碳纖維輕骨料混凝土力學(xué)性能試驗研究*

楊 虹， 王海龍， 王紅珊， 孫 松， 劉思盟， 王 子

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院， 呼和浩特 010018)

0 引言

浮石是火山噴發(fā)而形成的固體物質(zhì)，其具有較多孔隙且質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)輕于普通碎石，具有優(yōu)秀的耐酸堿、腐蝕的性質(zhì)。在制備混凝土過程中不會對環(huán)境造成污染，是替代普通碎石的理想材料。在內(nèi)蒙古地區(qū)存在大量天然浮石，將浮石作為粗骨料應(yīng)用于混凝土中制成輕骨料混凝土，輕骨料混凝土具有孔隙率大、密度低、抗凍性和保溫性好的優(yōu)點，所以被廣泛的應(yīng)用[1]。但是輕骨料混凝土與普通混凝土也存在同樣的缺陷，其抗壓抗拉抗折強(qiáng)度低、耐磨性差、抗?jié)B性差，會在一定程度影響輕骨料混凝土的應(yīng)用[2]。

為了彌補(bǔ)普通混凝土自身的不足，諸多國內(nèi)外學(xué)者對在混凝土中摻入纖維進(jìn)行了廣泛研究，產(chǎn)生了纖維混凝土，又稱纖維增強(qiáng)混凝土[3]。在混凝土中摻入纖維可以提高混凝土抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度[4-5]和抗折強(qiáng)度[6]等。碳纖維的摻入可以改善混凝土的性能，延緩混凝土表面裂縫的出現(xiàn)，阻止內(nèi)部微裂紋的擴(kuò)展[7]。

在內(nèi)蒙古地區(qū)，實際工程中粗骨料多采用天然浮石，由于其使用時間較短，所以對在輕骨料混凝土中摻入碳纖維的研究很少。纖維增強(qiáng)混凝土可以提高混凝土在實際應(yīng)用中的力學(xué)性能。為了使碳纖維輕骨料混凝土在內(nèi)蒙古地區(qū)得到廣泛使用，本文對其力學(xué)性能進(jìn)行研究。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

水泥：P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，其性能指標(biāo)見表1；粗骨料：內(nèi)蒙古錫林浩特天然浮石，其物理性能見表2；細(xì)骨料：天然河砂，中砂，顆粒級配Ⅱ區(qū)，細(xì)度模數(shù)2.5，堆積密度1 565kg/m3，表觀密度2 650kg/m3；粉煤灰：呼和浩特市某熱電廠Ⅰ級粉煤灰；水：自來水；減水劑：木質(zhì)素磺酸鈣，減水率20%；纖維：北京某廠生產(chǎn)的碳纖維布，彈性模量2.4×105GPa，伸長率1.7%，后經(jīng)人工裁剪成長度不超過20mm的碳纖維。

P.O42.5普通硅酸鹽水泥性能指標(biāo) 表1

浮石的物理性能指標(biāo) 表2

1.2 試驗設(shè)計

制備100mm×100mm×100mm立方體試塊，置于標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)。試驗按照碳纖維體積摻量的不同分為6組，減水劑的摻量為膠凝材料的0.5%，配合比見表3。碳纖維的體積摻量分別為0，0.3%，0.6%，0.9%，1.2%，1.5%，命名為D，D-1，D-2，D-3，D-4，D-5。每組均選取3個平行試塊，分別測試3，7，14，28d的立方體抗壓強(qiáng)度，28d劈裂抗拉強(qiáng)度，取其算術(shù)平均值作為該組試塊的強(qiáng)度值。待試塊養(yǎng)護(hù)28d后，對其進(jìn)行SEM電鏡試驗和氣孔結(jié)構(gòu)試驗。

