碳纤维长度对再生混凝土力学性能的影响分析

崔永升

（山东省菏泽市牡丹区公路事业发展中心养护科，山东 菏泽 274000）

0 引言

近年来，我国在建设新建筑和拆除旧建筑时产生的废弃混凝土被大量运用到混凝土制备中，较大程度地解决了废料堆弃和环境污染问题[1-2]。但再生混凝土存在强度低、吸水率高及空隙大等缺点，相对于传统混凝土，在实际工程应用中还存在很大局限性。因此，如何有效提升再生混凝土的整体性能已成为当前研究的重要课题[3-4]。

目前，国内外学者针对纤维增强再生混凝土的性能展开了大量研究，如：王伟等[5]研究了纤维掺量对混凝土开裂强度和极限抗压强度的影响，揭示了纤维混凝土在局部受压条件下的破坏机理，基于拉-压杆模型得到了带孔纤维增强混凝土局部受压承载力提高系数；郭光玲[6]研究了不同钢纤维掺量下，单一混凝土试件和钢纤维增强混凝土试件的力学性能指标，发现钢纤维能够有效增强混凝土性能，提高混凝土韧性，防止裂缝出现；张常安[7]通过在混凝土中添加钢纤维、玻璃纤维、聚丙烯单丝纤维以及聚丙烯网状纤维，研究了4种纤维对混凝土的工作性能和力学性能的影响规律，得出每种纤维最佳掺量；刘逸等[8]研究了不同玄武岩纤维体积掺量对再生粗骨料取代率为50%的玄武岩纤维再生混凝土抗压强度和早期抗开裂性能的影响，并与普通混凝土进行了对比分析。上述研究主要集中在纤维掺量或种类对再生混凝土性能的影响，而关于纤维参数对再生混凝土性能的影响还有待进一步完善。基于此，本文选取碳纤维作为研究对象，通过室内对比试验，研究了不同碳纤维长度对再生混凝土力学性能的影响规律，以期为再生混凝土的性能提升提供参考。

1 试验原材料

（1）水泥

水泥采用P·O42.5R级普通硅酸盐水泥，其性能指标如表1所示。

表1 水泥性能指标

（2）粗骨料

天然粗骨料采用石灰岩碎石，粒径为2～20mm，再生骨料采用废弃混凝土块，经破碎、清洗及筛分处理后得到粒径为5～25mm粗骨料，其性能指标如表2所示。

（3）细骨料

细集料为人工水洗中砂，其表观密度为2.63g/cm3，含泥量为0.7，空隙率为42.3%，细度模数为2.7。

（4）纤维

纤维选用长度分别为3mm,6mm和9mm的无胶短切碳纤维。

（5）减水剂

减水剂采用粉末状聚羧酸高效减水剂，减水率在30%以上。

（6）水

拌和水采用符合要求的自来水。

2 试验方案及配合比设计

2.1 试验方案

根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2016）的要求测试不同碳纤维长度再生混凝土试件的力学性能。试件均采用150mm×150mm×150mm的标准立方体，采用200t万能试验机进行轴心受压试验，标准养护周期为7d,14d和28d。碳纤维长度分别为3mm,6mm和9mm，设置未掺碳纤维试件为参照组，试验分4组进行，每组6个试件，共计24个试件，研究不同碳纤维长度对再生混凝土抗压强度和劈裂抗拉强度的影响规律。为保证计算结果的准确性，每组试件进行3次测试，计算结果取平均值。

2.2 配合比设计

本文主要研究碳纤维长度对再生混凝土力学性能的影响，试件配合比设计中水灰比为0.45，碳纤维掺量为0.12%，再生骨料掺量为50%。以上参数保持不变，采用未掺碳纤维试件和所掺碳纤维长度分别为3mm,6mm,9mm的试件，通过抗压强度试验和劈裂抗拉强度试验来评价不同龄期再生混凝土的力学性能，其配合比设计如表3所示。

表3 再生混凝土配合比设计

3 再生混凝土力学性能分析

为研究碳纤维长度对再生混凝土力学性能的影响，分别测试不同碳纤维长度再生混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度，并针对龄期为7d,28d的再生混凝土力学性能进行对比分析，具体分析过程如下。

