碳纤维增强混凝土弯曲韧性试验

刘发明，谷　坤，张旭辉

宿州学院资源与土木工程学院，安徽宿州，234000



碳纤维增强混凝土弯曲韧性试验

刘发明，谷坤，张旭辉

宿州学院资源与土木工程学院，安徽宿州，234000

摘要：采用改变碳纤维在混凝土中体积掺量的方法，对混凝土的弯曲韧性进行了试验，研究了不同碳纤维体积掺量对混凝土弯曲韧性以及破坏特征的影响。结果表明，碳纤维对基体混凝土在弯曲破坏时有不同程度的改善和增强作用，碳纤维体积掺量对基体混凝土弯曲韧性改善的最佳掺量在0.6%左右，跨中挠度分别为3δ、5.5δ、15.5δ时的弯曲韧性指数增加量达到了20%。从碳纤维混凝土破坏形态来看，破坏也由脆性断裂变为一定程度的韧性断裂。

关键词：碳纤维；体积掺量；弯曲韧性

为了克服混凝土脆性大、抗拉强度低和易开裂的先天缺陷，在混泥士中掺入纤维可以约束其裂缝的展开，减少塑性收缩，增强抗拉强度，提高耐久性。碳纤维是一种具有抗拉强度高、耐腐蚀、耐高温、化学稳定性较好、弹性模量大等性能优良的新型纤维，将适量体积的碳纤维掺入混凝土中，可以延缓混凝土内部裂纹的产生和扩展，明显改善混凝土的韧性和延性，避免混凝土内部产生应力集中现象。正是由于碳纤维可以使混凝土增强增韧的优良性能，所以它在复合材料领域中占有重要的地位，广泛应用于高层建筑、桥梁、码头、大坝、防震、静电屏蔽、导电以及吸波等方面，受到材料研究科技工作者的普遍关注[1-3]。

1　试验方案

1.1原材料

试验选用海螺牌32.5#普通硅酸盐水泥，3 d、28 d抗压强度分别为18.7 MPa、38.6 MPa；细度模数为2.53的中砂；最大粒径为20 mm、连续级配的碎石；日本东邦碳纤维公司生产的12K碳纤维，其技术性能指标如表1所示。

表1　碳纤维性能指标

1.2配合比设计

根据商怀帅等人[4]研究结果可知，在水灰比为0.5时，混凝土的单轴和双轴抗压强度趋于平稳，不会出现骤降现象。故本实验选取水灰比为0.5，混凝土设计强度等级为C30，砂率采用34%，水泥∶细骨料∶粗骨料∶水=1∶1.6∶3.11∶0.50。在弯曲韧性试验配合比设计中，所用碳纤维的体积掺量有0.2%、0.6%、1.0%、2.0%四种，试验配合比设计如表2所示。

表2　碳纤维混凝土弯曲韧性试验配合比表　　单位：kg

1.3试件设计

根据配合比和碳纤维的体积掺量，试件共5组，每组3个，采用100 mm×100 mm×400 mm的小梁试件。按照碎石→水泥→砂子的顺序进行一次投料入搅拌机中，在干搅的过程中缓慢均匀地加入碳纤维，最后将拌合水加入并搅拌2 min后，把混合料浇筑到模具中成型[5]。

1.4试验方法

碳纤维混凝土弯曲韧性试验测试采用WAW-1000型微机控制电液伺服万能试验机，利用《纤维混凝土应用技术规程》(JGJ/T 221-2010)标准、三分点弯曲梁试验方法，测量初裂强度和荷载-挠度曲线。

2　弯曲韧性试验结果与分析

2.1弯曲韧性评定方法和数据记录

通过试验得到碳纤维混凝土小梁的荷载(KN)与挠度(mm)的关系曲线，并找出每一条曲线上由线性变为非线性的分界点，记录该点对应的挠度值，即为初裂挠度。以初裂挠度的3倍、5.5倍和15.5倍荷载—挠度曲线下面积与初裂挠度曲线下面积之比来计算弯曲韧性指数，用公式(1)表示。以3个试件的弯曲韧性指数算术平均值作为该组试件的弯曲韧性指数值，具体结果如表3所示。

(1)

