廢棄碳纖維混凝土力學(xué)性能及表面應(yīng)變演化特性試驗(yàn)研究

中圖分類號：TU599 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-3851（2025）09-0688-09

Reference Format： CHEN Junhong，F(xiàn)U Jun， XIONG Houren，etal. An experimental study on mechanical properties and surfacestrainevolutioncharacteristicsof wastecarbonfiber-reinforcedconcreteJ].Journalof Zhejiang SCi-Tch University 2025，53（5） ：688-696.

An experimental study on mechanical properties and surface strain evolution characteristics of waste carbon fiber-reinforced concrete

CHEN Junhong1 ，F(xiàn)U Jun1 ，XIONG Houren2 ，SHAN Hong you2 （1.School of Civil Engineering and Architecture， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China；2. School of Civil Engineering and Architecture， Jiaxing University，Jiaxing 314Ooo，China）

Abstract：To achieve the resource utilization of waste carbon fibers and enhance the mechanical properties of concrete，this study combined waste carbon fibers with concrete to analyze the efects of fiber length and volume content on the compressive strength and spliting tensile strength of concrete with different water-to-binder ratios.The digital image correlation （DIC） method was employed to monitor the damage evolution of surface strain fields in concrete，while orthogonal experimental design and range analysis were applied to determine the optimal mix proportion of waste carbon fiber-reinforced concrete based on compressive and splitting tensile strength test results. The microstructure of the waste carbon fiber-reinforced concrete was characterized using field emision scanning electron microscopy. The results demonstrated that waste carbon fibers improved concrete compactness through crack bridging and physical filling effects，achieving maximum increases of 19.5% in 28-day compressive strength and 44.7% in spliting tensile strength. The influencing factors were ranked by significance as follows： water-to-binder ratio （most influential），volume content，and fiber length （least influential）．The optimal mix proportion was identified as water-to-binder ratio O.45，volume content 0.2% ，and fiber length 6mm .Under compressive loading，significant end effects and rebound effects were observed on specimen surfaces，while maximum transverse strain during spliting tensile tests concentrated in the central region. These findings provide valuable data support for green recycling of waste carbon fibers and development of highperformance concrete.

Key words：waste carbon fibers； concrete；digital image correlation method；compressive strength splitting tensile strength; strain evolution

0 引言

混凝土是現(xiàn)代建筑的核心材料1，但存在全生命周期高碳排放以及抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度失衡等缺點(diǎn)[2，在全球推進(jìn)低碳可持續(xù)發(fā)展背景下，開發(fā)兼具性能提升與環(huán)境友好的混凝土改性技術(shù)已成為行業(yè)的迫切需求[3]。碳纖維具有卓越的力學(xué)性能與獨(dú)特的電化學(xué)特性[4-5]，所制備的復(fù)合材料已在航空航天等高端領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[6-7]。碳纖維復(fù)合材料服役周期大約為20年，導(dǎo)致每年產(chǎn)生大量廢棄碳纖維（Wastecarbonfibers，WCFs）;據(jù)預(yù)測，2050年全球該類廢棄物總量達(dá)98萬 t^[8-9] 。然而，采用傳統(tǒng)的填埋法或焚燒法會(huì)產(chǎn)生環(huán)境毒素，現(xiàn)已被國際公約限制[10-11]；而主流回收技術(shù)（如熱解法、溶劑法）又存在高能耗與經(jīng)濟(jì)性差等問題[12]。在碳達(dá)峰背景下，將廢棄碳纖維作為混凝土增強(qiáng)材料，通過構(gòu)建纖維-基體協(xié)同增強(qiáng)體系，既可以實(shí)現(xiàn)固廢資源化利用，又可以提升混凝土的綜合性能，成為破解“高性能材料-環(huán)境負(fù)荷\"悖論的新路徑。