混凝土配合比設(shè)計 表3

1.3 試驗方法

本文采用微機(jī)控制全自動壓力試驗機(jī)(圖1)測試混凝土試塊的立方體抗壓強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度采用WAW型微機(jī)控制點液伺服萬能試驗機(jī)(圖2)進(jìn)行測試，采用S-4800型環(huán)境掃描電子顯微鏡(圖3)觀察混凝土內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，采用Rapid Air457氣孔間距分析儀(圖4)測試混凝土內(nèi)部的孔隙間距系數(shù)，含氣量、孔隙比表面積、氣泡頻率、氣泡的平均弦長等參數(shù)。

圖1 微機(jī)控制全自動壓力試驗機(jī)

圖2 WAW型微機(jī)控制點液伺服萬能試驗機(jī)

圖3 S-4800型環(huán)境掃描電子顯微鏡

圖4 Rapid Air457氣孔間距分析儀

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 碳纖維對輕骨料混凝土立方體抗壓強(qiáng)度發(fā)育的影響

圖5是齡期與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系，從圖中可以看出，隨著齡期的增長，混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸增大。當(dāng)碳纖維的體積摻量為0.3%和0.6%時，其抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)組有所提高；當(dāng)大于碳纖維的體積摻量0.6%后，抗壓強(qiáng)度逐漸下降，其中碳纖維的體積摻量為1.5%時下降幅度最大。

圖5 齡期與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

圖6是碳纖維的體積摻量與抗壓強(qiáng)度變化率的關(guān)系，抗壓強(qiáng)度變化率是指混凝土試驗組與基準(zhǔn)組的抗壓強(qiáng)度差值和基準(zhǔn)組抗壓強(qiáng)度的比值。從圖中可以看出，與基準(zhǔn)組相比，在碳纖維的體積摻量不斷增加的情況下，混凝土的抗壓強(qiáng)度變化率逐漸下降。碳纖維的體積摻量以0.6%為分界線，當(dāng)碳纖維的體積摻量低于分界線水平時，碳纖維的摻入提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度；當(dāng)碳纖維的體積摻量大于分界線水平時，試塊的抗壓強(qiáng)度低于基準(zhǔn)組。相比于基準(zhǔn)組，當(dāng)碳纖維的體積摻量為0.3%時，3，7，14，28d的抗壓強(qiáng)度分別提高了20.04%，12.17%，10.94%，10.28%；當(dāng)碳纖維的體積摻量為0.6%時，其各齡期的抗壓強(qiáng)度分別提高了10.12%，5.41%，0.69%，2.92%；當(dāng)碳纖維的體積摻量為0.9%時，其各齡期的抗壓強(qiáng)度分別降低了7.08%，21.64%，17.55%，19.43%。

圖6 碳纖維的體積摻量與抗壓強(qiáng)度變化率的關(guān)系

當(dāng)碳纖維的體積摻量為0.3%時，可以明顯提高混凝土的抗壓強(qiáng)度，28d立方體抗壓強(qiáng)度值較基準(zhǔn)組提高了10.28%，造成這種變化的原因：一是在輕骨料混凝土中加入碳纖維，碳纖維均勻無序的分布在混凝土中，其“空間約束”特性充分體現(xiàn)，在混凝土硬化過程中阻止了粗細(xì)骨料沉降產(chǎn)生的離析。二是在混凝土受力過程中碳纖維與混凝土共同承擔(dān)荷載，混凝土受壓產(chǎn)生橫向變形，向四周膨脹，碳纖維受拉起到了傳接力的紐帶作用，阻止了混凝土中舊裂紋的擴(kuò)展和新裂紋的產(chǎn)生。三是在混凝土制備過程中加入粉煤灰，使水泥與第二相材料之間的界面過渡區(qū)變得更加密實，提高了碳纖維與混凝土的界面粘結(jié)程度[8]，同時水泥漿與骨料的粘結(jié)力也隨著提高，從而提高了混凝土的強(qiáng)度。

