碳纖維增強混凝土的耐久性研究

龍春明

(湖南寧遠縣建設工程質量安全監督站)

?

碳纖維增強混凝土的耐久性研究

龍春明

(湖南寧遠縣建設工程質量安全監督站)

摘要：對碳纖維增強混凝土的抗滲透性與抗酸侵蝕性進行了實驗性研究。水膠比為0.40，碳纖維的摻量分別為0.2、0.5和1.0 vol.%。試驗測試結果表明，碳纖維的摻入能夠有效的提高混凝土的抗滲透性和抗酸侵蝕性。碳纖維在混凝土基體中起到橋聯的作用，保證了負載轉移能力。

關鍵詞：耐久性；增強；碳纖維；混凝土

1試驗部分

1.1　試驗原材料

普通硅酸鹽PO 42.5水泥選自山東山水水泥公司，其化學成分如表1所示。粗集料最大粒徑為26.5 mm，連續級配5~26.5 mm。細集料的細度模數為2.7，平均表面密度為2 650 kg/m3。聚羧酸系高效減水劑購自北京祥通股份有限公司，其減水率達到30%。碳纖維購自天津龍泓復合材料有限公司，其物理性能如表2所示。

表1　普通硅酸鹽水泥的化學組成

表2　碳纖維的物理性能指標

1.2　配合比和樣品制備

混凝土的配合比如表3所示。混凝土的水膠比為0.40，混凝土試件通過使用混凝土攪拌機制備。粗骨料、細骨料和水泥首先加入到混凝土攪拌機中預攪拌1 min，然后加水進行另2 min的攪拌。最后加入聚羧酸減水劑和碳纖維逐步加入到混凝土拌合物中進行最后的2 min攪拌。整個攪拌時間為6 min。使用抹刀對試件進行抹平處理，24 h后混凝土試件拆模，并放置于標準環境下進行養護，養護溫度為20±1 ℃，相對濕度為50±5%。混凝土試件制備成100 mm直徑、50 mm高的圓柱體試件和100 mm×100 mm×100 mm的立方體試件，分別進行抗滲透性和抗酸侵蝕性測試。

表3　碳纖維混凝土試件的配合比設計

1.3　測試方法

根據ASTM C1585標準，三塊圓柱體混凝土試塊用于抗滲透性測試。將試塊一端暴露于水中，其余部分用塑料薄膜覆蓋。試塊在浸泡1、5、10、20、30 min，1、2、3、4、5、6 h，1、2、3、4、5、6、7、8、9 d后分別稱重。將浸泡于水中的試塊部分用毛巾擦干，并且在進行下一次浸泡過程前進行重量測試。

根據ASTM C267國際標準，將100 mm×100 mm×100 mm混凝土試件進行抗酸侵蝕測試。在室溫下，混凝土試件置于5%的硫酸溶液中進行浸泡，硫酸溶液每隔15 d進行替換。90 d后，可以計算出酸侵蝕速率。與此同時，采用ASTM C109國際標準，進行抗壓強度測試。

2試驗結果

2.1　抗滲透性測試

不同碳纖維摻量的碳纖維混凝土的抗滲透性測試結果如圖1所示。由圖1可知，與空白混凝土試件相比，碳纖維混凝土有一個較好的抗滲透性，這主要歸功于碳纖維在混凝土基體中的控制和延遲效應。當碳纖維的摻量為0.5 vol.%時，碳纖維混凝土具有最佳的抗滲透性。然而當碳纖維的摻量達到1.0 vol.%時，碳纖維混凝土的抗滲透性效果降低，主要原因為碳纖維的摻量過大時混凝土拌合物的工作性降低，最終破壞了試件的抗滲透性。

圖1　碳纖維混凝土的滲透速率

2.2　抗酸侵蝕性測試

通過90 d的硫酸侵蝕測試后，碳纖維混凝土試塊的質量損失和厚度損失進行測試，結果如表4所示。抗壓強度測試如圖2所示。抗壓強度測試結果在另一方面可以間接的反映出碳纖維混凝土的抗酸侵蝕性性能。結果表明碳纖維的加入能夠有效的改善混凝土的抗酸侵蝕性能，并且較好的加強了混凝土試件的抗壓強度。

表4　通過90 d酸侵蝕后碳纖維混凝土

圖2　酸侵蝕后碳纖維混凝土的抗壓強度

3結論

在本研究中，不同摻量的碳纖維混凝土的抗滲透性和抗酸侵蝕性能進行了測試。碳纖維的摻入能夠有效的改善碳纖維混凝土的抗滲透性和抗酸侵蝕性能。當碳纖維的摻量為0.5 vol.%時，碳纖維混凝土的抗滲透性和抗酸侵蝕性能提高到最佳。碳纖維在混凝土基體中起到橋聯效果，在裂縫和空隙中連接，最終提高負載轉移能力，從而提高碳纖維混凝土的耐久性性能。

參考文獻：

[1]Y. Akkaya, S.P. Shah and M. Ghandehari. Influence of Fiber Dispersion on the Performance of Microfiber Reinforced Cement Composites[J]. ACI Special Publication. 2003, (216): 1-18.

[2]B.M. Tyson, R.K.A. Al-Rub, A. Yazdanbakhsh, et al. Carbon Nanotubes and Carbon Nanofibers for Enhancing the Mechanical Properties of Nanocomposite Cementitious Materials[J].J. Mater. Civ. Eng. 2011,( 23):1028-1035.

[3]Z.Q. Shi and D.D.L. Chung. Carbon fiber-reinforced concrete for traffic monitoring and weighing in motion[J].Cem. Concr. Res., 1999, 29(3) 435-439.

Enhancement of the Durability Characteristics of Concrete

Reinforcement with Carbon Fibers

LONG Chun-ming

(Construction Engineering Quality Safety Supervision Station)

Abstract:In this paper, the permeability and acid resistance properties of prepared concrete with different proportions reinforcement carbon fibers were investigated. The water to binder ratio was 0.40 and the proportions of carbon fibers in matrix were 0.2, 0.5 and 1.0 vol.% of concrete, respectively. The results showed that with the introduction of carbon fibers, the permeability and acid resistance properties of concrete/carbon fibers composites were improved significantly. The added carbon fibers acted as bridges across the pores and voids, which guaranteed the load-transfer in case of tension.

Key words:durability; enhancement; carbon fibers; concrete

作者簡介：龍春明，男，工程師。

收稿日期：2014-11-09

中圖分類號：TU528.58

文獻標識碼：C

文章編號：1008-3383(2015)08-0003-02