將廢棄碳纖維作為混凝土改性材料已展現(xiàn)出顯著的技術(shù)優(yōu)勢。Akbar等[13證實(shí)， 0.25%～1.50% 體積摻量的廢棄碳纖維可同步提升水泥基體的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度，其中抗折強(qiáng)度增幅更為顯著；Nguyen等[14采用體積摻量 3.0% 、長度為 6mm 的廢棄碳纖維制備混凝土試件，發(fā)現(xiàn)其抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度分別提升了 13% 和 20% ;De Souza Abreu等[15]發(fā)現(xiàn)廢棄碳纖維通過橋接裂縫效應(yīng)優(yōu)化了骨料-基體界面過渡區(qū)結(jié)構(gòu)，顯著提升了混凝土的力學(xué)性能。Wang等[16]通過酸改性處理顯著改善了廢棄碳纖維界面結(jié)合性能，在 0.3%～1.0% 摻量區(qū)間內(nèi)抗壓強(qiáng)度提升了 18.1% ，抗折強(qiáng)度提升了74.93% 。上述文獻(xiàn)表明，廢棄碳纖維混凝土在力學(xué)性能提升方面具有顯著優(yōu)勢，但目前關(guān)于廢棄碳纖維的體積摻量、纖維長度對不同水膠比混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度的研究報(bào)道不多，也沒有體積摻量、纖維長度、水膠比最佳配比以及廢棄碳纖維混凝土在抗壓、劈裂抗拉條件下試件表面應(yīng)變演化特性研究。

表面應(yīng)變演化特性與混凝土的結(jié)構(gòu)可靠性相關(guān)，研究廢棄碳纖維混凝土的表面應(yīng)變演化特性顯得尤為重要。數(shù)字圖像相關(guān)（Digitalimagecorrelationmethod，DIC）法具有試樣制備簡單、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，已成為監(jiān)測材料變形的可靠工具[17-18]。該方法通過跟蹤變形前后圖像中參考子集的灰度分布特征，并利用相關(guān)算法進(jìn)行匹配計(jì)算，能夠精確確定像素的位移矢量，進(jìn)而得到被觀測區(qū)域內(nèi)全場各點(diǎn)的位移和應(yīng)變[19-20]。基于這種全場變形信息的獲取優(yōu)勢，采用DIC法可對材料表面損傷演變過程進(jìn)行非接觸式測量分析[21-22]。

本文研究不同體積摻量、不同長度的廢棄碳纖維對不同水膠比條件下的混凝土在抗壓、劈裂抗拉試驗(yàn)下的力學(xué)性能和表面應(yīng)變演化規(guī)律，系統(tǒng)評估廢棄碳纖維長度、體積摻量在不同水膠比條件下對混凝土力學(xué)性能的影響。在此基礎(chǔ)上，對混凝土試件的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，以確定廢棄碳纖維混凝土的最優(yōu)配比；采用DIC法對混凝土表面應(yīng)變場的損傷演變過程進(jìn)行監(jiān)測；最后采用場發(fā)射掃描電鏡微觀測試技術(shù)對廢棄碳纖維混凝土微觀結(jié)構(gòu)展開分析。本文研究結(jié)果可為廢棄碳纖維在混凝土中的再生利用及力學(xué)性能提升等相關(guān)研究提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)可為廢棄碳纖維混凝土的材料配比設(shè)計(jì)提供參考。

1試驗(yàn)

1.1材料

廢棄碳纖維來源于鹽城祥盛碳纖維科技有限公司提供的邊角料，經(jīng)過機(jī)械回收法加工為短切型碳纖維，短切型碳纖維照片如圖1所示，其相關(guān)參數(shù)詳見表1。P·O42.5普通硅酸鹽水泥來源于無錫市江淮建材科技有限公司生產(chǎn)，其化學(xué)成分如表2所示，基本性能如表3所示。細(xì)骨料為中國ISO標(biāo)準(zhǔn)砂來源于廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司生產(chǎn)；粗骨料為 9～12mm 碎石；拌合水為嘉興地區(qū)自來水。