當(dāng)碳纖維的體積摻量大于0.6%時，混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸下降，原因在于：碳纖維的摻入量過多，人工分散不能使碳纖維均勻分布，碳纖維成團(tuán)，使混凝土內(nèi)部構(gòu)成新的缺陷，對混凝土的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生減益效果，碳纖維的大量加入增大了碳纖維的表面積[9]，使水泥對碳纖維的包裹不充分，降低了水泥與碳纖維的粘結(jié)程度；同時，碳纖維大量加入增大了混凝土的孔隙率，從而降低了混凝土的抗壓強(qiáng)度。

2.2 碳纖維對輕骨料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的影響

圖7為碳纖維的摻量對混凝土28d劈裂抗拉強(qiáng)度的影響，從圖中可以看出，隨著碳纖維的體積摻量的增加，輕骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增強(qiáng)后降低再增強(qiáng)的趨勢。碳纖維在混凝土內(nèi)部無序交錯分布，有的碳纖維處于纖維增強(qiáng)方向，有的碳纖維處于非纖維增強(qiáng)方向，處于纖維增強(qiáng)方向上的碳纖維能夠充分發(fā)揮作用，有效提高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度；而處于非纖維增強(qiáng)方向的碳纖維則不能發(fā)揮阻裂、抗拉的作用，此時混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度主要由基體本身的強(qiáng)度決定?；炷恋呐芽估瓘?qiáng)度先增強(qiáng)后降低與混凝土的抗壓強(qiáng)度變化趨勢相同，因為D-1,D-2組試塊的混凝土碳纖維的體積摻量較少，其碳纖維的分布方向又是隨機(jī)的，能夠發(fā)揮增強(qiáng)作用的碳纖維量也較少，所以其劈裂抗拉強(qiáng)度由基體本身的強(qiáng)強(qiáng)度和少量碳纖維共同決定，但是主要還是由基體的強(qiáng)度決定。D-5組混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到最高值，是因為當(dāng)碳纖維的體積摻量達(dá)到1.5%時，即使碳纖維在混凝土內(nèi)部的分布方向是隨機(jī)的，但是在纖維增強(qiáng)方向上分布的碳纖維數(shù)量較之前的組會有所提高，此時基體的劈裂抗拉強(qiáng)度主要由碳纖維決定。

圖7 碳纖維輕骨料混凝土28d劈裂抗拉強(qiáng)度

表4為碳纖維輕骨料混凝土的劈壓比值，由表4可見，混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度整體上呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢，即隨著抗壓強(qiáng)度的增長，劈裂抗拉強(qiáng)度也隨之增長，反之亦然；但是，當(dāng)碳纖維的體積摻量為1.5%時，其規(guī)律發(fā)生變化，抗壓強(qiáng)度降低但劈裂抗拉強(qiáng)度反而升高。碳纖維輕骨料混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度增長速率大于抗壓強(qiáng)度增長速率，即表4中的劈壓比逐漸增大，說明碳纖維的摻入對混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度影響較大，改善了混凝土的脆性破壞。

2.3 碳纖維輕骨料混凝土的微觀結(jié)構(gòu)

圖8為碳纖維輕骨料混凝土28d的SEM照片。

碳纖維輕骨料混凝土28d劈壓比 表4

圖8 碳纖維輕骨料混凝土28d的SEM照片

由圖8(a)可知，碳纖維輕骨料混凝土的表面有許多的裂紋存在，這些裂紋可能是受到荷載而產(chǎn)生的，也可能是由混凝土變形引起的，主要是在混凝土凝結(jié)硬化中和凝結(jié)硬化之后，產(chǎn)生一定的體積變形，體積變化使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微小的裂紋。由圖8(b)和圖8(c)可知，碳纖維在混凝土中無序交錯分布，被水泥漿體緊密包裹，在混凝土內(nèi)部形成密實三維網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)，提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，與2.1和2.2節(jié)中的試驗結(jié)果相符。由圖8(d)可以看到，碳纖維橫跨兩條主裂紋，在外力作用下，混凝土內(nèi)部的界面微裂縫尖端成為應(yīng)力集中位置，當(dāng)應(yīng)力超過強(qiáng)度，微裂縫開始沿混凝土中的最薄弱區(qū)[10]——水泥石與集料界面擴(kuò)展，并隨荷載增大而蔓延到水泥漿基體中。此時，碳纖維的存在特別是橫跨裂縫兩端的碳纖維可起到承擔(dān)拉應(yīng)力、阻礙裂縫擴(kuò)展的作用，提升了混凝土的抗壓強(qiáng)度，與2.2節(jié)中的試驗結(jié)果相符。

