碳纖維混凝土抗折性能試驗(yàn)研究

譚鴻釷，唐天國(guó)，嚴(yán)成美

（1. 四川大學(xué) 建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610065；2. 四川大學(xué) 經(jīng)濟(jì)學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

水泥混凝土路面材料可以被看做是支撐在彈性地基上的彈性薄板，在行車(chē)荷載與溫度變化的影響下，會(huì)產(chǎn)生壓應(yīng)力與彎拉應(yīng)力，混凝土面板所受壓應(yīng)力與混凝土的抗壓強(qiáng)度相比很小，而所受的拉彎應(yīng)力與抗折強(qiáng)度的比值則大得多，在壓應(yīng)力遠(yuǎn)未達(dá)到抗壓強(qiáng)度的情況下拉彎應(yīng)力達(dá)到抗折強(qiáng)度，從而導(dǎo)致混凝土面板開(kāi)裂。[1-3]

各類(lèi)荷載例如超載、沖擊、振動(dòng)、疲勞或基層約束、溫差應(yīng)力、濕差應(yīng)力、路基沉降等因素導(dǎo)致的混凝土路面結(jié)構(gòu)性的破壞，促使我們進(jìn)行對(duì)混凝土路面及其抗折性能的研究[2]，而依靠傳統(tǒng)的增加混凝土強(qiáng)度等級(jí)來(lái)增大混凝土的抗折強(qiáng)度已經(jīng)不能滿足需求。[4-5]

碳纖維作為一種新型材料有著極高的抗拉強(qiáng)度，采用短切碳纖維絲可作為外摻料添加到混凝土中，本試驗(yàn)擬在混凝土材料中摻入新型碳纖維材料，開(kāi)展抗折性能的研究。[6-7]

1 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

本試驗(yàn)旨在參考技術(shù)較為成熟的鋼纖維混凝土工藝，將碳纖維材料摻入混凝土，以提高其抗折強(qiáng)度，并進(jìn)行碳纖維混凝土的抗折性能研究，利用傳統(tǒng)混凝土抗折強(qiáng)度測(cè)量方式測(cè)量新型纖維混凝土抗折強(qiáng)度，為工程用纖維混凝土提供抗折強(qiáng)度參考。纖維材料的基本性能參數(shù)見(jiàn)表 1。

2 試驗(yàn)概述

2.1 試驗(yàn)分組及條件

本試驗(yàn)試件分 C25、C30 兩批，每批分摻量 0% 對(duì)照組、0.6% 試驗(yàn)組與 1.2% 試驗(yàn)組共三組，每批試驗(yàn)澆筑試件共十個(gè)，三個(gè)為 0% 對(duì)照組，三個(gè)為 0.6% 試驗(yàn)組，四個(gè)為 1.2% 試驗(yàn)組，同批次澆筑試件除纖維摻量外所有原料及養(yǎng)護(hù)條件均相同。碳纖維混凝土試件外觀見(jiàn)圖 1，試件斷面見(jiàn)圖 2。

表 1 纖維材料基本參數(shù)

圖 1 碳纖維混凝土試件

圖 2 試件斷面

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及試件尺寸

YAW-5000 壓力試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)混凝土尺寸 150mm×150mm×550mm。

2.3 本試驗(yàn)碳纖維混凝土制作方式

（1）材料：試驗(yàn)混凝土為 C25 與 C30 兩種強(qiáng)度混凝土，采用 P·O42.5 水泥，使用中砂，最大粒徑31.5mm 碎石，6mm 與 10mm 短切碳纖維絲。

（2）纖維用量：本試驗(yàn)纖維摻量按混合纖維體積進(jìn)行計(jì)算，每批混凝土實(shí)際摻量分 0%、0.6%、1.2% 三組。

（3）攪拌：本試驗(yàn)采用人工攪拌，先將水泥、粗細(xì)集料和水按照 C25 與 C30 計(jì)算配合比進(jìn)行攪拌，待攪拌均勻后，將兩種短切纖維占比各 50% 的混合纖維按照計(jì)算摻量均勻加入。

