王曉飛，王鵬飛，鄭奇吾，任 舟，趙笑男（.南陽師范學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，河南 南陽 47306；.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西 西安 70055）

碳纖維混凝土因具有良好的力學(xué)性能、壓敏性、溫敏性等被廣泛應(yīng)用于土木工程中。實(shí)際上，其在應(yīng)用與研究中仍然面臨著最基本的問題，即碳纖維混凝土的配合比的設(shè)計(jì)方法。如今，行業(yè)內(nèi)尚無相應(yīng)的配合比設(shè)計(jì)規(guī)范或是統(tǒng)一的被認(rèn)可的配合比設(shè)計(jì)方法。通過大量的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，若保持其他材料不變，則隨著碳纖維的增加，單方混凝土的水泥漿減少；而保持水灰比不變，增加水泥漿，則會(huì)增加單方混凝土的水泥量。若隨著碳纖維摻量的增加而增大砂率或者將碳纖維計(jì)入粗集料，雖然能夠保證混凝土的和易性，但砂率過大，使碳纖維混凝土強(qiáng)度降低。為了碳纖維混凝土的進(jìn)一步合理應(yīng)用，本文提出了一種適用于碳纖維混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法。

1 碳纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)原則

大量研究表明，隨著碳纖維摻量的增加，混凝土的抗壓、抗拉強(qiáng)度先增加后降低，針對(duì)不同的力學(xué)性能，碳纖維具有相應(yīng)的最優(yōu)摻量。在其他組分摻量不變的情況下，摻入碳纖維將導(dǎo)致混凝土和易性變差。因此，為保證碳纖維混凝土強(qiáng)度，碳纖維摻量的最大值需要控制；為獲得具有良好和易性的碳纖維混凝土，需要考慮調(diào)整用水量。

碳纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)的原則如下所示。① 為了保證碳纖維混凝土的強(qiáng)度，除了控制碳纖維的最大摻量，還需控制水膠比，即保持水膠比不變，應(yīng)隨碳纖維摻量的增加而增加水泥漿。② 參考礦物摻合料取代水泥的方法，將碳纖維作為細(xì)集料計(jì)入砂率，同時(shí)保持與原基準(zhǔn)配比中砂率相同，相應(yīng)減少細(xì)集料。此外，由于碳纖維長徑比和比表面積與細(xì)集料長徑比和比表面積相比均較大，因此碳纖維等量取代細(xì)集料后，混凝土的流動(dòng)性將降低。同時(shí)，通過控制碳纖維的摻量及水膠比來保證碳纖維混凝土的強(qiáng)度，通過水泥漿的增加而提高的流動(dòng)性可以補(bǔ)償由碳纖維等量取代細(xì)集料造成的流動(dòng)性降低。

2 碳纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)步驟

按照碳纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)原則對(duì)普通混凝土配合設(shè)計(jì)步驟中用水量、水泥用量及砂、石用量的計(jì)算方法進(jìn)行改造，并控制碳纖維用量。CFRC 配合比設(shè)計(jì)步驟如下所示。

（1）確定配制強(qiáng)度fcu,o。fcu,o計(jì)算公式如式（1）所示，并根據(jù)式（1）求得碳纖維混凝土的配制強(qiáng)度。

V—碳纖維混凝土體積，m3。

碳纖維體積摻量可以根據(jù)試驗(yàn)確定，也可以參照國內(nèi)外已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。本文總結(jié)了國內(nèi)外碳纖維混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，其中，大部分學(xué)者認(rèn)為混凝土抗壓強(qiáng)度隨碳纖維摻量的增加先增大后減小。混凝土中碳纖維的摻量只要不是過多，碳纖維摻量對(duì)混凝土強(qiáng)度的影響即可控制在一定范圍內(nèi)，即控制其最大摻量，其強(qiáng)度即可得到保證?？偨Y(jié)國內(nèi)部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最優(yōu)碳纖維摻量如表 1 所示。根據(jù)表 1 可知，確定碳纖維體積摻量的最大值為 0.5%。

