淺談碳纖維混凝土的基本特性及研究進(jìn)展

孫玉軍，吳本清，李俊飛

（青島高新區(qū)工程質(zhì)量檢測(cè)有限公司，山東 青島 266111）

0 引 言

碳纖維混凝土就是將短切碳纖維均勻的加入到普通混凝土中而制成的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。與普通混凝土相比,作為一種土木工程界新型的功能材料，它不僅具有抗拉強(qiáng)度高、極限抗拉應(yīng)變大等良好力學(xué)性能,而且還具有溫度和壓力的自感知以及電磁屏蔽等機(jī)敏特性,并且其與混凝土結(jié)構(gòu)相容性好，因此在大壩、橋梁、道路、原子能發(fā)電站、海洋結(jié)構(gòu)物等大型復(fù)雜土木工程結(jié)構(gòu)中的健康監(jiān)測(cè)以及電子設(shè)備的電磁屏蔽等領(lǐng)域均具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。

1 碳纖維混凝土的主要力學(xué)性能

表1為幾種碳纖維的基本性能。由表1可見,碳纖維具有高抗拉模量和抗拉強(qiáng)度，因此，它的加入不僅可以提高混凝土的抗裂性、抗?jié)B性，減少收縮變形，而且混凝土的力學(xué)性能亦得到明顯改善，因此混凝土結(jié)構(gòu)的抗疲勞特性以及抗震性均有所提高。

碳纖維的基本性能 表1

1.1 抗拉強(qiáng)度

碳纖維表面光滑，因此與水泥基體的界面粘結(jié)力較弱，但碳纖維仍能顯著提高混凝土的抗拉強(qiáng)度。通過試驗(yàn)表明，對(duì)于不同水灰比的短切碳纖維砂漿，當(dāng)碳纖維體積摻入量在4.5%以下時(shí)，纖維體積摻入率每增加1%，其抗拉強(qiáng)度可至少提高0.66MPa甚至高達(dá)2.14MPa，并且隨著混凝土中碳纖維含量的逐步提高，其增強(qiáng)效果也相應(yīng)提高。當(dāng)碳纖維體積摻入量達(dá)到5%時(shí)，碳纖維體積摻入量與混凝土的抗拉強(qiáng)度幾乎接近于線性變化趨勢(shì)[2]。一般來說，碳纖維增強(qiáng)混凝土的抗拉強(qiáng)度比不含碳纖維的普通水泥混凝土的抗拉強(qiáng)度高3倍左右。

碳纖維混凝土不僅具有較高的抗拉強(qiáng)度，而且其極限拉應(yīng)力也得到較大增強(qiáng)，且在一定范圍內(nèi)隨體積摻入量的增加而增加。試驗(yàn)表明，在摻入某些外加劑的作用下，對(duì)于碳纖維體積摻入量為3%的碳纖維砂漿，其極限抗拉應(yīng)變可以達(dá)到其純料漿的20～40倍[3]。較高的極限拉應(yīng)力使混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能得到了顯著提高。

1.2 抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度

試驗(yàn)表明，碳纖維砂漿的抗壓強(qiáng)度隨碳纖維體積摻入量的增加而降低，分析原因是由于在攪拌纖維的過程中帶入了一定的氣泡造成的。這種強(qiáng)度的下降可以通過加入適當(dāng)?shù)某?xì)物料、外加劑和改善攪拌工藝等措施而得到一定的補(bǔ)償。

隨著纖維摻入百分率的增加，其抗彎強(qiáng)度也大致呈線性增加的趨勢(shì)。試驗(yàn)表明，與素混凝土相比碳纖維混凝土的壓縮韌度指數(shù)可提高60%～100%，并且隨著纖維摻量的增加而增加。

2 碳纖維混凝土的壓敏性能及溫敏性能

2.1 碳纖維混凝土單次加載下的壓敏性能

圖1 碳纖維混凝土單次加載下的壓敏特性

圖1 為碳纖維混凝土在逐漸加壓直至破壞的全過程中電阻率的典型變化曲線。由圖可見，電阻率與壓應(yīng)力之間的關(guān)系可分為以下三個(gè)階段:①AB段，壓應(yīng)力較小，電阻率隨壓應(yīng)力的增加而減小;②BC段,此時(shí)壓應(yīng)力大約處在其強(qiáng)度的30%～40%，電阻率變化趨勢(shì)平緩;③CD段，壓應(yīng)力處在其強(qiáng)度的40%以上，電阻率出現(xiàn)急速上升階段。大量試驗(yàn)表明,碳纖維混凝土的電阻率在逐漸加壓直至破壞的全過程中的變化形式基本相同，僅在數(shù)值上有微小差異。當(dāng)碳纖維摻量大、電阻率較低時(shí)，AB段的變化幅值相對(duì)比較大，且變化比較穩(wěn)定，而當(dāng)碳纖維摻量小、電阻率較高時(shí),AB段的變化幅值相對(duì)較小。

