碳纖維混雜纖維混凝土高溫后力學(xué)性能試驗(yàn)研究

靳 巍 巍

(上海雷谷建筑科技有限公司，上海 201615)

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碳纖維混雜纖維混凝土高溫后力學(xué)性能試驗(yàn)研究

靳 巍 巍

(上海雷谷建筑科技有限公司，上海 201615)

通過高溫電阻爐持續(xù)加熱摻入碳纖維與碳纖維混雜纖維的混凝土，分析了在不同溫度加熱后，各種纖維混凝土物理力學(xué)性能的變化情況，通過設(shè)置溫度變量，定量分析了不同溫度下混雜纖維混凝土的變化與損傷規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明混雜纖維提高了混凝土的安全性。

混雜纖維混凝土，碳纖維，高溫，力學(xué)性能

0 引言

高溫時(shí)及高溫后混凝土的材料性能是研究混凝土結(jié)構(gòu)和構(gòu)件性能的基礎(chǔ)。普通混凝土作為常用建筑材料，是一種非勻質(zhì)復(fù)合材料。各組成材料的熱工性能及力學(xué)性能有懸殊的差距，并且在經(jīng)過高溫環(huán)境后會(huì)產(chǎn)生大量復(fù)雜的物理及化學(xué)變化。而普通混凝土在摻入了混雜纖維以后，本身力學(xué)性能在各方面有所變化。要準(zhǔn)確評(píng)估混雜纖維混凝土在高溫后的損傷程度和殘余承載力，以便選擇出最佳的纖維摻加方案。為了取得最合理的纖維摻入方案，有必要對(duì)混雜纖維混凝土的高溫性能進(jìn)行全面的研究。

近年來，纖維混凝土被廣泛用于道路、橋梁以及軍事建筑等領(lǐng)域，對(duì)混雜纖維混凝土高溫后的各項(xiàng)力學(xué)性能有更加深入透徹的研究。單一纖維混凝土往往只能在某些有限的方面發(fā)揮自己的優(yōu)點(diǎn)，如：聚丙烯纖維雖然增強(qiáng)效果不佳，但可以顯著提高混凝土的韌性和延性[1]。但是單純加入聚丙烯纖維容易受到制作工藝的影響導(dǎo)致纖維無法分散均勻，從而難以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。而二元纖維混雜甚至三元纖維混雜則能解決混凝土單方面性能提高的問題。目前研究較多的是鋼纖維、碳纖維、玻璃纖維等高彈模纖維與聚丙烯纖維、乙綸、丙綸等低彈模延性較高合成纖維混雜[2]。

關(guān)于混雜纖維混凝土高溫后力學(xué)性能的研究還處于探索階段，各研究成果不盡相同。

本文對(duì)摻入不同混雜纖維后的混凝土進(jìn)行20 ℃，200 ℃，400 ℃,600 ℃,800 ℃五個(gè)溫度段，時(shí)間為6 h的加熱。高溫加熱結(jié)束后放置于爐膛內(nèi)冷卻24 h后取出進(jìn)行質(zhì)量損失、彈性模量和單軸抗壓強(qiáng)度的測量。并探究其在高溫后的表現(xiàn)和高溫對(duì)混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能的影響，從而找到一種相對(duì)安全有效的二元或三元纖維混雜組合，能夠使得混凝土各項(xiàng)性能有較大的提高。這些研究成果可為需要高強(qiáng)度和高延性建筑提供可靠的參考和科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

水泥采用上海海螺水泥有限公司生產(chǎn)的32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；粗骨料為連續(xù)級(jí)配的碎石(最大粒徑為25 mm)；細(xì)骨料為顆粒級(jí)配屬于級(jí)配Ⅱ區(qū)的中砂，表觀密度為2 700 kg/m3；聚丙烯纖維采用束狀單絲聚丙烯纖維，長度9 mm；碳纖維采用束狀單絲碳纖維，長度6 mm；鋼纖維采用波浪形鋼纖維。

