張旭輝，劉發(fā)明，周　婷

（1.宿州學(xué)院　資源與土木工程學(xué)院；2.　宿州學(xué)院　環(huán)境與測(cè)繪工程學(xué)院，安徽　宿州　234000）

不同質(zhì)量比碳纖維混凝土力學(xué)性能的研究

張旭輝1，劉發(fā)明1，周婷2

（1.宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院；2.宿州學(xué)院環(huán)境與測(cè)繪工程學(xué)院，安徽宿州234000）

將質(zhì)量比分別為1/600，1/700，1/800，1/900，1/1000的碳纖維加入到水泥基體中，在同條件養(yǎng)護(hù)下制成不同質(zhì)量比的碳纖維增強(qiáng)水泥基的復(fù)合材料即碳纖維混凝土，養(yǎng)護(hù)完成后對(duì)試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗劈拉強(qiáng)度測(cè)試，通過(guò)比較得出碳纖維混凝土的抗劈拉強(qiáng)度隨碳纖維質(zhì)量的增加而增加，即1/700質(zhì)量比的碳纖維混凝土有最大抗拉強(qiáng)度值，但所有碳纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度都小于素混凝土原有的強(qiáng)度.同時(shí)碳纖維混凝土在承受壓力破碎的時(shí)候，能夠較長(zhǎng)時(shí)間保持試塊的完整性，使其碎而不散.所以碳纖維能有效地改善混凝土的脆性，并能有效的改善混凝土因破壞而出現(xiàn)的剝離現(xiàn)象.

質(zhì)量比；碳纖維混凝土；力學(xué)性能；抗壓強(qiáng)度；抗拉強(qiáng)度

混凝土是當(dāng)今建筑的主要材料，以其抗壓強(qiáng)度高，價(jià)格低廉，使用方便等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用與建筑物中［1-3］.但混凝土屬于脆性材料，當(dāng)發(fā)生破壞時(shí)毫無(wú)征兆，具有不可預(yù)見(jiàn)性.因此當(dāng)?shù)卣鸬茸匀粸?zāi)害來(lái)臨時(shí)，混凝土的脆性斷裂往往會(huì)給人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)不可估量的損失.

碳纖維是一種含碳量在90%以上的呈纖維狀的新一代復(fù)合材料，是具有高強(qiáng)度，高模量，耐高溫，耐腐蝕，導(dǎo)電和導(dǎo)熱等性能優(yōu)異的化工新材料.由于生產(chǎn)工藝較為復(fù)雜，其生產(chǎn)主要集中在日本，英國(guó)，美國(guó)，法國(guó)等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家［4-6］.所以碳纖維的價(jià)格較為昂貴，限制了其使用的規(guī)模與范圍.然而我國(guó)碳纖維的研制工作已從六十年代后期開(kāi)始，至今約有50多年的歷史了［7-10］.隨著我國(guó)研制碳纖維能力的不斷提高以及我國(guó)碳纖維需求量的攀升，我國(guó)正將邁入碳纖維大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的時(shí)期.所以在不久的將來(lái)碳纖維的價(jià)格將會(huì)有所下降，大規(guī)模使用碳纖維的時(shí)期將會(huì)來(lái)臨.為了更好地將碳纖維應(yīng)用到建筑上，本文將短切碳纖維以三維亂向的形式摻入混凝土中，制成不同質(zhì)量比的碳纖維混凝土（Carbon Fiber Reinforced Concerete）縮寫(xiě)為CFRC，通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)，收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析得出結(jié)論，為碳纖維混凝土的應(yīng)用提供更加科學(xué)的依據(jù)［11-12］.

1　試驗(yàn)概況

1.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)在標(biāo)準(zhǔn)的立方體混凝土試塊中摻入質(zhì)量比分別為1/600，1/700，1/800，1/900，1/1000的東邦UTS50F22的短切碳纖維，來(lái)研究不同質(zhì)量比的碳纖維對(duì)混凝土的抗壓基本力學(xué)性能的影響.

1.2試驗(yàn)材料

細(xì)骨料：Ⅱ級(jí)中砂；粗骨料：宿州當(dāng)?shù)厮槭?，最大粒?0mm；膠凝材料：P.O42.5普通硅酸鹽水泥；水：宿州當(dāng)?shù)刈詠?lái)水；碳纖維：東邦UTS50F22，中等模量，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1，實(shí)物見(jiàn)圖1.

