混凝土的力学性能是当前土木领域的研究重点。张学元[1]分析了再生骨料混凝土的力学性能，当再生骨料的置换率不超过50%时，再生骨料混凝土的抗压强度随着再生骨料置换率的增大呈现出增大的趋势，当置换率超出50%后，抗压强度逐渐降低。祝和意等[2]研究了聚乙烯醇(PVA)纤维体积率对水泥基复合材料(PVA-ECC)性能的影响，PVA纤维体积率对提高PVA-ECC抗压强度的作用不明显，体积率在1.6%～2%时PVA-ECC破坏后的整体性较好，但过量的PVA纤维掺入会降低PVA-ECC的抗压强度。杨阳等[3]制备了高性能防水性混凝土，相对于萘系、聚羧酸两种常用类型的减水剂，DHZ-I混凝土复合液与矿物掺合料复掺使用能极大地改善混凝土的防水抗渗性能，抗渗等级可达P30以上。郭文健等[4]研究了橡胶粉体积掺量和应变率对高性能橡胶粉混凝土性能的影响，发现高性能橡胶粉混凝土峰值应力和割线模量表现出一定的应变率强化效应，而橡胶粉的掺入会降低峰值应力和割线模量提升的幅度。

上述研究是采用不同掺合料来提高混凝土的性能，但目前纤维材料因性价比高而被广泛用于改善混凝土的性能。孙家瑛[5]研究了混杂聚丙烯纤维对混凝土力学性能和耐久性能的影响，结果表明聚丙烯纤维在一定含量下能够提高混凝土的耐磨性能和劈拉性能。李光伟等[6]对聚丙烯纤维混凝土的基本性能进行研究，发现聚丙烯纤维在混凝土中所形成的乱向支撑体系产生一种有效的二级加强效果，能较大幅度提高混凝土的抗裂性能。戴建国等[7]研究不同含量的聚丙烯纤维对混凝土收缩性能的影响，结果表明短切乱向分布的聚丙烯纤维掺入混凝土和砂浆后可以减少混凝土和砂浆浇筑后的水分散失。李北星等[8]研究了聚丙烯纤维混凝土抗压强度等变化规律，结果表明低掺量聚丙烯纤维会略微降低混凝土的抗压强度和抗剪强度。卢安琪等[9]研究发现掺入聚丙烯纤维能够显著改善混凝土的抗冲磨和抗冲击性能。

目前，纤维材料的种类很多，其中碳纤维由于具有优异的活性和化学稳定性且价比高，在混凝土改性中得到了广泛应用[10-12]。许多研究人员开展了碳纤维掺量对混凝土性能的影响试验，但碳纤维的长度对混凝土内部结构的支撑体系也有着重要的影响[13-14]。因此，作者以碳纤维为原料，以纤维掺量和纤维长度作为变量，研究混凝土的抗压强度、劈拉强度和抗拉强度随纤维掺量和纤维长度的变化规律。

1 实验

1.1 主要原料

硅酸盐水泥：二氧化硅(SiO2)质量分数22.19%、氧化钙(CaO)质量分数58.31%、三氧化二铝(Al2O3)质量分数5.33%、氧化镁(MgO)质量分数3.98%、三氧化二铁(Fe2O3)质量分数5.31%、三氧化硫(SO3)质量分数4.88%，初凝105 min，终凝155 min，28 d抗压强度为51.2 MPa，28 d抗折强度为8.6 MPa，广东英德龙山水泥厂生产；骨料：粗骨料(石子)粒径5～10 mm、堆积密度1 632 kg/m3、表观密度2 734 kg/m3，细骨料(砂子)粒径0～5 mm、堆积密度1 610 kg/m3、表观密度2 938 kg/m3，青岛隆璂保温建材生产；石灰石粉：含水率0.4%，烧失量5.1%，活性91%，河北钢铁集团宣钢公司生产；沸石粉：含水率1.8%，烧失量3.2%，活性94%，潍坊聪顺膨润土有限公司生产；碳纤维：密度0.94 g/cm3，抗拉强度3 400 MPa，弹性模量114 GPa，断裂伸长率3.5%，杭州翔盛高强纤维材料股份有限公司提供。

1.2 主要设备及仪器

HS85623型多功能搅拌机：沧州恒胜伟业公路仪器有限公司制；YES普通混凝土力学性能试验机：美特斯工业系统(中国)有限公司制。

1.3 碳纤维混凝土的制备

在常温下，使用搅拌机将水泥、细骨料(砂子)、粗骨料(石子)、水和碳纤维等进行混合搅拌，其中水泥：砂子：石子：水的质量比为 1.00:0.39:1.29:2.88，并掺入不同长度(10，15，20 mm)及不同含量(质量分数0～0.6%)的碳纤维。随后放入振动台上进行振动，使得成型的混凝土内部材料均匀且密实。标准养护28 d后，测试混凝土的力学性能。

1.4 力学性能测试

根据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》，将养护成型的碳纤维混凝土放置在力学性能试验机，开始逐级加压力/加拉力，测试碳纤维混凝土的抗压强度、劈拉强度和抗拉强度，取每组3块试件测试结果的平均值。