電阻率呈現(xiàn)如圖1所示的變化規(guī)律，分析原因?yàn)?碳纖維混凝土是由導(dǎo)電性不良的水泥基體中均勻分散著導(dǎo)電性良好的碳纖維而形成的復(fù)合材料。在壓應(yīng)力的作用下,纖維間的水泥基材間隔變薄,纖維間的絕緣勢(shì)壘相應(yīng)減小,因此混凝土的電阻率顯著降低;當(dāng)壓應(yīng)力達(dá)到一定程度后,水泥基材間隔變薄造成電阻率下降，同時(shí)產(chǎn)生破壞裂紋和纖維斷裂，從而造成電阻率的增加,當(dāng)電阻率的升與降達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí),數(shù)值保持相對(duì)穩(wěn)定；如果壓應(yīng)力繼續(xù)增加,混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量的裂紋而趨于破壞,此時(shí)電阻率將因此而迅速升高。

2.2 纖維混凝土循環(huán)加載下的壓敏性能

壓應(yīng)力與電阻率的變化率之間有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,在循環(huán)荷載作用下,電阻率隨壓應(yīng)力的增大而減小，反之亦然。在初始幾次,當(dāng)卸荷為零時(shí),由于纖維與砂漿的界面出現(xiàn)了微小的損傷,電阻率的變化率并不為零,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,電阻率變化率最大和最小值均相應(yīng)減小,當(dāng)達(dá)到150次以后逐步達(dá)趨于穩(wěn)定[4]。

3 碳纖維混凝土的抗裂及抗?jié)B性能

3.1 抗裂能力

經(jīng)過特殊的生產(chǎn)工藝進(jìn)行表面處理后的纖維，與水泥基料有極強(qiáng)的粘結(jié)力。通過對(duì)幾種主要的混凝土增強(qiáng)塑料纖維絲進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)與其它幾種纖維比較，此纖維可握裹更多的集料，因此與水泥基體有更強(qiáng)的結(jié)合力，在混凝土中的抗裂能力更為顯著。由于纖維可以迅速而輕易地與混凝土材料混合，分布極其均勻、徹底，能在混凝土（砂漿）內(nèi)部構(gòu)成一種均勻的亂向支撐體系，從而產(chǎn)生一種極其有效的加強(qiáng)效果。

在混凝土（砂漿）中加入纖維，是控制混凝土塑性收縮、干縮等非結(jié)構(gòu)性裂縫的有效手段；同時(shí)，還可以有效阻礙骨料的離析，保證混凝土早期均勻的沁水性，從而阻礙了沉降裂紋的形成。

但是，纖維是一種低碳橫纖維，摻量少，對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度的提高幾乎沒有影響，因此不能作為結(jié)構(gòu)性增強(qiáng)材料使用。

3.2 抗?jié)B防水性能

纖維能大大增強(qiáng)混凝土或砂漿防水抗?jié)B的能力。纖維可以有效地抑制混凝土早期干縮微裂及離析裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展，減少混凝土的收縮裂縫，尤其能有效抑制連通裂縫的產(chǎn)生，降低混凝土表面的析水與集料的離析，可以極大地提高抗?jié)B能力。因此，纖維在剛性自防水材料抗?jié)B裂領(lǐng)域有顯著效果。

3.3 抗沖擊及抗震能力

混凝土中加入纖維凝固后，握裹水泥的高強(qiáng)纖維絲相粘連成為致密的、亂向分布的網(wǎng)狀增強(qiáng)系統(tǒng)，有利于防止并控制微裂的產(chǎn)生和發(fā)展，增強(qiáng)混凝土的韌性。極大地保持了混凝土的整體強(qiáng)度，混凝土受沖擊時(shí)纖維能吸收大量能量，從而有效減少集中應(yīng)力的作用，阻礙混凝土裂縫的迅速擴(kuò)展，增強(qiáng)混凝土的抗沖擊及抗震能力[5]。這一特性對(duì)于受到?jīng)_擊疲勞作用的一些混凝土結(jié)構(gòu)（如道路、人行道、停車場(chǎng)、停機(jī)場(chǎng)等）是非常有用的。

4 結(jié) 論

碳纖維主要通過物理力學(xué)作用改善混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改善和提高混凝土的性能，但不會(huì)改變混凝土中各種材料的化學(xué)性能，因此不會(huì)影響到混凝土的耐久性。但相對(duì)于碳纖維混凝土在工程實(shí)踐中的廣泛應(yīng)用，其各項(xiàng)性能仍需進(jìn)一步深入研究。

①碳纖維混凝土電阻率的穩(wěn)定性還有待解決。特別是由于碳纖維直徑細(xì)小、表面憎水所造成的無法較好均勻分散而導(dǎo)致的混凝土電阻率波動(dòng)的問題,因此此類材料在工程應(yīng)用中存有很大程度的局限性。

②在混凝土中加入碳纖維對(duì)提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度影響甚微，但對(duì)提高混凝土的抗裂能力、抗?jié)B防水性能以及抗沖擊、抗震能力有顯著的效果，該優(yōu)良特性在實(shí)際工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

[1]梁?？?碳纖維混凝土[J].建筑技術(shù)，2001(1).

[2]申豫斌,謝慧才.碳纖維水泥砂漿的配制及力學(xué)性能測(cè)試[J].混凝土，2001（7）.

[3]鄧宗才.高性能合成纖維混凝土[M].北京:科學(xué)出版社，2003.

[4]韋文兵,謝慧才,張巍.不同摻料的碳纖維水泥砂漿的壓敏性研究[J].混凝土與水泥制品,2002（6）.

[5]張永存,李青寧.混凝土裂縫分析及其防治措施研究[J].混凝土,2010(12).