1. 2 樣品制備

本文采用正交試驗(yàn)法優(yōu)化配合比，考察水膠比（因素 _{A：0.45，0.50，0.55）} 、體積摻量（因素B：0.2%.0.4%.0.6%） 及纖維長度（因素C：3、6、12mm）3 種因素。體積摻量為0，即表示普通混凝土，作為基準(zhǔn)對照組（CM1、CM2、CM3），其余9組采用正交表 L₉（3³） 表進(jìn)行組合設(shè)計(jì)，正交試驗(yàn)方案與基參考GB/T50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，考慮到試件尺寸與測試儀器的匹配性，試驗(yàn)采用非標(biāo)準(zhǔn)試件（邊長為 100mm 的立方體）進(jìn)行廢棄碳纖維混凝土力學(xué)性能測試。為提升廢棄碳纖維在混凝土中的分散效果，試驗(yàn)制定了以下攪拌工藝規(guī)程：將水泥、標(biāo)準(zhǔn)砂及石子投入強(qiáng)制式攪拌機(jī)，干拌 60s ;隨后加入經(jīng)高速分散處理的廢棄碳纖維水溶液，繼續(xù)攪拌 120s ；攪拌完成后，將混合料注入 100mm 立方體模具，并在振動(dòng)臺(tái)上振搗密實(shí) 1min 。

試件成型 24h 后進(jìn)行脫模處理，隨后置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室（溫度 （20±2）^°C ，相對濕度 95% 中養(yǎng)護(hù) 28d 。為滿足DIC法的測試要求，試件表面采用分層噴涂法制備散斑：先用磨砂紙對表面進(jìn)行打磨處理，以確保平整度；均勻噴涂白色啞光漆，形成基底層；待基底完全干燥后，通過隨機(jī)點(diǎn)噴方式施加黑色啞光漆，最終形成如圖2所示的制斑后表面。

圖2試件表面制斑處理示意圖

1. 3 測試方法

抗壓強(qiáng)度測試：參考GB/T50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測試，每組3個(gè)試件。采取連續(xù)均勻加荷，加荷速度設(shè)置為 0.5MPa/s 。試驗(yàn)裝置由加載系統(tǒng)與數(shù)字圖像系統(tǒng)組成，抗壓試驗(yàn)裝置圖示意圖如圖3（a）所示。在試件表面散斑場區(qū)域設(shè)置均勻照明后，通過數(shù)字圖像系統(tǒng)同步采集加載過程中的動(dòng)態(tài)變形場數(shù)據(jù)。非標(biāo)準(zhǔn)試件抗壓強(qiáng)度按照式（1）計(jì)算：

其中： f_cc 表示抗壓強(qiáng)度， MPa F 表示破壞時(shí)的最大荷載，N; A 表示承壓面積， mm² 0

（a）抗壓試驗(yàn)裝置示意圖

圖3試驗(yàn)裝置圖

劈裂抗拉強(qiáng)度測試：參考GB/T50081—2019《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行劈裂抗拉強(qiáng)度測試，每組3個(gè)試件。采取連續(xù)均勻加荷，加荷速度設(shè)置為 0.5MPa/s 。試驗(yàn)裝置由加載系統(tǒng)與數(shù)字圖像系統(tǒng)組成，劈裂抗拉試驗(yàn)現(xiàn)場布置圖如圖3（b）所示。在試件表面散斑場區(qū)域設(shè)置均勻照明后，通過數(shù)字圖像系統(tǒng)同步采集加載過程中的動(dòng)態(tài)變形場數(shù)據(jù)。非標(biāo)準(zhǔn)試件劈裂抗拉強(qiáng)度按照式（2）計(jì)算得出：

其中： f_ts 表示劈裂抗拉強(qiáng)度， MPa F 表示破壞時(shí)的最大荷載，N; A 表示劈裂面面積， mm² 。

DIC法測試：試件加載過程中，采用工業(yè)相機(jī)以0.25s 的時(shí)間間隔對試件表面應(yīng)變場進(jìn)行連續(xù)采集，圖像處理與分析通過新維三維公司的3D-DIC軟件完成，軟件參數(shù)設(shè)置如下：計(jì)算步長為20像素（根據(jù)相機(jī)標(biāo)定結(jié)果，1像素對應(yīng)實(shí)際尺寸0.01mm），其余參數(shù)采用軟件默認(rèn)推薦值。

