碳纤维改善浮石混凝土力学特性的试验研究

王海龙，申向东，王萧萧

（内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院，内蒙古 呼和浩特 010018）

内蒙古地区蕴藏着大量的浮石资源，以浮石作为混凝土粗骨料，不但充分利用了地区资源优势、拓展了浮石的利用途径及其利用率，而且能有效缓解机制碎石开采带来的生态环境破坏.因天然浮石混凝土应用时间较短，对其各方面性能，尤其是早期力学性能方面[1]认识尚且不足.由于混凝土材料的抗拉强度相对较低，混凝土构件在热应力、自收缩、干燥收缩以及外荷载作用下极易产生裂缝，因而在混凝土完全硬化之前，整个结构的耐久性和工作寿命会由于混凝土早期阶段产生的各种裂缝而受到严重影响[3].因此，只有了解早期混凝土力学性能的发展情况并采取相应的措施，才能保证混凝土工程的长期质量.为此，本文主要研究天然浮石混凝土力学性能的发育情况.

1 试验材料和试验方法

1.1 试验材料

按照GB／T 50081—2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》要求设计，抗压强度试件尺寸为150mm×150mm×150mm；棱柱体强度与弹性模量试件尺寸为150mm×150mm×300mm；标准养护3，7，14，28，90，180d后进行力学性能测定.试验机为YZW－3000微机控制压力机.

试验用水泥为冀东P·O42.5级普通硅酸盐水泥，其物理性能见表1.粗骨料为内蒙古锡林浩特市浮石骨料，其堆积密度690kg／m3，表观密度1 539kg／m3，吸水率16.44%1）1）本文涉及的吸水率、含量等除特别注明外均为质量分数.，筒压强度2.98MPa，压碎指标39.6%.细骨料为河砂，中砂，细度模数2.5，含泥量1.2%，堆积密度1 565kg／m3，表观密度2 650kg／m3，颗粒级配Ⅱ区.减水剂为 RSD－8型高效减水剂，掺量3%，减水率20%.在未加引气剂时，轻骨料混凝土拌和物自身含气量为7%（体积分数）左右.纤维为碳纤维，其性能见表2.

表1 P·O42.5普通硅酸盐水泥性能指标Table1 P·O42.5Portland cement performance

表2 碳纤维的性能指标Table2 Performance index of carbon fiber

1.2 试验设计

本次试验采用LC30强度等级，按照碳纤维掺量不同分为6组，其中减水剂掺量以胶凝材料用量的3%掺入.混凝土配合比为：m（水泥）∶m（水）∶m（轻骨料）∶m（砂）∶m（粉煤灰）＝400∶140∶634∶690∶100，以胶凝材料质量为基准，碳纤维掺量分别为0，1／100，1／300，1／500，1／800，1／1 000（质量比），分别命名为：X0，XA，XB，XC，XD，XE组试件.

2 试验结果

2.1 碳纤维对轻骨料混凝土立方体抗压强度发育影响

图1为不同龄期下各组试件的强度发育情况，可以看出，随龄期的增加，X0组试件强度发育有一定幅度的波动，主要由于浮石属于火成岩中喷出岩系，即使同一地区的浮石资源，其成分组成差异也较大，致使混凝土强度稳定性不足.碳纤维掺入后，各组试件的强度发育趋势大致相同，有效缓解了由于浮石骨料间的差异而造成的强度不稳定.

图1 不同龄期下混凝土强度发育曲线Fig.1 Compressive strength in different ages

另外，XA组试件的纤维掺量最高，但强度表现一般.原因在于：纤维掺量过多，拌和过程中不能完全均匀分布，致使纤维成团、成束的机率增加，纤维的“空间约束”特性难以充分体现；并且，在搅拌过程中引入空气，使得混凝土内部浆体的孔隙率增加，强度难以提高，同时，纤维－浆体界面所呈现的弱界面效应，是荷载作用下的相对薄弱环节，随着纤维掺量的增加，弱界面数量逐渐增加，空间约束能力相应减弱，抑制轻骨料混凝土强度稳定性的效应也逐渐减弱.相比较XE组试件的强度发育较好，原因在于：在目前的拌制条件下，1／1 000的纤维掺量极大降低了纤维成束、成团的机率，能较均匀地分布在混凝土内部，首尾相连形成“空间网络”结构，有效地起到了网络协调效应，可以较充分地抑制混凝土早期干缩微裂的产生及离析裂纹的发展，特别是抑制连通裂缝的产生.另外，均匀分布的纤维起到“承托”骨料的作用，降低了混凝土表面析水与骨料的离析，抑制了轻骨料混凝土强度波动.