2 结果与讨论

2.1 抗压强度

在混凝土中掺入3种不同长度(10，15，20 mm)及不同含量的碳纤维，测试养护28 d后碳纤维混凝土的抗压强度，并研究其变化规律。从图1可以看出：掺入3种不同长度的碳纤维，随着碳纤维掺量的增加，混凝土的抗压强度先增加而后降低，在碳纤维质量分数为0.2%时抗压强度均达到最大值，当掺入长度为10 mm的碳纤维时混凝土抗压强度最大值为79.3 MPa，掺入长度为15 mm的碳纤维时混凝土抗压强度最大值为82.4 MPa，掺入长度为20 mm碳纤维时混凝土抗压强度最大值为78.4 MPa；当掺入碳纤维质量分数超过0.2%时，混凝土的抗压强度迅速下降，掺入碳纤维质量分数达0.6%时混凝土的抗压强度比未掺入碳纤维的混凝土的抗压强度(76.1 MPa)还要小，如掺入碳纤维质量分数为0.6%、长度分别为10，15，20 mm的碳纤维时，混凝土抗压强度分别为74.6，75.2，73.3 MPa。这是因为碳纤维能够填充混凝土之间的空隙，使得混凝土更加密实，但碳纤维掺量的增加会导致水泥成分比例下降，从而使得复合混凝土总体强度下降[15]。

图1 碳纤维长度及掺量对混凝土抗压强度的影响Fig.1 Effect of carbon fiber length and dosage on compressive strength of concrete■—10 mm；●—15 mm；▲—20 mm

从图1还可以看出，在碳纤维掺量一定时，掺入不同长度的碳纤维，随纤维长度的增加，混凝土的抗压强度也出现先增加而后降低的趋势，当纤维长度为15 mm时混凝土的抗压强度最大。这是因为纤维长度会导致混凝土在搅拌过程中的均匀性，即在单位体积中所含纤维数量最多，使得混凝土内部黏结力增大，混凝土更加密实[16]。

2.2 劈拉强度

在混凝土中掺入3种不同长度(10，15，20 mm)及不同含量的碳纤维，测试养护28 d后碳纤维混凝土的劈拉强度，并研究其变化规律。从图2可以看出：掺入3种不同长度的碳纤维，随着碳纤维掺量的增加，混凝土的劈拉强度先增加而后降低，在碳纤维质量分数为0.2%时混凝土的劈拉强度均达到最大值，当掺入长度为10 mm的碳纤维时混凝土劈拉强度最大值为6.9 MPa，掺入长度为15 mm的碳纤维时混凝土劈拉强度最大值为7.1 MPa，掺入长度为20 mm的碳纤维时混凝土劈拉强度最大值为6.8 MPa；但当碳纤维掺量过大时，混凝土的抗压强度迅速下降，甚至比未掺入纤维时混凝土的劈拉强度(6.4 MPa)还要小，如当掺入长度为10 mm、质量分数为0.6%的碳纤维时混凝土劈拉强度为6.2 MPa，掺入长度为15 mm、质量分数为0.6%的碳纤维时混凝土劈拉强度为6.5 MPa，掺入长度为20 mm、质量分数为0.6%的碳纤维时混凝土劈拉强度为6.4 MPa。这是因为碳纤维能够填充混凝土之间的空隙，使得混凝土更加密实，但掺量过多会导致水泥成分比例下降，从而使得复合混凝土劈拉强度总体下降。

图2 碳纤维长度及掺量对混凝土劈拉强度的影响Fig.2 Effect of carbon fiber length and dosage on splitting tensile strength of concrete■—10 mm；●—15 mm；▲—20 mm

另外，当碳纤维掺量一定时，掺入不同长度的碳纤维，随纤维长度的增加，混凝土的劈拉强度也出现先增加而后降低的趋势，当纤维长度为15 mm时混凝土劈拉强度最大。这是因为纤维长度过长会使得水泥内部孔隙率变大，使得负载能力下降，劈拉强度降低。

2.3 抗拉强度

在混凝土中掺入3种不同长度(10，15，20 mm)及不同含量的碳纤维，测试养护28 d后碳纤维混凝土的抗拉强度，并研究其变化规律。从图3可以看出：掺入3种不同长度的碳纤维，随着碳纤维掺量的增加，混凝土的抗拉强度先增加而后降低，在碳纤维质量分数为0.2%时抗拉强度均达到最大值，纤维长度为10，15，20 mm时混凝土抗拉强度分别为11.3，11.7，10.4 MPa；但掺入碳纤维过多时，混凝土的抗压强度迅速下降，甚至小于未掺入碳纤维时混凝土抗拉强度(10.4 MPa)，如掺入长度10 mm、质量分数0.6%的碳纤维时混凝土抗拉强度为10.3 MPa，掺入长度为15 mm、质量分数0.6%的碳纤维时混凝土抗拉强度为10.5 MPa，掺入长度为20 mm、质量分数为0.6%的碳纤维时混凝土抗拉强度为9.8 MPa。这是因为碳纤维能够填充混凝土之间的空隙，使得混凝土更加密实，但掺量的增加会导致水泥比例下降，从而使得复合混凝土强度总体下降。