2 結(jié)果與討論

2.1抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度

抗壓及劈裂抗拉試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。表5顯示：在相同水膠比條件下，試驗(yàn)組L2的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度相較于基準(zhǔn)混凝土分別提升了19.5% 和 44.7% ，增幅最顯著，其中劈裂抗拉強(qiáng)度的提升幅度顯著高于抗壓強(qiáng)度，表現(xiàn)出明顯的拉伸性能改善特征；L2的抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度分別達(dá)到試驗(yàn)組L7對應(yīng)指標(biāo)的1.3倍和1.6倍；試驗(yàn)組L7提升幅度不及其他組別，與同水膠比基準(zhǔn)混凝土相比，仍展現(xiàn)出抗壓強(qiáng)度提升 8.9% 、劈裂抗拉強(qiáng)度提升 16.4% 的顯著增長，后者增幅尤為突出。上述結(jié)果表明，廢棄碳纖維的摻入顯著增強(qiáng)了混凝土材料的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度，且增強(qiáng)效果在不同配比條件下呈現(xiàn)明顯差異。本文觀測到的混凝土抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度提升效應(yīng)主要源于以下3方面機(jī)制：a）廢棄碳纖維具有超強(qiáng)的力學(xué)性能，并能與 C-S-H 凝膠形成強(qiáng)韌的界面黏結(jié)體系[14]。受壓時(shí)，纖維主要發(fā)揮微裂紋擴(kuò)展阻滯效應(yīng)；劈裂抗拉時(shí)，廢棄碳纖維憑借高長徑比特征可直接橋接宏觀裂縫，重構(gòu)基體拉應(yīng)力場。這種差異化機(jī)制使得劈裂抗拉強(qiáng)度提升率達(dá) 44.7% ，顯著高于抗壓強(qiáng)度的 19.5% 增幅。b）水膠比調(diào)控對孔隙結(jié)構(gòu)具有決定性影響。當(dāng)水膠比不在合理范圍時(shí)，未完全水化的自由水形成連通的毛細(xì)孔隙，導(dǎo)致孔隙率增大和密實(shí)度下降，使材料在承受荷載時(shí)更易發(fā)生應(yīng)力集中和微裂紋擴(kuò)展，最終造成整體強(qiáng)度下降[23-24]。c）體積摻量優(yōu)化是發(fā)揮增強(qiáng)效應(yīng)的關(guān)鍵因素。體積摻量不合理時(shí)，廢棄碳纖維因自身特性，易產(chǎn)生纖維團(tuán)聚現(xiàn)象[25]。導(dǎo)致水泥漿體對纖維表面的有效包裹厚度下降，并易產(chǎn)生界面氣泡，削弱了纖維的增強(qiáng)作用，在基體內(nèi)形成局部薄弱區(qū)，導(dǎo)致材料的結(jié)構(gòu)連續(xù)性下降。

表5抗壓及劈裂抗拉試驗(yàn)結(jié)果

2.2 廢棄碳纖維混凝土配比優(yōu)化

基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的極差分析結(jié)果如表6和表7所示。參考文獻(xiàn)[26所報(bào)道的方法，通過計(jì)算各因素水平下試驗(yàn)指標(biāo)的和值 （K₁，K₂，K₃） 與均值（k₁，k₂，k₃） ，結(jié)合極差 R 值來定量評估各因素對抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度的影響程度，其中， k 值越大表明該水平對性能指標(biāo)的提升效應(yīng)越顯著， R 值越大則表明對應(yīng)因素對試驗(yàn)結(jié)果的調(diào)控作用越強(qiáng)。對抗壓強(qiáng)度極差分析結(jié)果（見表6）表明：水膠比（因素A）在0.45水平時(shí) k₁ 值達(dá)到峰值 （39.98MPa） ，顯著高于其他水平；體積摻量（因素B）和纖維長度（因素C的最優(yōu)水平分別為 0.2% （B1）和 6mm（C2） 。根據(jù)極差 R 值排序?yàn)锳：6.14、B：2.90和C：1.02，確定影響抗壓強(qiáng)度的影響程度為水膠比、體積摻量、纖維長度。據(jù)此可知抗壓強(qiáng)度最優(yōu)配比為 A₁B₁C₂ ，即水膠比0.45、體積摻量 0.2% 、纖維長度 6mm 。進(jìn)一步分析劈裂抗拉強(qiáng)度極差數(shù)據(jù)（表7）可以發(fā)現(xiàn)：各因素最優(yōu)水平組合與抗壓強(qiáng)度完全一致，影響大小的排序?yàn)樗z比、體積摻量、纖維長度的規(guī)律，這證實(shí)水膠比對廢棄碳纖維混凝土的力學(xué)性能具有雙重調(diào)控作用，通過控制水化產(chǎn)物致密度影響抗壓強(qiáng)度，又經(jīng)由孔隙結(jié)構(gòu)優(yōu)化提升抗裂性能。綜合以上極差分析結(jié)果，廢棄碳纖維混凝土的最優(yōu)配比確定為：水膠比0.45，體積摻量 0.2% ，纖維長度6mm 。