3.1 抗压强度

通过对未掺碳纤维及碳纤维长度分别为3mm,6mm,9mm的再生混凝土进行抗压强度试验，得到不同碳纤维长度的再生混凝土抗压强度变化曲线，如图1所示。

图1 纤维长度—抗压强度变化曲线

根据图1可知，掺入不同长度的碳纤维后，再生混凝土的抗压强度均有所提升，说明不同长度碳纤维均可增强再生混凝土的抗压强度。对于龄期为7d的混凝土试件，未掺碳纤维的混凝土抗压强度为31.2MPa，掺入3mm碳纤维的混凝土抗压强度为35.4MPa，增强了13.5%，掺入6mm碳纤维的混凝土抗压强度为34.1MPa，增强了9.3%，掺入9mm碳纤维的混凝土抗压强度为33.5MPa，增强了7.4%，其中碳纤维长度为3mm的混凝土抗压强度增强效果较好。对于龄期为28d的混凝土试件，未掺碳纤维的混凝土抗压强度为37.3MPa，掺入3mm碳纤维的混凝土抗压强度为41.7MPa，增强了11.8%，掺入6mm碳纤维的混凝土抗压强度为46.2MPa，增强了23.9%，掺入9mm碳纤维的混凝土抗压强度为43.4MPa，增强了16.3%，其中碳纤维长度为6mm的混凝土抗压强度增强效果较好。由此可见，3mm碳纤维有助于增强再生混凝土的前期抗压强度，而6mm碳纤维有助于增强再生混凝土的后期抗压强度。

3.2 劈裂抗拉强度

通过对未掺碳纤维及碳纤维长度分别为3mm,6mm,9mm的再生混凝土进行劈裂抗拉强度试验，得到不同碳纤维长度的再生混凝土劈裂抗拉强度变化曲线，如图2所示。

根据图2可知，掺入不同长度的碳纤维后，再生混凝土的劈裂抗拉强度均有所提升，说明不同长度碳纤维均可增强再生混凝土的劈裂抗拉强度。对于龄期为7d的混凝土试件，未掺碳纤维的混凝土劈裂抗拉强度为3.1MPa，掺入长度为3mm,6mm及9mm碳纤维的再生混凝土劈裂抗拉强度分别为3.1MPa,3.2MPa和3.4MPa，其中9mm碳纤维再生混凝土的劈裂抗拉强度增幅相对显著。对于龄期为28d的混凝土试件，未掺碳纤维的混凝土劈裂抗拉强度为3.3MPa，掺入3mm碳纤维的混凝土劈裂抗拉强度为3.5MPa，增强了6%，掺入6mm碳纤维的混凝土劈裂抗拉强度为3.8MPa，增强了15.2%，掺入9mm碳纤维的混凝土劈裂抗拉强度为3.6MPa，增强了9.1%，其中碳纤维长度为6mm的混凝土抗压强度增强效果较好。由此可见，9mm碳纤维有助于增强再生混凝土的前期劈裂抗拉强度，而6mm碳纤维有助于增强再生混凝土的后期劈裂抗拉强度。

图2 纤维长度—劈裂抗拉强度变化曲线

4 结论

本文通过对比分析不同碳纤维长度对再生混凝土抗压强度及劈裂抗拉强度的影响规律，得到以下主要结论：

（1）不同长度碳纤维均可增强再生混凝土的抗压强度。对于龄期为7d的混凝土试件，长度为3mm的碳纤维对混凝土抗压强度的增强效果较好；对于龄期为28d的混凝土试件，长度为6mm的碳纤维对混凝土抗压强度增强效果较好。

（2）不同长度碳纤维均可增强再生混凝土的劈裂抗拉强度。对于龄期为7d的混凝土试件，9mm碳纤维的再生混凝土劈裂抗拉强度增幅相对显著；对于龄期为28d的混凝土试件，长度为6mm的碳纤维对混凝土抗压强度的增强效果较好。

（3）综合来看，采用长度为6mm的碳纤维有助于同时增强再生混凝土的抗压强度和劈裂抗拉强度，对于再生混凝土力学性能的改善效果显著。