式中，I5、I10、I30表示跨中挠度分别为3δ、5.5δ、15.5δ时的弯曲韧性指数，S0、S5、S10、S30表示初裂挠度δ、3δ、5δ、15.5δ对应荷载—挠度曲线下面积。

表3　碳纤维混凝土弯曲韧性试验结果

2.2碳纤维掺量对混凝土弯曲韧性的影响

根据表3中求得的碳纤维混凝土弯曲韧性指数值，可以绘制出碳纤维体积掺量与弯曲韧性指数之间的关系曲线，如图1所示。

图1　碳纤维体积掺量与弯曲韧性指数关系图

从图1可以看出，碳纤维的掺入对于混凝土的弯曲韧性均有增强作用。当碳纤维体积掺量为0.2%时，跨中挠度为3δ、5.5δ和15.5δ时弯曲韧性指数分别提高了3.97%、8.63%和10.11%；当碳纤维体积掺量为0.6%时，跨中挠度为3δ、5δ和15.5δ时的弯曲韧性指数分别提高了21.53%、19.51%和19.00%；当碳纤维体积掺量在1.0%时，跨中挠度分别为3δ、5δ和15.5δ时的弯曲韧性指数分别提高了2.27%、4.50%和4.96%。当碳纤维体积掺量在0.6%以下时，混凝土的弯曲韧性增加较多，尤其是体积掺量在0.6%时，弯曲韧性增加量达到了20%，但是随着碳纤维体积掺量的增大弯曲韧性指数呈减少趋势。如碳纤维体积掺量在2.0%时，跨中挠度分别为3δ、5δ和15.5δ时的弯曲韧性指数比碳纤维体积掺量在0.6%时分别降低了了16.78%、13.62%和12.38%，这主要是因为碳纤维出现了“负效应”。

2.3试验现象与破坏分析

在碳纤维混凝土加载过程中，为了观察碳纤维混凝土试件从开始出现裂缝到断裂破坏的全过程，即时调整加载速度，并记录裂缝的展开情况。碳纤维混凝土试件在出现裂缝后，随着荷载的增加，裂缝逐渐增多增宽，偶有表层浆体碎渣片掉落，破坏也没有素混凝土那么突然。碳纤维体积掺量越大，碳纤维混凝土试件在破坏时表面裂缝宽度就越窄，试件表面浆体片剥落就越少。试验结果表明，随着碳纤维体积掺量的增加，混凝土在弯曲时抗破坏特征就越明显。这是因为数以万计的三维乱向分布的碳纤维在混凝土中起着微筋拉结作用，这些贯穿裂缝的碳纤维细微筋限制了骨料间裂缝沿受力方向的扩展与贯通，延缓了混凝土基体由于裂缝扩展过快而造成的突然失稳，从而使得混凝土构件的塑性变形能力得到有效的提高[6-8]。

3　结 论

通过不同碳纤维体积掺量增强混凝土弯曲韧性能试验，可以得到以下结论：

(1)将一定体积掺量的碳纤维掺入混凝土中，对于基体混凝土在受到弯曲破坏时有不同程度的改善和增强作用。

(2)碳纤维体积掺量对基体混凝土弯曲韧性改善的最佳掺量在0.6%左右，跨中挠度分别为3δ、5δ和15.5δ时的弯曲韧性指数分别提高了21.53%、19.51%和19.00%。

(3)碳纤维体积掺量在0.6%以上时，跨中挠度分别为3δ、5δ和15.5δ时的弯曲韧性指数呈下降趋势，但是整体上碳纤维混凝土弯曲韧性比素混凝土要高，破坏形态由突然断裂的脆性破坏变为一定程度的韧性破坏。

作者简介：刘发明(1981-)，安徽六安人，硕士，助教，主要研究方向：新型建筑材料、混凝土结构。

基金项目：宿州学院青年人才 “冻融环境粉煤灰混凝土结构耐久性评估及使用寿命预测”(2013XQRL02)；安徽省大学生创新创业训练计划入选项目“相同体积下不同质量比的碳纤维混凝土的力学性能的研究”(AH201410379050)；安徽省教育基本建设学会科研项目“基于可持续发展的高校绿色建筑开发管理研究”(1409-10)。

收稿日期：2015-07-10

中图分类号：TU528.582

文献标识码：A

文章编号：1673-2006(2015)10-0104-03

doi:10.3969/j.issn.1673-2006.2015.10.028