表6抗壓強(qiáng)度極差分析結(jié)果

表7劈裂抗拉強(qiáng)度極差分析結(jié)果

2.3抗壓及劈裂抗拉條件下表面應(yīng)變演化

為精準(zhǔn)表征L2試件的應(yīng)變分布情況，本文采用DIC法開展全場應(yīng)變分析，所采用的虛擬引伸計(jì)計(jì)算區(qū)域及布置方式如圖4所示，其中：本文所選用的計(jì)算區(qū)域如圖4（a）所示；虛擬引伸計(jì)系統(tǒng)按正交網(wǎng)格布置，正交網(wǎng)格布置如圖4（b）所示。坐標(biāo)系的原點(diǎn)設(shè)定在試件底部的中心位置，水平方向?yàn)?X 軸（橫向變形方向），豎直方向?yàn)?Y 軸（加載方向）。在水平應(yīng)變測量組（ X 方向）：沿 Y 軸等間距（ 25mm） 布置A1、A2、A3等3條虛擬引伸計(jì)，其中A1位于Y=50mm 的中性軸位置，A2（ Y=25mm ）、A3（Y=75mm） ）分別監(jiān)測下、上壓板接觸區(qū)變形；豎向應(yīng)變測量組（Y方向）：沿 X 軸等間距 25mm 布置B1、B2、B3等3條虛擬引伸計(jì)，其中B1位于 X=0 mm 的加載中心線，B2（ X=25mm ）B 33（X=-25 mm 對稱地監(jiān)測橫向應(yīng)變。

圖4計(jì)算區(qū)域及布置方式示意圖

通過DIC法獲取的抗壓條件下混凝土表面應(yīng)變場演化曲線如圖5所示。Y方向的應(yīng)變演化規(guī)律曲線如圖5（a）所示，從圖中可以看出：在加載初期（tlt;50s） ，各測點(diǎn)應(yīng)變值均維持在 0～0.2% 范圍內(nèi)，表明材料處于線彈性變形階段。當(dāng)荷載達(dá)到峰值強(qiáng)度的 85%（t=70s） 時(shí)，A3測點(diǎn) （Y=75mm） 應(yīng)變增速顯著提升，其應(yīng)變速率達(dá) 0.09/（%?s^-1） ，較A1測點(diǎn)高約3倍。至破壞時(shí)刻（ Δ（Ω/t=85Ωs） ，A3區(qū)域累積應(yīng)變達(dá)到 0.49% ，分別是A1、A2區(qū)域應(yīng)變的1.25倍和1.13倍。測點(diǎn)的應(yīng)變差異表明，試件在端部區(qū)域（特別是A3測點(diǎn)）產(chǎn)生了明顯的應(yīng)變集中現(xiàn)象；這種應(yīng)變分布特征與試件同壓力機(jī)接觸面因摩擦約束引起的端部效應(yīng)[27-28]相關(guān)。破壞后階段（t）gt;85s） ，各測點(diǎn)應(yīng)變值均減小，表現(xiàn)出彈性回彈效應(yīng)。對比類似研究[29]可知，這與裂紋面間殘余摩擦應(yīng)力有關(guān)。 X 方向的應(yīng)變演化規(guī)律曲線如圖5（b）所示，從圖中可以看出：在加載早期， X 方向應(yīng)變同試件 Y 方向應(yīng)變類似均維持在 0～0.2% 范圍內(nèi)，但B2測點(diǎn)（ ΔX=25mm） 在各時(shí)間段都明顯高于其他區(qū)域的應(yīng)變。這說明試件表面右側(cè)存在薄弱面，產(chǎn)生這種現(xiàn)象可能是因?yàn)槔w維團(tuán)聚造成[30]應(yīng)力集中，破壞后B2測點(diǎn)仍保持應(yīng)變增長率，這與貫穿裂縫直接相關(guān)。上述應(yīng)變演化規(guī)律曲線完整描述了廢棄碳纖維混凝土的3階段破壞機(jī)制：a）均勻彈性變形 （εlt;0.2%） ;b）應(yīng)變局部化發(fā)展（0.2%?εlt;0.4%） ；c）宏觀裂紋主導(dǎo)的非連續(xù)變形 （ε?0.4%） °