表1　碳纖維技術(shù)指標(biāo)

圖1　碳纖維

1.3試塊的制作與養(yǎng)護(hù)

試驗(yàn)選取的水灰比為0.42，水泥：細(xì)骨料：粗骨料：水=392:640:1204:164每三塊試塊為一組，詳細(xì)配合比用料見(jiàn)表2，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28天.

2　力學(xué)性能試驗(yàn)

表2　混凝土抗壓試驗(yàn)試塊的配合比

2.1抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

2.1.1試驗(yàn)準(zhǔn)備

本項(xiàng)目抗壓試驗(yàn)是以自檢的方式，委托合肥市合工大共達(dá)工程質(zhì)量檢測(cè)中心進(jìn)行混凝土抗壓試驗(yàn)，并出具混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)報(bào)告.

2.1.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)

碳纖維混凝土抗壓試驗(yàn)利用TYE-2000B型壓力試驗(yàn)機(jī)，分別對(duì)送檢的6組試件按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2002）進(jìn)行抗壓檢測(cè)，分別得出素混凝土、1/600碳纖維混凝土、1/700碳纖維混凝土、1/800碳纖維混凝土、1/900碳纖維混凝土、1/1000碳纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度值，詳細(xì)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3：

表3　碳纖維混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)

2.1.3試驗(yàn)分析

通過(guò)原始數(shù)據(jù)分別繪制同組但不同質(zhì)量比的混凝土抗壓強(qiáng)度值比較圖，以及同質(zhì)量比不同組混凝土抗壓強(qiáng)度值比較圖，如圖2和圖3所示.

通過(guò)在同質(zhì)量比不同組碳纖維混凝土與素混凝土比較圖中發(fā)現(xiàn)：摻入碳纖維的混凝土并未增強(qiáng)原混凝土的抗壓強(qiáng)度，基本上都低于原有強(qiáng)度；同組不同質(zhì)量比碳纖維混凝土與素混凝土比較圖中得出：隨著碳纖維摻量的逐漸增加抗壓強(qiáng)度值逐漸上升，但都小于原有強(qiáng)度.

通過(guò)分析得出摻入碳纖維的混凝土強(qiáng)度之所以比原有混凝土強(qiáng)度低，其主要原因可能是由于碳纖維的摻入導(dǎo)致了混凝土的空隙率增大，使得混凝土強(qiáng)度的降低.

如圖4所示，在比較素混凝土與碳纖維混凝土承受壓力荷載后的變形程度時(shí)發(fā)現(xiàn)，素混凝土在承受荷載破壞后，破壞形態(tài)成沙漏狀，即承載面周?chē)炷撩嫫茐妮^嚴(yán)重，出現(xiàn)了大面積的混凝土脫落剝離現(xiàn)象；而碳纖維混凝土在承受荷載過(guò)后，承載面周?chē)炷撩嫖闯霈F(xiàn)較大面積的混凝土脫落現(xiàn)象，四周混凝土面能基本保持原有的立方體形態(tài)，承壓面周?chē)茐拿婊旧夏鼙３制淞⒎襟w的完整性.由此可以得出：碳纖維在混凝土中能夠有效約束破碎的混凝土，能夠有效的延緩破碎混凝土的剝離脫落的時(shí)間，從而改善了混凝土的脆性破壞.

圖2　同組不同質(zhì)量比抗壓強(qiáng)度值比較圖

圖3　同質(zhì)量比不同組抗壓強(qiáng)度值比較圖

圖4　素混凝土與碳纖維混凝土抗壓破壞對(duì)比圖

2.2劈裂試驗(yàn)

2.2.1試驗(yàn)準(zhǔn)備

本項(xiàng)目劈裂試驗(yàn)也是以自檢的方式，委托合肥市合工大共達(dá)工程質(zhì)量檢測(cè)中心進(jìn)行混凝土劈裂試驗(yàn)，并出具混凝土劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)報(bào)告，從而得出混凝土抗拉力學(xué)性能.

2.2.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)

碳纖維混凝土劈裂試驗(yàn)利用TYE-2000B型壓力試驗(yàn)機(jī)和劈裂試驗(yàn)夾具，分別對(duì)送檢的6組試件按照《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2002）進(jìn)行劈裂試驗(yàn)檢測(cè)，分別得出素混凝土、1/600碳纖維混凝土、1/700碳纖維混凝土、1/800碳纖維混凝土、1/900碳纖維混凝土、1/1000碳纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度值，詳細(xì)數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4.

