羅 輝
(中鐵十九局集團(tuán)第七工程有限公司,廣東 珠海 519000)
根據(jù)碳纖維體積摻量(0、0.3%、0.6%、0.9%、1.2%、1.5%)劃分為6組,依次命名為D(對(duì)照組,未摻碳纖維)、D-1、D-2、D-3、D-4、D-5。各組均為100 mm×100 mm×100 mm試塊,減水劑摻量取膠凝材料的0.5%,各組分別取3個(gè)平行試塊,標(biāo)準(zhǔn)條件養(yǎng)護(hù),測(cè)定3、7、14、28 d抗壓強(qiáng)度以及28 d劈裂抗拉強(qiáng)度,匯總測(cè)定數(shù)據(jù)并展開(kāi)計(jì)算,求取算術(shù)平均值作為試塊的強(qiáng)度值。此外,為掌握不同摻量下混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu),安排SEM電鏡試驗(yàn)和氣孔結(jié)構(gòu)試驗(yàn),做綜合判斷。
齡期與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系如圖1所示。在齡期延長(zhǎng)之下,抗壓強(qiáng)度增加。具體而言,抗壓強(qiáng)度的增加具有階段性變化的特征,碳纖維摻量為0.3%、0.6%時(shí),該值較之于基準(zhǔn)組(未摻碳纖維)均有明顯的提升;摻量超過(guò)0.6%后有下降的趨勢(shì)。
圖1 齡期與抗壓強(qiáng)度的關(guān)系
碳纖維摻量與抗壓強(qiáng)度變化率的關(guān)系如圖2所示。在碳纖維摻量增加時(shí)抗壓強(qiáng)度變化率降低,其中以0.6%的摻量最為特殊,可視為分界點(diǎn),低于該值時(shí)碳纖維的摻入會(huì)使抗壓強(qiáng)度提高,超過(guò)該值時(shí)則抗壓強(qiáng)度低于基準(zhǔn)組。碳纖維的摻量為0.3%時(shí),對(duì)性能提升的促進(jìn)作用突出,抗壓強(qiáng)度大幅提高,通過(guò)與基準(zhǔn)組28 d立方體抗壓強(qiáng)度的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),該指標(biāo)的增幅達(dá)到10.28%。其原因主要如下。
1)碳纖維在混凝土中呈無(wú)序分布的狀態(tài),存在強(qiáng)烈的“空間約束”特性,隨著混凝土的逐步硬化,有效抑制粗細(xì)集料的離析,各類原材料的結(jié)合更加充分與可靠。
2)碳纖維與混凝土共同承受荷載作用,在受壓條件下混合料發(fā)生橫向變形現(xiàn)象,迫使原結(jié)構(gòu)形態(tài)改變,具有向四周膨脹的變化趨勢(shì),該過(guò)程中碳纖維受拉,可作為傳接力的紐帶,得益于此力學(xué)作用關(guān)系,規(guī)避了新裂紋的產(chǎn)生,也抑制了舊裂紋的發(fā)展,各類裂縫可控。
3)由于粉煤灰的摻入,纖維與混凝土的界面粘結(jié)穩(wěn)定性增強(qiáng),且水泥漿液與骨料間存在較強(qiáng)的粘結(jié)力,有利于提高混合料的整體強(qiáng)度。
圖2 碳纖維摻量與抗壓強(qiáng)度變化率的關(guān)系
碳纖維摻量超過(guò)0.6%時(shí)抗壓強(qiáng)度下降,究其原因有:①摻入的碳纖維數(shù)量較多,在混合料中的分布缺乏均勻性,局部成團(tuán)結(jié)塊,隨之產(chǎn)生新缺陷,對(duì)抗壓強(qiáng)度有削弱作用;②摻入量偏高時(shí)碳纖維的表面積加大,水泥材料的總量有限,對(duì)碳纖維的包裹不充分,破壞了水泥與碳纖維的結(jié)合狀態(tài)(粘結(jié)性能下降);③受大量碳纖維的影響,混凝土的孔隙率增加,帶來(lái)強(qiáng)度降低的變化。
不同碳纖維摻量下的28 d劈裂抗拉強(qiáng)度如圖3所示。
圖3 碳纖維輕骨料混凝土28 d劈裂抗拉強(qiáng)度
在碳纖維摻入量增加后,28 d劈裂抗拉強(qiáng)度呈階段性變化,具有先增加、后降低、再增加的特點(diǎn)。碳纖維在混凝土中的分布缺乏秩序性,位于纖維增強(qiáng)方向時(shí)摻入材料的性能優(yōu)勢(shì)得以發(fā)揮,劈裂抗拉強(qiáng)度增加;而部分碳纖維位于非增強(qiáng)方向,阻裂、抗拉效果有限,在提高劈裂抗拉強(qiáng)度方面的作用不足(此時(shí)劈裂抗拉強(qiáng)度主要取決于基體自身強(qiáng)度)。通過(guò)與抗拉強(qiáng)度變化趨勢(shì)的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),劈裂抗拉強(qiáng)度的先增后減變化與之具有趨同性,原因在于前幾組試塊的碳纖維摻量少,分布具有隨機(jī)性,雖然碳纖維的優(yōu)勢(shì)得到發(fā)揮但有限,基體自身強(qiáng)度對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響力度超過(guò)碳纖維。對(duì)于D-5組,碳纖維摻量為1.5%,劈裂抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值,碳纖維的分布方向具有隨機(jī)性,但相比于前期幾組,纖維增強(qiáng)方向的碳纖維規(guī)模有所擴(kuò)大,此時(shí)碳纖維對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度的影響力度增加,加之與基體的共同作用劈裂抗拉強(qiáng)度明顯提高。