圖5抗壓條件下混凝土表面應(yīng)變場演化規(guī)律曲線

通過DIC法獲取的劈裂抗拉條件下混凝土表面應(yīng)變場演化曲線如圖6所示。Y方向的應(yīng)變演化規(guī)律曲線如圖6（a）所示，從圖中可以看出：劈裂抗拉試驗(yàn)中Y方向各區(qū)域應(yīng)變在加載初期均較小，表明在加載初期試件表面應(yīng)變呈均勻分布；隨著荷載持續(xù)增加，至峰值破壞階段時(shí)，試件各區(qū)域Y向應(yīng)變產(chǎn)生顯著差異，其中A3區(qū)域應(yīng)變較A1、A2區(qū)域呈現(xiàn)異常增大現(xiàn)象，該現(xiàn)象揭示了裂縫最先萌生于試件上端部的破壞機(jī)制。 X 方向的應(yīng)變演化規(guī)律曲線如圖6（b）所示，從圖中可以看出：早期 B1～B3 區(qū)域應(yīng)變值保持均勻分布且量值較低，表明試件在初始加載階段 X 向變形具有空間均勻性；隨著荷載持續(xù)增加， X 向應(yīng)變分布呈現(xiàn)明顯的非均勻特性，B1區(qū)域（中部）應(yīng)變增量顯著超越B2、B3區(qū)域（兩側(cè)），這與劈裂抗拉破壞時(shí)最大橫向應(yīng)變集中于試件中部的現(xiàn)象相吻合[31]。上述應(yīng)變演化規(guī)律曲線清晰顯示了劈裂抗拉條件下試件表面全過程損傷演化過程和破壞特征。

圖6劈裂抗拉條件下混凝土表面應(yīng)變場演化規(guī)律曲線

L2試驗(yàn)組破壞后的照片如圖7所示，從圖可以看出：抗壓條件下試件破壞后仍保持相對完整的宏觀形貌，表明廢棄碳纖維的摻入顯著增強(qiáng)了混凝土顆粒間的黏結(jié)作用；劈裂抗拉條件下試件破壞后裂縫沿加載軸方向貫穿試件中部，這與上述DIC法觀測的應(yīng)變演化規(guī)律一致。

圖7試件破壞形態(tài)照片

3廢棄碳纖維混凝土力學(xué)性能增強(qiáng)機(jī)理

本文通過掃描電鏡SEM對L2組試件的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，以分析廢棄碳纖維對混凝土的增強(qiáng)作用效應(yīng)，L2組試件SEM圖如圖8所示。從圖8可以看出：廢棄碳纖維在混凝土基體裂縫間形成了有效的橋接作用；水泥水化產(chǎn)物與廢棄碳纖維緊密結(jié)合形成界面過渡區(qū)，使得隨機(jī)分布的廢棄碳纖維通過橋接受力過程中產(chǎn)生的微裂縫，延緩宏觀裂縫擴(kuò)展，部分纖維在破壞過程中被拔出基體；廢棄碳纖維與水泥基體界面形成交錯(cuò)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有一定的物理填充效應(yīng)，提高了混凝土的密實(shí)度。

