碳纤维轻骨料混凝土力学性能试验研究

2022-04-26罗辉

四川建材 2022年4期

罗辉

(中铁十九局集团第七工程有限公司，广东珠海 519000)

1 试验设计

根据碳纤维体积掺量(0、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%)划分为6组，依次命名为D(对照组，未掺碳纤维)、D-1、D-2、D-3、D-4、D-5。各组均为100 mm×100 mm×100 mm试块，减水剂掺量取胶凝材料的0.5%，各组分别取3个平行试块，标准条件养护，测定3、7、14、28 d抗压强度以及28 d劈裂抗拉强度，汇总测定数据并展开计算，求取算术平均值作为试块的强度值。此外，为掌握不同掺量下混凝土的内部结构，安排SEM电镜试验和气孔结构试验，做综合判断。

2 碳纤维对混凝土抗压强度的影响

龄期与抗压强度的关系如图1所示。在龄期延长之下，抗压强度增加。具体而言，抗压强度的增加具有阶段性变化的特征，碳纤维掺量为0.3%、0.6%时，该值较之于基准组(未掺碳纤维)均有明显的提升；掺量超过0.6%后有下降的趋势。

图1 龄期与抗压强度的关系

碳纤维掺量与抗压强度变化率的关系如图2所示。在碳纤维掺量增加时抗压强度变化率降低，其中以0.6%的掺量最为特殊，可视为分界点，低于该值时碳纤维的掺入会使抗压强度提高，超过该值时则抗压强度低于基准组。碳纤维的掺量为0.3%时，对性能提升的促进作用突出，抗压强度大幅提高，通过与基准组28 d立方体抗压强度的对比分析发现，该指标的增幅达到10.28%。其原因主要如下。

1)碳纤维在混凝土中呈无序分布的状态，存在强烈的“空间约束”特性，随着混凝土的逐步硬化，有效抑制粗细集料的离析，各类原材料的结合更加充分与可靠。

2)碳纤维与混凝土共同承受荷载作用，在受压条件下混合料发生横向变形现象，迫使原结构形态改变，具有向四周膨胀的变化趋势，该过程中碳纤维受拉，可作为传接力的纽带，得益于此力学作用关系，规避了新裂纹的产生，也抑制了旧裂纹的发展，各类裂缝可控。

3)由于粉煤灰的掺入，纤维与混凝土的界面粘结稳定性增强，且水泥浆液与骨料间存在较强的粘结力，有利于提高混合料的整体强度。

图2 碳纤维掺量与抗压强度变化率的关系

碳纤维掺量超过0.6%时抗压强度下降，究其原因有：①掺入的碳纤维数量较多，在混合料中的分布缺乏均匀性，局部成团结块，随之产生新缺陷，对抗压强度有削弱作用；②掺入量偏高时碳纤维的表面积加大，水泥材料的总量有限，对碳纤维的包裹不充分，破坏了水泥与碳纤维的结合状态(粘结性能下降)；③受大量碳纤维的影响，混凝土的孔隙率增加，带来强度降低的变化。

3 碳纤维对混凝土劈裂抗拉强度的影响

不同碳纤维掺量下的28 d劈裂抗拉强度如图3所示。

图3 碳纤维轻骨料混凝土28 d劈裂抗拉强度

在碳纤维掺入量增加后，28 d劈裂抗拉强度呈阶段性变化，具有先增加、后降低、再增加的特点。碳纤维在混凝土中的分布缺乏秩序性，位于纤维增强方向时掺入材料的性能优势得以发挥，劈裂抗拉强度增加；而部分碳纤维位于非增强方向，阻裂、抗拉效果有限，在提高劈裂抗拉强度方面的作用不足(此时劈裂抗拉强度主要取决于基体自身强度)。通过与抗拉强度变化趋势的对比分析发现，劈裂抗拉强度的先增后减变化与之具有趋同性，原因在于前几组试块的碳纤维掺量少，分布具有随机性，虽然碳纤维的优势得到发挥但有限，基体自身强度对劈裂抗拉强度的影响力度超过碳纤维。对于D-5组，碳纤维掺量为1.5%，劈裂抗拉强度达到峰值，碳纤维的分布方向具有随机性，但相比于前期几组，纤维增强方向的碳纤维规模有所扩大，此时碳纤维对劈裂抗拉强度的影响力度增加，加之与基体的共同作用劈裂抗拉强度明显提高。