劈壓比值如表1所示??傮w上抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度同向增減,即隨抗壓強(qiáng)度的增加,劈裂抗拉強(qiáng)度也增加,反之則降低。但需注意的是1.5%的碳纖維摻量條件,其特殊之處在于抗壓強(qiáng)度的降低會(huì)促進(jìn)劈裂抗拉強(qiáng)度增加。從增長(zhǎng)速率的角度來(lái)看,相比于抗拉強(qiáng)度,劈裂抗拉強(qiáng)度具有更快的增長(zhǎng)速率,即劈壓比逐步增加。可見(jiàn)劈裂抗拉強(qiáng)度易受到碳纖維材料的影響,若能夠合理控制碳纖維的摻量將有效改善混凝土的脆性破壞,切實(shí)保證混凝土的力學(xué)性能[1]。
表1 碳纖維輕骨料混凝土28 d劈壓比
28 d SEM照片如圖4所示。
(a)D組
(b)D-1組
(c)D-2組
(d)D-3組
(e)D-4組
(f)D-5組
根據(jù)圖4(a)可知:混凝土表面有裂紋,主要與荷載作用、混凝土變形兩項(xiàng)因素有關(guān),時(shí)間集中在混凝土凝結(jié)硬化期間以及結(jié)束后體積在該過(guò)程中有變化,混凝土的整體形態(tài)改變,內(nèi)部顯現(xiàn)出微小裂紋。
根據(jù)圖4(b)、(c)可知:碳纖維的分布缺乏秩序性,被水泥漿包裹,由此共同組成具有密實(shí)性的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均提高。
根據(jù)圖4(d)可知:碳纖維跨越兩條主裂紋,受外力影響,產(chǎn)生應(yīng)力集中部位并在該處形成微裂縫;隨著應(yīng)力的增加,待其超過(guò)極限強(qiáng)度時(shí)微裂縫有發(fā)展的跡象(沿著水泥石與集料界面處延伸,此部位薄弱),后續(xù)有水泥漿基體滲入的情況。而從碳纖維分布的角度來(lái)看,部分材料橫跨裂縫兩端,在承擔(dān)拉應(yīng)力、阻礙裂縫發(fā)展方面均具有明顯的作用,在該優(yōu)勢(shì)下,混凝土的抗壓強(qiáng)度增加。
根據(jù)圖4(e)、(f)可知:隨著碳纖維摻入量的增加,混合料中部分區(qū)域的碳纖維高度集中,碳纖維與混凝土基體的界面結(jié)合層的狀態(tài)較差,水灰比和孔隙率均有增加,嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)疏松狀的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),產(chǎn)生規(guī)模較大、影響程度較深的界面薄弱區(qū),迫使整體抗拉強(qiáng)度下降。但進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),隨碳纖維摻量的增加,相繼有更多的該類摻入料分布在纖維增強(qiáng)方向,此部分材料有利于減緩裂紋尖端的應(yīng)力,避免該部位的應(yīng)力高度集中。得益于碳纖維的調(diào)節(jié)作用,劈裂抗拉強(qiáng)度有提高的變化[2]。不同摻量下的劈裂抗拉強(qiáng)度表現(xiàn)存在差異,其中以D-5組的該值最高,達(dá)到3.21 MPa。
氣孔結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)如表2所示。在碳纖維摻量增加的條件下,混凝土的含氣量呈階段性變化,即先增加、后減小,各組的含氣量存在差異,D-1組最低,相比于對(duì)照組(D組)降低11.59%;D-5組的含氣量最高,達(dá)到53.37%,相比于對(duì)照組增加19.19%。從材料彈性模量的角度來(lái)看具有碳纖維高于混凝土的特點(diǎn),因此隨著碳纖維的摻入將有效抑制混凝土早期開(kāi)裂,孔隙率降低,內(nèi)部微小裂縫的發(fā)展受到限制,混凝土整體狀態(tài)良好,抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度均有提高;但碳纖維摻量過(guò)多時(shí)會(huì)增加含氣量,對(duì)抗壓強(qiáng)度帶來(lái)削減作用。
表2 氣孔結(jié)構(gòu)分析試驗(yàn)結(jié)果
在含氣量一致的條件下,若混凝土的孔隙數(shù)量越多則平均孔隙直徑越小,孔隙比表面積越大。從表2可以得知,在碳纖維摻量持續(xù)增加的試驗(yàn)條件下,孔隙比表面積呈減小趨勢(shì),但無(wú)論如何減小,均高于未摻碳纖維的混凝土;此外,孔隙間距系數(shù)先減小、后增加、再減小,變化規(guī)律與含氣量相反,這是因?yàn)楹瑲饬康臏p小會(huì)迫使孔隙間距系數(shù)增加,即兩者具有“反變”的特點(diǎn)。
在混凝土制備中,若合理?yè)饺胩祭w維將提高整體的力學(xué)性能,進(jìn)而保證混凝土的施工效果。本文進(jìn)行了關(guān)于碳纖維輕骨料混凝土的力學(xué)性能研究,明確碳纖維的應(yīng)用優(yōu)勢(shì),希望可為同仁提供參考,以便在實(shí)際生產(chǎn)中合理應(yīng)用碳纖維,提高混凝土的品質(zhì),推動(dòng)工程項(xiàng)目的高質(zhì)化發(fā)展。
[ID:013051]