表1 對(duì)應(yīng)于抗壓強(qiáng)度的最優(yōu)碳纖維摻量

（4）確定 1 m3 混凝土的用水量mw0(kg/m3)。當(dāng)碳纖維混凝土水膠比為 0.4～0.8 時(shí)，可參考 JGJ 55—2011 中表5.2.1-1 和表 5.2.1-2 選取基準(zhǔn)用水量mw0,1；水膠比 ＜ 0.4時(shí)，可通過試驗(yàn)確定。

對(duì)碳纖維混凝土經(jīng)過多次試配，確定附加用水量mw0,c的確定原則。按碳纖維每增加 0.1%，以加入水泥漿的方式相應(yīng)增加用水量 2 kg。

附加用水量mw0,c(kg/m3) 的計(jì)算公式如式（4）式所示。

通過以上步驟計(jì)算得到的 1 m3 碳纖維混凝土中各材料的用量，即為計(jì)算配合比。因?yàn)榇伺浜媳仁抢媒?jīng)驗(yàn)公式或經(jīng)驗(yàn)資料獲得，因而按此配制的碳纖維混凝土有可能不符合實(shí)際的要求，所以需要對(duì)配合比進(jìn)行試配、調(diào)整與確定。碳纖維混凝土試配、調(diào)整與確定的方法步驟與普通混凝土一致。

3 碳纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)方法的驗(yàn)證

3.1 設(shè)計(jì)案例

某種鋼筋混凝土構(gòu)件采用碳纖維混凝土，強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)為 C 30，用于干燥環(huán)境。所用原材料為水泥 P·O 42.5，表觀密度ρc=3 100 kg/m3；粉煤灰的摻量βf=20 %，密度ρf=2 080 kg/m3；中砂表觀密度ρso=2 650 kg/m3；碎石最大粒徑為 40 mm，表觀密度ρgo=2 700 kg/m3； 7 mm 短切碳纖維密度ρvc=1 750 kg/m3；砂率為 33 %。

短切碳纖維體積率分別取 0 %、0.24 %、0.30 %、0.40%、0.50 %。根據(jù)上述碳纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)步驟得到 C 30 碳纖維混凝土配合比，如表 2 所示，其中 TY 1 號(hào)為基準(zhǔn)混凝土。

表2 C 30 碳纖維混凝土計(jì)算配合比 kg

為使碳纖維更均勻地分散在混凝土漿體中，采用羥丙基甲基纖維素作為分散劑。何永佳等人[6]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，羥丙基甲基纖維素能顯著改善纖維的分散，按占水泥質(zhì)量百分比計(jì)算，摻量在 0.2 % ～ 0.4 % 時(shí)，分散效果較好。本試驗(yàn)分散劑量為水泥質(zhì)量 0.003 倍。

為了消除碳纖維分散液中的氣泡，加入 622 g/m3的磷酸三丁酯作為消泡劑[7]。

3.2 碳纖維混凝土試件的制備與養(yǎng)護(hù)

參考岳彩蘭[4]的制備方法，即干濕拌相結(jié)合的方法制備碳纖維混凝土試件。

（1）按照表 2 中的配合比稱取水泥、石子、砂、粉煤灰，再將四者同時(shí)投入攪拌機(jī)中干拌 3 min，隨后稱取 30%的水加入攪拌機(jī)中攪拌 5 min。

（2）將剩余 70% 的水加熱到 60 ℃，稱取分散劑，并將其放入水中分散溶解，獲得分散液；向分散液中加入碳纖維，攪拌直至碳纖維完全分散。

（3）在碳纖維分散液中加入消泡劑，繼續(xù)攪拌，直至分散液表面氣泡消失為止。

（4）將碳纖維分散液倒入攪拌機(jī)中，與混凝土濕料一起攪拌 5 min，形成碳纖維混凝土拌合物.