1.2 試件設(shè)計(jì)與試件制作

本次試驗(yàn)共制作了80塊試塊，其尺寸為100 mm×100 mm×100 mm。試驗(yàn)中采用了5組混凝土試件，分別為鋼纖維、碳纖維與聚丙烯纖維混雜混凝土、鋼纖維與碳纖維混雜混凝土、碳纖維與聚丙烯纖維混雜混凝土、碳纖維混凝土以及普通素混凝土。其中普通素混凝土作為參照組用來與其他4組進(jìn)行對(duì)比。5組不同編號(hào)的試件分別進(jìn)行20 ℃，200 ℃，400 ℃，600 ℃，800 ℃五種不同目標(biāo)溫度的加熱。加熱時(shí)間為6 h，升溫速度為10 ℃/min。各組試件編號(hào)和纖維摻量如表1所示。

表1 混凝土試件設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)中基準(zhǔn)混凝土強(qiáng)度等級(jí)設(shè)計(jì)C35，配合比見表2(除添加不同比例的各種纖維外，其他材料及配合比與普通混凝土一致)。本試驗(yàn)中的纖維添加量屬于低摻量，即所摻纖維重量相對(duì)于混凝土自重可忽略不計(jì)。試件制作完成后將其放入空調(diào)房(恒溫20 ℃)中養(yǎng)護(hù)，24 h后用拆模器拆模隨后搬入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中(20 ℃±3 ℃，相對(duì)濕度90%以上)養(yǎng)護(hù)28 d，再將試件常溫下放置3 d。

表2 基準(zhǔn)混凝土配合比 kg/m3

待試件表面水分晾干后放入高溫箱式電阻爐(SMF1900-50型)進(jìn)行高溫試驗(yàn)，升溫速率為10 ℃/min，達(dá)到制定溫度后恒溫6 h，以保證試件內(nèi)外溫度一致。高溫后試件的冷卻方式采用爐膛內(nèi)自然冷卻至室溫。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 高溫后試件的表觀形態(tài)

高溫作用后試件外觀會(huì)發(fā)生一系列變化，溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，混凝土試塊與常溫下混凝土試塊相比灰色加深，為青灰色，外觀完整，未出現(xiàn)缺角、裂縫等現(xiàn)象；溫度達(dá)到400 ℃時(shí)，混凝土試塊顏色變淺，為淺灰色，外觀完整，未出現(xiàn)缺角、裂縫等現(xiàn)象；溫度達(dá)到600 ℃時(shí)，混凝土試塊顏色略趨向暗紅色，部分試塊出現(xiàn)裂縫和缺角現(xiàn)象；溫度達(dá)到800 ℃后，混凝土試塊顏色為淺棕色，有明顯的燒焦痕跡，外觀不完整，有裂痕，摻有聚丙烯纖維的試塊有部分出現(xiàn)爆裂掉皮現(xiàn)象，且混凝土明顯疏松。

2.2 質(zhì)量損失率

通過將各溫度處理后的試塊質(zhì)量和常溫下試塊質(zhì)量進(jìn)行比對(duì)，得出了5種不同種類混凝土試塊的質(zhì)量損失率折線圖，見圖1。將素混凝土N的質(zhì)量損失率折線作為參考系，比對(duì)4種含碳纖維混凝土質(zhì)量損失和溫度的關(guān)系。

試驗(yàn)結(jié)果表明纖維的摻入在200 ℃時(shí)并未對(duì)混凝土試件的質(zhì)量損失產(chǎn)生影響。

當(dāng)溫度達(dá)到400 ℃時(shí)折線圖出現(xiàn)了分歧，摻入了單一碳纖維的混凝土C質(zhì)量損失率最低，為2.84%。作為參考系的素混凝土N和兩種混雜纖維混凝土SC，PC的質(zhì)量損失幾乎一致。而M型混雜纖維混凝土質(zhì)量損失率最高，達(dá)到了3.62%。這說明碳纖維的摻入在400 ℃情況下，從某種方面抑制了混凝土內(nèi)自由水的散失。而M型混雜纖維混凝土在400 ℃時(shí)因?yàn)閷?dǎo)熱系數(shù)要高于混凝土，試件內(nèi)部的鋼纖維可較快傳導(dǎo)熱量并且使得鋼纖維與骨料的聯(lián)接性下降。而且因?yàn)镸型混凝土內(nèi)纖維種類和含量較高，使得混凝土本身不夠緊密，導(dǎo)致自由水散發(fā)更快。