廢棄碳纖維的作用機(jī)理圖示意圖如圖9所示。在混凝土基體材料與廢棄碳纖維的協(xié)同作用過程中，隨機(jī)分布的廢棄碳纖維通過橋接裂縫的方式延緩裂縫擴(kuò)展。當(dāng)混凝土承受外部荷載時(shí)，廢棄碳纖維與混凝土材料之間的黏結(jié)強(qiáng)度是影響作用效果的關(guān)鍵因素，其能量耗散機(jī)制主要源于纖維從基體拔出。

圖8L2組試件SEM圖

圖9 作用機(jī)理示意圖

綜上所述，廢棄碳纖維在混凝土中起到以下積極作用：a）廢棄碳纖維在混凝土中能形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有一定的物理填充效應(yīng)，提高了混凝土的密實(shí)度；b）廢棄纖維在混凝土中作為跨越孔隙和縫隙的橋梁，起到橋接裂縫的作用，當(dāng)混凝土受到外界荷載時(shí)，廢棄碳纖維與混凝土材料之間的黏結(jié)強(qiáng)度是影響作用效果的關(guān)鍵因素，起到消耗部分能量的作用。

4結(jié)論

本文對不同長度 （3，6，12mm） 和不同體積摻量（0.2%.0.4%.0.6%） 的廢棄碳纖維對不同水膠比（0.45，0.50，0.55） 的混凝土進(jìn)行了抗壓、劈裂抗拉試驗(yàn)，并采用DIC法對混凝土表面應(yīng)變損傷演化過程進(jìn)行了監(jiān)測，主要得到以下結(jié)論：

a）在抗壓劈裂抗拉方面，不同摻量、不同長度的廢棄碳纖維對不同水膠比條件下的混凝土在齡期28d時(shí)的抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度均有所提高，特別對劈裂抗拉強(qiáng)度的提升顯著，其中L2在28d的抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度分別提高 19.5%.44.7%。

b）正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果顯示，影響廢棄碳纖維混凝土抗壓、劈裂抗拉強(qiáng)度的因素主次依次為水膠比、體積摻量、纖維長度；廢棄碳纖維混凝土最優(yōu)配比為水膠比0.45、體積摻量 0.2% 、纖維長度 6mm 。

c）借助圖像分析手段發(fā)現(xiàn)，廢棄碳纖維混凝土的三階段破壞機(jī)制表現(xiàn)為：均勻彈性變形（ εlt; 0.2%） ；應(yīng)變局部化發(fā)展 （0.2%?εlt;0.4%） ；宏觀裂紋主導(dǎo)的非連續(xù)變形 （ε?0.4%） 。通過非接觸測量發(fā)現(xiàn)：抗壓條件下，試件表面存在明顯的端部效應(yīng)以及回彈效應(yīng)；劈裂抗拉條件下，試件表面的最大橫向應(yīng)變集中于試件中部。

d）場發(fā)射掃描電鏡微觀測試結(jié)果表明：摻入水泥基材料中的廢棄碳纖維通過橋接作用連接基體裂縫，抑制裂縫擴(kuò)展；該纖維在混凝土中形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有物理填充效應(yīng)，從而提高混凝土的密實(shí)度。廢棄碳纖維與混凝土材料之間的黏結(jié)強(qiáng)度是影響其作用效果的關(guān)鍵因素。

本文研究了影響廢棄碳纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度的因素，獲得了廢棄碳纖維混凝土的最佳配比，并探討了廢棄碳纖維混凝土力學(xué)性能增強(qiáng)機(jī)理，研究結(jié)果可為廢棄碳纖維在混凝土中的再生利用技術(shù)開發(fā)、力學(xué)性能提升研究提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐，同時(shí)為其材料配比優(yōu)化提供理論參考依據(jù)。

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（責(zé)任編輯：康 鋒）