（4）振搗：本試驗(yàn)使用混凝土振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行振搗，大部分纖維材料呈二維亂向分布，少部分呈三維亂向分布。

（5）養(yǎng)護(hù)：本試驗(yàn)混凝土三天凝固后進(jìn)行人工脫模，之后進(jìn)行浸水養(yǎng)護(hù) 28d。

（注：試件澆筑過(guò)程不使用外加劑）

2.4 抗折強(qiáng)度測(cè)試方法

混凝土力學(xué)試驗(yàn)按照規(guī)范 GB/T 50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)養(yǎng)護(hù) 28 天的抗折標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)試，試件下邊緣斷裂位置均位于兩集中荷載作用線之間（見(jiàn)圖 3），按式 (1) 計(jì)算。

圖 3 試件抗折示意圖

式中：ff——混凝土抗折強(qiáng)度，MPa；

F——試件被破壞荷載，N；

L——支座間跨度，mm；

h——試件截面高度，mm；

b——試件截面寬度，mm。

2.5 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

C30 批對(duì)照組與 1.2% 試驗(yàn)組荷載—位移圖分別見(jiàn)圖 4、5。試驗(yàn)試件實(shí)測(cè)荷載數(shù)據(jù)見(jiàn)表 2。試驗(yàn)試件計(jì)算抗折強(qiáng)度見(jiàn)表 3?？拐蹚?qiáng)度—碳纖維摻量曲線見(jiàn)圖 6。

圖 4 C30 批對(duì)照組 1 號(hào)試件荷載—位移圖

圖 5 C30 批 1.2% 試驗(yàn)組 1 號(hào)試件荷載—位移圖

表 2 試驗(yàn)實(shí)測(cè)荷載值

表 3 試驗(yàn)計(jì)算抗折強(qiáng)度

圖 6 抗折強(qiáng)度—碳纖維摻量曲線

3 結(jié)論

本試驗(yàn)向普通素混凝土中添加碳纖維進(jìn)行纖維混凝土制作并測(cè)量其抗折強(qiáng)度，得到以下結(jié)論：

（1）相比于普通混凝土，添加了碳纖維材料的混凝土抗折強(qiáng)度有明顯提高，C30 混凝土添加體積摻量0.6% 碳纖維試驗(yàn)組試件，相比摻量 0% 對(duì)照組抗折強(qiáng)度提升比例約 19.26%，體積摻量 1.2% 試驗(yàn)組提升比例約 31.25%。

（2）碳纖維混凝土的抗折強(qiáng)度不僅取決于纖維材料的摻量，還取決于纖維材料分布狀態(tài)。碳纖維均勻亂向分布或者平行于軸線方向均勻分布能夠較大提高混凝土抗折強(qiáng)度，而攪拌不夠均勻或者其他原因?qū)е碌奶祭w維成團(tuán)、分布不均會(huì)導(dǎo)致第一批試樣中強(qiáng)度下降的結(jié)果，其原因是纖維成團(tuán)之后纖維本身并無(wú)粘結(jié)力且摩擦系數(shù)過(guò)小，而水泥砂漿與骨料之間的接觸面積減小，從而導(dǎo)致混凝土抗彎折能力的削弱。

（3）摻纖維后每方 C30 混凝土在提升抗折強(qiáng)度20% 時(shí)，需要添加 0.6% 即 6L 碳纖維材料約合 1.2kg，提升強(qiáng)度 30% 時(shí)，需添加 1.2% 即 12L 碳纖維材料約合2.4kg，市面可購(gòu)的直徑 7μm 的 6mm 和 10mm 短切碳纖維價(jià)格約 140 元/kg，碳纖維混凝土造價(jià)相對(duì)于普通道路混凝土較貴，建議用于飛機(jī)跑道等易承受重壓沖擊的場(chǎng)合。