2.2 碳纤维对轻骨料混凝土变形量及弹性模量的影响

图2为峰值荷载时各组试件的变形量，可以看出，纤维的掺入总体降低了轻骨料混凝土的变形量，有效增强了轻骨料混凝土的脆性变形性能.原因在于：混凝土内部乱向分布的纤维在有效抑制缺陷产生的同时，在混凝土中还形成环箍效应.其中XE组试件的纤维掺量呈现较小的变形量，同时强度发育较好，而XB组和XC组试件的纤维掺量对混凝土变形影响不明显.原因在于：尽管纤维具有一定程度上抑制轻骨料混凝土强度发育不稳定的特点，但若其掺量过多，不但会使浆体强度远大于骨料，而且还会使浆体与骨料的协调变形能力降低，对轻骨料混凝土强度及变形带来负面影响.这是由于在加载过程中，浆体内部首先形成微小裂缝，由于纤维的链接起到了正效应作用，使得浆体内部裂缝未扩展成破坏面和贯通裂缝，此时骨料与浆体共同承担变形，致使轻骨料混凝土大掺量的纤维相反而变形量较大.结合图1，2可知，XE组试件具有强度发育较高、变形量较小的特点，较其他各组试件表现出了更明显的优越性.

图2 各组试件在峰值荷载时变形量Fig.2 Different specimen deformation under the peak load condition

图3为各组试件的弹性模量.由于浮石的高孔隙特征，天然浮石轻骨料混凝土弹性模量较普通混凝土小，主要集中在1520GPa，随着纤维掺量的降低，试件的弹性模量总体上趋于增加；XE组试件的弹性模量发育最好，为22.2GPa；XB组和XC组试件的弹性模量相对较小.原因在于：纤维掺量过多致使混凝土内部形成“束状”和空间“气泡”的机率增加，在外部荷载作用下，纤维束中的纤维容易形成滑移，减弱纤维的约束效应，而过多的纤维在混凝土内部所形成的气泡结构，会阻止拌和混凝土气泡的溢出.大量气泡将降低混凝土的脆性性能，减小混凝土的弹性模量和强度发育.所以从图3来看，XE组试件能较好地发挥纤维的增韧效应.

图3 弹性模量与纤维掺量的关系Fig.3 Relationship between fiber content and concrete elastic modulus

2.3 碳纤维对轻骨料混凝土冻融循环后力学性能的影响

图4 抗压强度与冻融次数的关系Fig.4 Relationship between the compressive strength and freeze－thaw cycle

图4为各组试件经历0，25，50，75，100次冻融循环后的抗压强度.从图4可以看出，随着冻融次数的增加，各组试件强度总体呈现下降趋势，且掺加纤维组明显优于X0组，其原因在于：乱向分布的纤维首尾搭接，在一定程度上阻碍了混凝土拌和过程中内部气体的溢出，相当于增加了混凝土的含气量，缓解了低温循环过程中的静水压力和渗透压力，同时纤维的存在，还起到了缓解裂缝扩展，改善水泥石结构的目的，从而有利于其抗冻能力的提高.

图5为各组试件经历0，25，50，75，100次冻融循环后的强度损失率.从图5可以看出，在经历25 50次冻融循环后，XA，XB组试件的强度有一定程度的提高，原因有三：一是，天然浮石属多孔材料，长期在水中冻融循环，使得骨料内部饱水程度较高，加载过程中水分不能及时排出，故静水压力对混凝土强度有一定的贡献；二是，混凝土内部的纤维束因冻融过程中水分的进入以及热胀冷缩效应，增加了纤维丝之间的摩擦力和紧密性，在一定程度上提高了纤维的“约束效应”，有利于强度的发育；三是，由乱向分布的过量纤维形成的“气泡”结构，在冻融过程中因水分进入而不断膨胀和收缩，从而优化了纤维的性能，同时“气泡”内水饱状态的静水压力也对强度发育有利.

图5 强度损失率与冻融次数的关系Fig.5 Relationship between strength loss rate and freeze－thaw cycle

从图5还可以看出，相对于X0，XE组试件冻融后的强度损失较低，其中在2575次冻融循环过程中，其强度基本保持不变.原因在于：1／1 000的纤维掺量能最大程度地均匀分布于混凝土内部，没有过多的纤维形成“束状”和“气泡”结构，有利于充分发挥纤维的增韧效应，在25次冻融后，由于冷缩效应增加了纤维的收缩能力，使纤维能正式发挥其收缩控裂能力，表现为2575次冻融范围内该组试件的强度基本不变；随着冻融次数超过75次，混凝土性能逐渐下降，总体表现为其强度随冻融次数增加而明显下降.

总之，适量掺入纤维可以改善轻骨料混凝土的力学性能，使混凝土具有较好的冲击韧性和良好的抗疲劳性能，冻融时可以缓解冻结而引起的应力集

图6 碳纤维轻骨料混凝土28dSEM照片Fig.6 SEM photos of carbon fiber light－weight aggregate concrete from 28d

图7是碳纤维掺量分别1／300，1／1 000的混凝土经历100次冻融循环后的SEM照片.从图7可以看出，纤维在冻结过程中发生了褶皱，这是由于在冻结过程中纤维正变形大于混凝土负变形而受到拉应力，融化过程中因纤维的膨胀作用与混凝土收缩作用而形成了压应力，往返多次后，纤维整体形态即出现褶皱，这种拉、压应力将随冻胀次数的增加逐渐变小，且向混凝土协调变形的方向发展.中.另外，冻融时纤维对抵抗膨胀压力与渗透压力有利，从而可提高轻骨料混凝土的抗冻融能力.