劈压比值如表1所示。总体上抗压强度与劈裂抗拉强度同向增减，即随抗压强度的增加，劈裂抗拉强度也增加，反之则降低。但需注意的是1.5%的碳纤维掺量条件，其特殊之处在于抗压强度的降低会促进劈裂抗拉强度增加。从增长速率的角度来看，相比于抗拉强度，劈裂抗拉强度具有更快的增长速率，即劈压比逐步增加。可见劈裂抗拉强度易受到碳纤维材料的影响，若能够合理控制碳纤维的掺量将有效改善混凝土的脆性破坏，切实保证混凝土的力学性能[1]。

表1 碳纤维轻骨料混凝土28 d劈压比

4 碳纤维轻骨料混凝土的微观结构

28 d SEM照片如图4所示。

(a)D组

(b)D-1组

(c)D-2组

(d)D-3组

(e)D-4组

(f)D-5组

根据图4(a)可知：混凝土表面有裂纹，主要与荷载作用、混凝土变形两项因素有关，时间集中在混凝土凝结硬化期间以及结束后体积在该过程中有变化，混凝土的整体形态改变，内部显现出微小裂纹。

根据图4(b)、(c)可知：碳纤维的分布缺乏秩序性，被水泥浆包裹，由此共同组成具有密实性的三维网状结构，抗压强度和抗拉强度均提高。

根据图4(d)可知：碳纤维跨越两条主裂纹，受外力影响，产生应力集中部位并在该处形成微裂缝；随着应力的增加，待其超过极限强度时微裂缝有发展的迹象(沿着水泥石与集料界面处延伸，此部位薄弱)，后续有水泥浆基体渗入的情况。而从碳纤维分布的角度来看，部分材料横跨裂缝两端，在承担拉应力、阻碍裂缝发展方面均具有明显的作用，在该优势下，混凝土的抗压强度增加。

根据图4(e)、(f)可知：随着碳纤维掺入量的增加，混合料中部分区域的碳纤维高度集中，碳纤维与混凝土基体的界面结合层的状态较差，水灰比和孔隙率均有增加，严重时出现疏松状的网状结构，产生规模较大、影响程度较深的界面薄弱区，迫使整体抗拉强度下降。但进一步分析发现，随碳纤维掺量的增加，相继有更多的该类掺入料分布在纤维增强方向，此部分材料有利于减缓裂纹尖端的应力，避免该部位的应力高度集中。得益于碳纤维的调节作用，劈裂抗拉强度有提高的变化[2]。不同掺量下的劈裂抗拉强度表现存在差异，其中以D-5组的该值最高，达到3.21 MPa。

5 气孔结构试验分析

气孔结构的基本参数如表2所示。在碳纤维掺量增加的条件下，混凝土的含气量呈阶段性变化，即先增加、后减小，各组的含气量存在差异，D-1组最低，相比于对照组(D组)降低11.59%；D-5组的含气量最高，达到53.37%，相比于对照组增加19.19%。从材料弹性模量的角度来看具有碳纤维高于混凝土的特点，因此随着碳纤维的掺入将有效抑制混凝土早期开裂，孔隙率降低，内部微小裂缝的发展受到限制，混凝土整体状态良好，抗压强度和抗拉强度均有提高；但碳纤维掺量过多时会增加含气量，对抗压强度带来削减作用。

表2 气孔结构分析试验结果

在含气量一致的条件下，若混凝土的孔隙数量越多则平均孔隙直径越小，孔隙比表面积越大。从表2可以得知，在碳纤维掺量持续增加的试验条件下，孔隙比表面积呈减小趋势，但无论如何减小，均高于未掺碳纤维的混凝土；此外，孔隙间距系数先减小、后增加、再减小，变化规律与含气量相反，这是因为含气量的减小会迫使孔隙间距系数增加，即两者具有“反变”的特点。