（5）將混凝土拌合物倒入 150 mm×150 mm×150 mm立方體標(biāo)準(zhǔn)試模中，并用電動(dòng)振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行振搗，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù) 48 h 后脫模，再養(yǎng)護(hù) 28 d 后進(jìn)行試驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)表 2 中 5 種不同配合比的碳纖維混凝土進(jìn)行和易性檢驗(yàn)及立方體抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)坍落筒提起后，所有試件對(duì)應(yīng)的碳纖維混凝土拌合物錐體無稀漿從底部析出，表明碳纖維混凝土的保水性良好。在已坍落的碳纖維混凝土錐體一側(cè)輕打，錐體在輕打后漸漸下沉，表明黏聚性良好。每一配合比取 3個(gè)有效坍落度試驗(yàn)結(jié)果的平均值，最終得到的混凝土拌合物坍落度結(jié)果如表 3 所示。

表3 碳纖維混凝土坍落度試驗(yàn)結(jié)果

由表 3 可知，碳纖維混凝土的坍落度并未因?yàn)樘祭w維體積摻量的增加而降低，不同碳纖維體積摻量的碳纖維混凝土坍落度與基準(zhǔn)混凝土的坍落度相差不大，基本都在一個(gè)范圍之內(nèi)。

采用萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)以 0.5 MPa/s 的速度連續(xù)而均勻地加荷。加載過程中，TY 1 試件初始裂縫的出現(xiàn)時(shí)間稍早于 TY 4 試件，且 TY 1 試件裂縫的發(fā)展速度也快于 TY 4 試件；對(duì)比 TY 1 試件與 TY 4 試件破壞時(shí)的狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，TY 4 試件的裂縫發(fā)展較為均勻，短且比較細(xì)的裂縫較多。以上現(xiàn)象均說明摻入碳纖維可以起到很好的阻裂效果，摻入一定量的碳纖維可以提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。

每一配合比取 3 個(gè)有效抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果的平均值。碳纖維混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表 4 所示。

表4 碳纖維混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表 4 可知，碳纖維體積摻量在 0.5 % 以內(nèi)，按照確定的配合比設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的碳纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度均在 30 MPa 以上，碳纖維混凝土的強(qiáng)度等級(jí)可以得到保證；碳纖維體積摻量在 0.5 % 以內(nèi)時(shí)，碳纖維混凝土抗壓強(qiáng)度先增大后降低，碳纖維最優(yōu)體積摻量在 0.3 % 左右。

4 結(jié) 語

在保證強(qiáng)度與和易性的前提下，提出了適合碳纖維混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)方法有效且合理。本文的具體結(jié)論如下。

（1）混凝土中摻入碳纖維將影響其抗壓強(qiáng)度。為了保證碳纖維混凝土的強(qiáng)度，在總結(jié)國內(nèi)外試驗(yàn)研究結(jié)論的基礎(chǔ)上提出碳纖維的最大體積摻量控制值。除此之外，水膠比、砂率也是影響碳纖維混凝土抗壓強(qiáng)度的主要因素，為了保證碳纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度，水膠比根據(jù)式（2）計(jì)算且不允許調(diào)整變大，將碳纖維作為細(xì)集料計(jì)入砂率，同時(shí)保持與原基準(zhǔn)配比中砂率相同，相應(yīng)減少細(xì)集料。

（2）混凝土中若摻入碳纖維將降低其和易性。為了保證碳纖維混凝土的和易性，在保持水膠比不變的基礎(chǔ)上，按碳纖維每增加 0.1 %，以加入水泥漿的方式相應(yīng)增加用水量2 kg。

（3）利用試驗(yàn)驗(yàn)證了本文所提出的碳纖維混凝土配合比設(shè)計(jì)方法的合理性及適用性。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，碳纖維體積摻量在0.5 % 以內(nèi)，碳纖維混凝土的強(qiáng)度等級(jí)可以得到保證；碳纖維最優(yōu)體積摻量大約在 0.3 % 左右。