2.4 碳纤维轻骨料混凝土微观结构

图7 碳纤维轻骨料混凝土经历100次冻融循环后的SEM照片Fig.7 SEM photos of carbon fiber light－weight aggregate concrete after 100times freeze－thaw cycles

图6是碳纤维掺量分别为1／300，1／1 000的混凝土养护28d的SEM照片.从图6可以看出，轻骨料混凝土界面处的水化程度较完善，水化硅酸钙胶体较多，形成一层薄膜覆盖在骨料周围.骨料表面的棱角导致它与水泥砂浆能够更充分地接触，因而在过渡区内水泥的水化更充分，结合更致密，使纤维在冻融循环作用下仍能正常工作.但若是纤维掺量过大，则在混凝土内部会形成“束状纤维”及“气泡”结构.图7（b）中纤维与骨料浆体黏结部位出现了孔隙，但孔隙较小且形成速度较慢，纤维与骨料浆体并未完全裂开，纤维也没有断裂，故冻胀对纤维与骨料浆体黏结作用没有构成致命的破坏.从图7可以看出，纤维表面存在的横向微裂纹很少，纤维的阻裂作用仍能正常发挥，表面大部分存在的是纵向褶皱，但是褶皱之间没有断裂或断裂的趋势不明显，对于纤维发挥阻裂作用几乎没有影响.说明冻胀过程中纤维对轻骨料混凝土抗冻性的正效应在一定程度上弥补了轻骨料自身孔隙含水较多的负效应.

冻融循环作用后，纤维表面水化产物为疏松多孔的颗粒，呈现絮状（见图7（b）），纤维与浆体界面区内存在一些缝隙，但界面水化产物比较密实，呈板块状，没有出现纤维与骨料或浆体完全剥离的情况，纤维与骨料浆体界面黏结紧密，黏结强度较高.可见，纤维轻骨料混凝土比普通天然集料混凝土结构更复杂.普通混凝土中仅存在天然集料与砂浆、集料与砂浆界面二相，而纤维轻骨料混凝土中则存在天然浮石与纤维，砂浆与天然浮石，纤维与砂浆界面等三相.这三相都是纤维轻骨料混凝土的薄弱环节.

3 结论

（1）1／100组、1／300组试件的纤维对强度贡献不明显，1／1 000组试件的纤维能够均匀分布在混凝土中且彼此相黏连构成网状，大量纤维起了“承托”骨料的作用，对混凝土强度发育影响较大.

（2）纤维的掺入有效降低了轻骨料混凝土峰值应力下的变形量，提高了混凝土的脆性性能；纤维掺量对混凝土弹性模量的影响呈现先减小后增大的趋势，其中1／1 000组的纤维掺量表现出较好的弹性模量.

（3）纤维改善轻骨料混凝土强度稳定性的能力较强，冻融循环后1／1 000组试件表现出强度损失较小的特点.

（4）适量的纤维可以改善轻骨料混凝土的力学性能，受冻融时可以缓解因温度变化而引起的混凝土内部应力，从而提高轻骨料混凝土的抗冻融能力.

（5）纤维表面水化产物比较密实，呈板块状，没有出现纤维与骨料或浆体完全剥离的情况，纤维与骨料浆体界面黏结紧密，黏结强度较高.“束状”和“气泡”结构主要由于纤维掺量较大引起，1／1 000的掺量较为适宜.

[1]王海龙，申向东.开放系统下纤维轻骨料混凝土的冻胀性能[J].建筑材料学报，2010，13（2），232－236.WANG Hai－long，SHEN Xiang－dong.Heaving of lightweight aggregate concrete in open system[J].Journal of Building Materials，2010，13（2），232－236.（in Chinese）

[2]王海龙，申向东.轻骨料混凝土早期力学性能的试验研究[J].硅酸盐通报，2008，27（5）：1018－1022.WANG Hai－long，SHEN Xiang－dong.Study of early mechanical properties of lightweight aggregate concrete[J].Bulletin of Chinese Ceramic Society，2008，27（5）：1018－1022.（in Chinese）

[3]王海龙，申向东，霍俊芳，等.冻融环境下钢纤维对轻骨料混凝土力学性能的影响[J].混凝土，2008（8）：65－68.WANG Hai－long，SHEN Xiang－dong，HUO Jun－fang，et al.Effect of stell fiber on mechanical properties of lightweight aggregate concrete to freeze－thaw environment[J].Concrete，2008（8）：65－68.（in Chinese）

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