由圖8(e)和圖8(f)可以看出，由于碳纖維的體積摻量增大，碳纖維沒有充分分散，碳纖維與混凝土基體的界面結(jié)合層不產(chǎn)生反應(yīng)，水灰比和孔隙率較高，甚至產(chǎn)生了酥松的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成界面薄弱區(qū)，導(dǎo)致混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸降低[11]，這與2.1節(jié)的試驗結(jié)果相符。但是，隨著碳纖維的體積摻量增加，纖維增強(qiáng)方向上分布的碳纖維數(shù)量有所提高，碳纖維在基體內(nèi)部有效減緩裂紋尖端的應(yīng)力集中，提高混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度。D-5組的碳纖維的體積摻量最高，所以其劈裂抗拉強(qiáng)度最高，為3.21MPa，這與2.2節(jié)的試驗結(jié)果相符。

2.4 碳纖維輕骨料混凝土的氣孔結(jié)構(gòu)試驗分析

2.4.1 碳纖維輕骨料混凝土的氣孔特征參數(shù)分析

碳纖維輕骨料混凝土氣孔結(jié)構(gòu)分析試驗結(jié)果見表5，由表可以看出，隨著碳纖維的體積摻量的增加，混凝土的含氣量呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢，D-1組混凝土的含氣量最低，與D組相比含氣量降低了11.59%，D-5組的含氣量最高，為53.37%，與D組相比增加了19.19%。因為碳纖維的彈性模量較混凝土的高，摻入混凝土內(nèi)部可以有效抑制混凝土早期的干縮開裂，降低孔隙率，抑制內(nèi)部微小裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，從而提高混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度；但是當(dāng)碳纖維的體積摻量過多時會使含氣量增大，降低混凝土的抗壓強(qiáng)度，這與2.1和2.2節(jié)中的試驗結(jié)果相符。

碳纖維輕骨料混凝土氣孔結(jié)構(gòu)分析試驗結(jié)果 表5

孔隙比表面積[12]是描述混凝土孔隙大小的指標(biāo)。含氣量相同時，孔隙個數(shù)越多，平均孔隙直徑越小，孔隙比表面積就會越大。從表5可以看出，隨著碳纖維的體積摻量的增加，孔隙比表面積整體上呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，但是都高于未摻碳纖維時，主要是由于D組未摻碳纖維的混凝土中的小孔隙和中孔隙較多。隨著碳纖維的體積摻量的增加，孔隙間距系數(shù)呈現(xiàn)先減小再增大再減小的趨勢，與含氣量的變化規(guī)律相反，這是由于含氣量的減小必然導(dǎo)致孔隙間距系數(shù)的增大。

2.4.2 碳纖維輕骨料混凝土氣泡弦長頻率分析

我國著名科學(xué)家吳中偉[13]在 1973 年提出混凝土孔級劃分，將孔徑分為四個等級。這里將孔徑分為小孔隙(<0.05mm)、中孔隙(0.05～0.10mm)、大孔隙(0.10～0.50mm)和超大孔隙(>0.5mm)進(jìn)行分析研究。

表6為碳纖維輕骨料混凝土氣泡弦長頻率分析試驗結(jié)果，可以看出：摻入碳纖維，可以提升小孔隙和中孔隙的出現(xiàn)頻率，降低大孔隙和超大孔隙的出現(xiàn)頻率。與基準(zhǔn)組相比，D-1組的小孔隙頻率提升了25.8%，中孔隙頻率提升了1.32%，大孔隙頻率降低了13.47%，超大孔隙頻率降低了13.63%，其孔隙分布較其他組最優(yōu)，所以其抗壓強(qiáng)度最高，與2.1節(jié)中試驗結(jié)果相符。由表6可得，摻入碳纖維可以降低混凝土大孔隙和超大孔隙的出現(xiàn)頻率，促進(jìn)混凝土中的超大孔隙和大孔隙向小孔隙和中孔隙轉(zhuǎn)化。