當(dāng)溫度達(dá)到600 ℃時(shí)，5種混凝土的質(zhì)量損失開始貼近，差距縮小至可以忽略。說明在500 ℃～600 ℃階段主要是因?yàn)闅溲趸}晶體的分解導(dǎo)致質(zhì)量損失的提高，纖維種類和摻量對(duì)此過程的影響不大[3]。

當(dāng)溫度達(dá)到800 ℃時(shí)，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量損失率提升的速度有所下降，并且?guī)追N混凝土的質(zhì)量損失率數(shù)據(jù)相差不大。所以可以得出碳纖維、鋼纖維和聚丙烯纖維的摻入與混凝土800 ℃后的質(zhì)量損失并沒有什么直接關(guān)聯(lián)。

2.3 抗壓強(qiáng)度

將各溫度處理后的試塊進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度的測試，得出了5種不 同種類混凝土試塊隨溫度變化的抗壓強(qiáng)度變化曲線，見圖2。將素混凝土N的抗壓強(qiáng)度折線作為參考系，比對(duì)4種含碳纖維混凝土抗壓強(qiáng)度隨溫度變化的相對(duì)關(guān)系。

試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著溫度的升高，混凝土試件抗壓強(qiáng)度的總體趨勢是下降的。其中，N型混凝土作為參考系，試驗(yàn)所得出的結(jié)果與相關(guān)參考文獻(xiàn)中所描述的大體一致[4]。

其中，C，SC，PC型混凝土試件的抗壓強(qiáng)度與N型混凝土的下降趨勢整體一致，都是隨著溫度的上升而下降。并且在溫度達(dá)到600 ℃的時(shí)候抗壓強(qiáng)度會(huì)有大幅度的降低。其主要原因是混凝土中Ca(OH)2分解導(dǎo)致的抗壓強(qiáng)度下降。但相對(duì)來說SC型混凝土由于鋼纖維的加入，較大的提高了混凝土的整體抗壓強(qiáng)度，使得SC型混凝土在600 ℃之前的強(qiáng)度要高于其余3種纖維混凝土，在600 ℃之后的強(qiáng)度高于包括N型混凝土試件在內(nèi)的所有種類試件。這說明鋼纖維混凝土在溫度不超過800 ℃的情況下，對(duì)混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度能得到持續(xù)加強(qiáng)的作用。

C型混凝土高溫后抗壓強(qiáng)度總體趨勢是隨溫度的增高而下降，但在400 ℃時(shí)其抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了一個(gè)不降反升的現(xiàn)象。在排除實(shí)驗(yàn)誤差并參照碳纖維本身性能之后，認(rèn)為此處強(qiáng)度的提高是因?yàn)樘祭w維在高溫下，碳纖維的石墨化程度提高，碳纖維在高溫處理過程中石墨微晶堆疊厚度逐漸提高，碳纖維本身強(qiáng)度增加[5,6]，并使碳纖維在400 ℃左右對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度支撐得到了最大增強(qiáng)。而其后混凝土產(chǎn)生了化學(xué)分解，導(dǎo)致混凝土試件整體結(jié)構(gòu)變得松散，與碳纖維的粘結(jié)性降低，碳纖維對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度支撐失去了作用。所以C型混凝土的抗壓強(qiáng)度在400 ℃之后又恢復(fù)了和其他種類混凝土試件相同的下降趨勢。

