不同质量比碳纤维混凝土力学性能的研究

张旭辉，刘发明，周　婷

（1.宿州学院　资源与土木工程学院；2.　宿州学院　环境与测绘工程学院，安徽　宿州　234000）

不同质量比碳纤维混凝土力学性能的研究

张旭辉1，刘发明1，周婷2

（1.宿州学院资源与土木工程学院；2.宿州学院环境与测绘工程学院，安徽宿州234000）

将质量比分别为1/600，1/700，1/800，1/900，1/1000的碳纤维加入到水泥基体中，在同条件养护下制成不同质量比的碳纤维增强水泥基的复合材料即碳纤维混凝土，养护完成后对试块进行抗压强度和抗劈拉强度测试，通过比较得出碳纤维混凝土的抗劈拉强度随碳纤维质量的增加而增加，即1/700质量比的碳纤维混凝土有最大抗拉强度值，但所有碳纤维混凝土的抗压强度都小于素混凝土原有的强度.同时碳纤维混凝土在承受压力破碎的时候，能够较长时间保持试块的完整性，使其碎而不散.所以碳纤维能有效地改善混凝土的脆性，并能有效的改善混凝土因破坏而出现的剥离现象.

质量比；碳纤维混凝土；力学性能；抗压强度；抗拉强度

混凝土是当今建筑的主要材料，以其抗压强度高，价格低廉，使用方便等优点而被广泛应用与建筑物中［1-3］.但混凝土属于脆性材料，当发生破坏时毫无征兆，具有不可预见性.因此当地震等自然灾害来临时，混凝土的脆性断裂往往会给人们的生命和财产安全带来不可估量的损失.

碳纤维是一种含碳量在90%以上的呈纤维状的新一代复合材料，是具有高强度，高模量，耐高温，耐腐蚀，导电和导热等性能优异的化工新材料.由于生产工艺较为复杂，其生产主要集中在日本，英国，美国，法国等少数发达国家［4-6］.所以碳纤维的价格较为昂贵，限制了其使用的规模与范围.然而我国碳纤维的研制工作已从六十年代后期开始，至今约有50多年的历史了［7-10］.随着我国研制碳纤维能力的不断提高以及我国碳纤维需求量的攀升，我国正将迈入碳纤维大规模产业化的时期.所以在不久的将来碳纤维的价格将会有所下降，大规模使用碳纤维的时期将会来临.为了更好地将碳纤维应用到建筑上，本文将短切碳纤维以三维乱向的形式掺入混凝土中，制成不同质量比的碳纤维混凝土（Carbon Fiber Reinforced Concerete）缩写为CFRC，通过力学试验，收集试验数据，分析得出结论，为碳纤维混凝土的应用提供更加科学的依据［11-12］.

1　试验概况

1.1试验设计

本试验设计在标准的立方体混凝土试块中掺入质量比分别为1/600，1/700，1/800，1/900，1/1000的东邦UTS50F22的短切碳纤维，来研究不同质量比的碳纤维对混凝土的抗压基本力学性能的影响.

1.2试验材料

细骨料：Ⅱ级中砂；粗骨料：宿州当地碎石，最大粒径20mm；胶凝材料：P.O42.5普通硅酸盐水泥；水：宿州当地自来水；碳纤维：东邦UTS50F22，中等模量，技术指标见表1，实物见图1.

表1　碳纤维技术指标

图1　碳纤维

1.3试块的制作与养护

试验选取的水灰比为0.42，水泥：细骨料：粗骨料：水=392:640:1204:164每三块试块为一组，详细配合比用料见表2，在标准条件下养护28天.

2　力学性能试验

表2　混凝土抗压试验试块的配合比

2.1抗压强度试验

2.1.1试验准备

本项目抗压试验是以自检的方式，委托合肥市合工大共达工程质量检测中心进行混凝土抗压试验，并出具混凝土抗压强度试验报告.

2.1.2试验数据

碳纤维混凝土抗压试验利用TYE-2000B型压力试验机，分别对送检的6组试件按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）进行抗压检测，分别得出素混凝土、1/600碳纤维混凝土、1/700碳纤维混凝土、1/800碳纤维混凝土、1/900碳纤维混凝土、1/1000碳纤维混凝土的抗压强度值，详细数据及计算结果见表3：

表3　碳纤维混凝土抗压强度试验原始数据

2.1.3试验分析

通过原始数据分别绘制同组但不同质量比的混凝土抗压强度值比较图，以及同质量比不同组混凝土抗压强度值比较图，如图2和图3所示.

通过在同质量比不同组碳纤维混凝土与素混凝土比较图中发现：掺入碳纤维的混凝土并未增强原混凝土的抗压强度，基本上都低于原有强度；同组不同质量比碳纤维混凝土与素混凝土比较图中得出：随着碳纤维掺量的逐渐增加抗压强度值逐渐上升，但都小于原有强度.

通过分析得出掺入碳纤维的混凝土强度之所以比原有混凝土强度低，其主要原因可能是由于碳纤维的掺入导致了混凝土的空隙率增大，使得混凝土强度的降低.