碳纖維輕骨料混凝土氣泡弦長頻率分析試驗結(jié)果/% 表6

唐路平[14]在并聯(lián)多孔體模型基礎(chǔ)上推導(dǎo)出多孔材料強(qiáng)度與孔徑分布的關(guān)系，提出當(dāng)材料的孔隙率相同時，大孔隙越多強(qiáng)度越低，適當(dāng)增加小孔隙的比例，可以延緩有效面積率的減小。由表6可以看出，D-1組混凝土的小孔隙和中孔隙的頻率較D組增加了61.62%，所以D-1組混凝土的立方體抗壓強(qiáng)度比D組高。到D-2組之后，雖然其小孔隙和中孔隙的頻率比D組高，但是因其碳纖維的體積摻量的增大，其碳纖維與混凝土基體的界面薄弱區(qū)增多，孔隙率變大，所以其抗壓強(qiáng)度較D組低，這與2.1節(jié)中的試驗結(jié)果相符。

2.4.3 基于灰色理論下碳纖維輕骨料混凝土氣泡與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系研究

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度原理，設(shè)混凝土的抗壓強(qiáng)度為母序列Y1，含氣量、孔隙比表面積、孔隙間距系數(shù)、氣泡的平均弦長、0～0.05mm弦長、0.05～0.10mm弦長、0.10～0.50mm弦長、0.50～4.00mm弦長為子序列，記為：X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8。計算得到的關(guān)聯(lián)度如表7所示。

關(guān)聯(lián)度 表7

由灰色關(guān)聯(lián)度結(jié)果(表7)可知：碳纖維輕骨料混凝土的28d抗壓強(qiáng)度與氣泡參數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)度由大到小排序為：氣泡的平均弦長>含氣量>孔隙間距系數(shù)>孔隙比表面積，不同弦長頻率與抗壓強(qiáng)度的灰色關(guān)聯(lián)度由大到小排序為：0.10～0.50mm弦長>0.05～0.10mm弦長>0.50～4.00mm弦長>0.00～0.05mm弦長。氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)中影響混凝土強(qiáng)度的最主要因素是氣泡的平均弦長，氣泡弦長中0.10～0.50mm弦長的氣泡是影響混凝土強(qiáng)度的最主要因素。

3 結(jié)論

(1)在本試驗條件下，碳纖維的體積摻量為0.3%的碳纖維混凝土的抗壓性能達(dá)到最優(yōu)。即當(dāng)碳纖維的體積摻量為0.3%時，其28d抗壓強(qiáng)度提高了10.28%，混凝土的抗壓強(qiáng)度明顯提高，優(yōu)于基準(zhǔn)組；碳纖維的體積摻量大于0.6%時，會導(dǎo)致抗壓強(qiáng)度下降。并且碳纖維的摻入明顯提高混凝土的抗拉性能，改善混凝土的脆性破壞。

(2)適量碳纖維在混凝土內(nèi)部形成密實三維網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)，有效抑制混凝土內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展；但是隨著碳纖維的體積摻量的增大，碳纖維與混凝土基體界面形成界面薄弱區(qū)，降低混凝土的力學(xué)性能。

(3)碳纖維的摻入可以改變混凝土的含氣量，相較基準(zhǔn)組，D-1組的含氣量降低了11.59%；使混凝土內(nèi)部的超大孔隙向小孔隙和中孔隙轉(zhuǎn)化，改善混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)。

(4)氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)中影響混凝土強(qiáng)度的最主要因素是氣泡的平均弦長，氣泡弦長中0.10～0.50mm弦長的氣泡是影響混凝土強(qiáng)度的最主要因素。