表4　素混凝土劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)

2.2.3試驗(yàn)分析

通過(guò)原始數(shù)據(jù)分別繪制同組但不同質(zhì)量比的混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度值比較圖，以及同質(zhì)量比不同組混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度值比較圖，如圖4和圖5所示.

圖4　同組不同質(zhì)量比劈裂強(qiáng)度值比較圖

圖5　同質(zhì)量比不同組抗壓強(qiáng)度值比較圖

通過(guò)在同質(zhì)量比不同組碳纖維混凝土與素混凝土比較圖中發(fā)現(xiàn)：摻入碳纖維的混凝土明顯增強(qiáng)了原混凝土的抗拉強(qiáng)度，基本上所有碳纖維混凝土都高于素混凝土的抗拉強(qiáng)度；同組不同質(zhì)量比碳纖維混凝土與素混凝土比較圖中得出：隨著碳纖維摻量的逐漸變化抗拉強(qiáng)度值也在不斷地變化，但都高于素混凝土原有的抗拉強(qiáng)度；其中在質(zhì)量比為1/700碳纖維混凝土出現(xiàn)了峰值，及碳纖維摻量為1/700時(shí)抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大.

圖6　素混凝土與碳纖維混凝土劈裂破壞對(duì)比圖

根據(jù)圖6所示以及比較素混凝土與碳纖維混凝土承受劈裂荷載后的變形程度發(fā)現(xiàn)，素混凝土在承受荷載破壞后，劈裂邊緣破壞形態(tài)為脆性破壞，而碳纖維混凝土在承受劈裂荷載后，劈裂邊緣由于碳纖維的約束作用使得混凝土塊在承受脆性破壞的同時(shí)呈現(xiàn)出了柔性破壞.由此可以得出：碳纖維混凝土顯著地增強(qiáng)了混凝土抗拉性能.

由于碳纖維能有效改善混凝土的脆性破壞，防止素混凝土因承受荷載而導(dǎo)致的混凝土剝離現(xiàn)象，因此如果利用碳纖維來(lái)約束混凝土碎塊的性能應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中，可以明顯改善建筑結(jié)構(gòu)在承受地震等自然災(zāi)害時(shí)產(chǎn)生的巨大荷載時(shí)發(fā)生的剝離脫落現(xiàn)象，延緩破碎的混凝土塊高空墜落的時(shí)間，提高結(jié)構(gòu)整體的抗震性能，保證了人們生命和財(cái)產(chǎn)的安全.

3　結(jié)論

（1）碳纖維的摻入能有效的改善混凝土的脆性破壞，能夠有效的防止因混凝土的脆性破壞導(dǎo)致的混凝土剝落現(xiàn)象，即基本上能夠保持其立方體的整體形態(tài).

（2）不同質(zhì)量比的碳纖維對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度有明顯的影響，但碳纖維的摻入并不能顯著增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度.

（3）在本次試驗(yàn)中，碳纖維顯著改善混凝土的抗拉強(qiáng)度，從1/1000碳纖維摻量開(kāi)始隨摻入的碳纖維質(zhì)量比的增加抗拉強(qiáng)度增加，當(dāng)摻量為1/700時(shí)達(dá)到最大值，繼續(xù)增加碳纖維量則抗拉強(qiáng)度下降.其中抗拉強(qiáng)度最佳碳纖維質(zhì)量比為1/700.

（4）在混凝土養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，必須要控制好養(yǎng)護(hù)的溫度和濕度，并且在試塊脫模過(guò)后，周?chē)荒苡妹芊庑暂^高的薄膜纏繞，否則會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部水氣不能有效地排出從而影響混凝土中水泥的水化作用，大大降低混凝土試塊的強(qiáng)度.

（5）通過(guò)本次試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)碳纖維能夠有效的約束破碎的混凝土.因此可以利用碳纖維的約束特性將其應(yīng)用到工程實(shí)際中去，從而可以有效改善混凝土的脆性，避免了因混凝土脆性剝離脫落導(dǎo)致的不必要的生命和財(cái)產(chǎn)的損失.

〔1〕任彥華，程赫明，何天淳，代若愚.碳纖維混凝土的力學(xué)性能試驗(yàn)研究［J］.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（5）:697-702.

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TU528.58

A

1673-260X（2016）07-0158-04

2016-04-11

安徽高校自然科學(xué)研究項(xiàng)目（KJ2016A773）；安徽省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（AH201410379050）；宿州學(xué)院大學(xué)生科研立項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目（KYLXLKZD14-01）；宿州學(xué)院校級(jí)質(zhì)量工程教學(xué)研究項(xiàng)目（szxy2015jy15）