而PC型與SC型混凝土的抗壓強(qiáng)度沒有在400 ℃時(shí)有明顯的上升，是因?yàn)樘砑恿似渌睦w維，導(dǎo)致其中的力學(xué)變化并不純粹。添加了聚丙烯纖維和碳纖維的PC型混凝土，因?yàn)榫郾├w維的摻入使得PC型混凝土抗壓強(qiáng)度處在本組試驗(yàn)中最低的位置，因?yàn)槠渲械木郾├w維與碳纖維都未能起到增強(qiáng)其抗壓強(qiáng)度的功能。聚丙烯纖維摻入混凝土最主要的功能是增強(qiáng)混凝土在高溫下抗爆裂的能力[7]，碳纖維性能與聚丙烯纖維相結(jié)合能起到高溫防爆裂和混凝土增韌的效果。相對(duì)來說SC型混凝土和M型混凝土中鋼纖維能起到增強(qiáng)抗壓強(qiáng)度的作用，碳纖維起到增韌和形成纖維網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)混凝土整體性的效果，聚丙烯纖維起到在低溫情況下形成纖維網(wǎng)絡(luò)和在高溫狀況下形成孔道防止混凝土爆裂的效果。將3種纖維混合起來的M型混凝土的抗壓強(qiáng)度要比PC型混凝土抗壓強(qiáng)度高，這說明M型混凝土吸收了三種纖維的特性，達(dá)到了混雜纖維混凝土在抗壓強(qiáng)度方面希望達(dá)到的性能。

2.4 楊氏模量

楊氏模量是描述固體抵抗形變能力的物理量，本次試驗(yàn)所測得的楊氏模量繪制出的折線圖如圖3所示。總體趨勢依然是楊氏模量E隨溫度的升高而下降，但在200 ℃時(shí)普遍有所提高。普遍認(rèn)為在200 ℃時(shí)因?yàn)闇囟鹊脑蚴沟没炷林械乃磻?yīng)加快，最終導(dǎo)致混凝土完整性加強(qiáng)，楊氏模量提高，更加不容易產(chǎn)生變形，這種變化主要是水化物本身的變化，與纖維的種類與摻量關(guān)系并不大[3]。

從圖3中我們可以看出，從400 ℃開始，添加了纖維的4組混凝土試塊相對(duì)參考組普通混凝土試塊而言，其彈性模量始終處于隨著溫度的上升而平穩(wěn)下降，沒有出現(xiàn)驟降的情況。而普通混凝土在600 ℃之后彈性模量產(chǎn)生了驟降，即是由于其中的膠結(jié)物質(zhì)破壞而導(dǎo)致骨料顆粒間無法緊密連接[8]。而添加了纖維的混凝土試塊具有低彈模、高韌性的特點(diǎn)[9-11]。所以在隨著溫度升高的變化中，纖維混凝土的彈性模量逐漸降低，但不會(huì)和普通混凝土一樣產(chǎn)生突然破壞的情況。

3 結(jié)語

1)混凝土中的碳纖維在400 ℃情況下可以一定程度上抑制混凝土內(nèi)自由水的流失，而混凝土中的鋼纖維會(huì)加速傳導(dǎo)熱量導(dǎo)致自由水蒸發(fā)加速。2)碳纖維混雜纖維混凝土較普通混凝土而言，提高了韌性，降低了強(qiáng)度。并且混雜纖維混凝土在600 ℃之后的強(qiáng)度下降比普通混凝土平緩，因此不易出現(xiàn)混凝土爆裂而完全破壞的現(xiàn)象。3)混雜纖維混凝土的彈性模量較普通混凝土更低，其中混雜了碳纖維或聚丙烯纖維的混凝土的彈性模量最低。

而鋼纖維能相對(duì)提高混凝土的彈性模量，提高混凝土的剛度和抗壓強(qiáng)度。4)碳纖維的加入提高了混凝土的整體性，在鋼纖維的幫助下可以很好的提高混凝土的安全性能。

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Study on the mechanical properties of mixed carbon fiber concrete after high temperatures

Jin Weiwei

(ShanghaiLeiguBuildingScience&TechnologyCo.,Ltd,Shanghai201615,China)

The test which is about carbon fiber concrete and mixed carbon fiber concrete under high temperature for hours is conducted. We analyze the changes of basical mechanical properties and micro-structure of different mixed fiber concrete which is after different high temperatures. According to set temperature variable, we analyze the changes and damage of mixed fiber concrete which are after different high temperatures. The experimental results show that mixed fiber increase the safety of concrete.

mixed fiber concrete, carbon fiber, high temperature, mechanical property

1009-6825(2016)13-0125-03

2016-02-29

靳巍巍(1982- )，男，碩士，工程師

TU528.1

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