如图4所示，在比较素混凝土与碳纤维混凝土承受压力荷载后的变形程度时发现，素混凝土在承受荷载破坏后，破坏形态成沙漏状，即承载面周围混凝土面破坏较严重，出现了大面积的混凝土脱落剥离现象；而碳纤维混凝土在承受荷载过后，承载面周围混凝土面未出现较大面积的混凝土脱落现象，四周混凝土面能基本保持原有的立方体形态，承压面周围破坏面基本上能保持其立方体的完整性.由此可以得出：碳纤维在混凝土中能够有效约束破碎的混凝土，能够有效的延缓破碎混凝土的剥离脱落的时间，从而改善了混凝土的脆性破坏.

图2　同组不同质量比抗压强度值比较图

图3　同质量比不同组抗压强度值比较图

图4　素混凝土与碳纤维混凝土抗压破坏对比图

2.2劈裂试验

2.2.1试验准备

本项目劈裂试验也是以自检的方式，委托合肥市合工大共达工程质量检测中心进行混凝土劈裂试验，并出具混凝土劈裂强度试验报告，从而得出混凝土抗拉力学性能.

2.2.2试验数据

碳纤维混凝土劈裂试验利用TYE-2000B型压力试验机和劈裂试验夹具，分别对送检的6组试件按照《普通混凝土力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2002）进行劈裂试验检测，分别得出素混凝土、1/600碳纤维混凝土、1/700碳纤维混凝土、1/800碳纤维混凝土、1/900碳纤维混凝土、1/1000碳纤维混凝土的抗拉强度值，详细数据及计算结果见表4.

表4　素混凝土劈裂强度试验原始数据

2.2.3试验分析

通过原始数据分别绘制同组但不同质量比的混凝土劈裂抗拉强度值比较图，以及同质量比不同组混凝土劈裂抗拉强度值比较图，如图4和图5所示.

图4　同组不同质量比劈裂强度值比较图

图5　同质量比不同组抗压强度值比较图

通过在同质量比不同组碳纤维混凝土与素混凝土比较图中发现：掺入碳纤维的混凝土明显增强了原混凝土的抗拉强度，基本上所有碳纤维混凝土都高于素混凝土的抗拉强度；同组不同质量比碳纤维混凝土与素混凝土比较图中得出：随着碳纤维掺量的逐渐变化抗拉强度值也在不断地变化，但都高于素混凝土原有的抗拉强度；其中在质量比为1/700碳纤维混凝土出现了峰值，及碳纤维掺量为1/700时抗拉强度达到最大.

图6　素混凝土与碳纤维混凝土劈裂破坏对比图

根据图6所示以及比较素混凝土与碳纤维混凝土承受劈裂荷载后的变形程度发现，素混凝土在承受荷载破坏后，劈裂边缘破坏形态为脆性破坏，而碳纤维混凝土在承受劈裂荷载后，劈裂边缘由于碳纤维的约束作用使得混凝土块在承受脆性破坏的同时呈现出了柔性破坏.由此可以得出：碳纤维混凝土显著地增强了混凝土抗拉性能.

由于碳纤维能有效改善混凝土的脆性破坏，防止素混凝土因承受荷载而导致的混凝土剥离现象，因此如果利用碳纤维来约束混凝土碎块的性能应用于建筑结构设计当中，可以明显改善建筑结构在承受地震等自然灾害时产生的巨大荷载时发生的剥离脱落现象，延缓破碎的混凝土块高空坠落的时间，提高结构整体的抗震性能，保证了人们生命和财产的安全.

3　结论

（1）碳纤维的掺入能有效的改善混凝土的脆性破坏，能够有效的防止因混凝土的脆性破坏导致的混凝土剥落现象，即基本上能够保持其立方体的整体形态.

（2）不同质量比的碳纤维对混凝土的抗压强度有明显的影响，但碳纤维的掺入并不能显著增强混凝土的抗压强度.

（3）在本次试验中，碳纤维显著改善混凝土的抗拉强度，从1/1000碳纤维掺量开始随掺入的碳纤维质量比的增加抗拉强度增加，当掺量为1/700时达到最大值，继续增加碳纤维量则抗拉强度下降.其中抗拉强度最佳碳纤维质量比为1/700.

（4）在混凝土养护过程中，必须要控制好养护的温度和湿度，并且在试块脱模过后，周围不能用密封性较高的薄膜缠绕，否则会导致混凝土内部水气不能有效地排出从而影响混凝土中水泥的水化作用，大大降低混凝土试块的强度.

（5）通过本次试验，可以发现碳纤维能够有效的约束破碎的混凝土.因此可以利用碳纤维的约束特性将其应用到工程实际中去，从而可以有效改善混凝土的脆性，避免了因混凝土脆性剥离脱落导致的不必要的生命和财产的损失.

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TU528.58

A

1673-260X（2016）07-0158-04

2016-04-11

安徽高校自然科学研究项目（KJ2016A773）；安徽省大学生创新训练项目（AH201410379050）；宿州学院大学生科研立项重点项目（KYLXLKZD14-01）；宿州学院校级质量工程教学研究项目（szxy2015jy15）