碳纤维混凝土的制备及其力学性能研究

张政哲，吉 庆

(中交一公局集团有限公司，北京 100024)

随着社会生产力的发展，土木建筑行业得到快速发展。混凝土作为土木建筑行业最常用的材料，一方面要求满足力学强度，另一方面要求绿色节能。因此，许多研究学者通过掺入不同材料替代混凝土中的粗骨料，实现混凝土节能的目的。白敏等[1]用钢渣等体积全部替代石子配制钢渣混凝土，钢渣混凝土的力学性能明显优于普通混凝土。信玉良等[2]用石状钢渣等体积替代部分粗骨料配制混凝土，发现石状钢渣体积掺量应控制在30%为宜。王晴等[3]研究了煤矸石替代碎石对混凝土抗冻性的影响，粉煤灰的最佳体积掺量为10%。董海龙等[4]对不同粗骨料替代率的再生混凝土进行冲击试验，其应力-应变关系曲线开始段呈线性关系，随替代率的增大，曲线斜率增大，峰值应力变大。王占锋等[5]研究了不同粗骨料替代率对再生混凝土的力学性能的影响，随着再生粗骨料替代率的增加，再生混凝土立方体抗压强度和棱柱体抗压强度均逐渐增大，劈拉强度有一定程度的降低。赵军等[6]对不同粗骨料替代率的混凝土试件进行拉拔试验，发现再生混凝土黏结强度要高于基准混凝土，当替代率为60%时,黏结强度达到最大值。刘喜平等[7]选用不同粗骨料替代率的再生粗骨料混凝土进行研究，发现不同替代率的再生混凝土的流动性和抗压强度均比普通混凝土差。蔡海勇等[8]分析了再生骨料混凝土破坏形态及不同再生粗骨料替代率对再生混凝土抗压强度的影响，结果表明28 d龄期的再生骨料混凝土强度能够达到标准要求，用再生骨料配制混凝土是可行的。

目前，碳纤维由于具有优异的活性和化学稳定性，且性价比高，被广泛用于高性能混凝土的开发。孟博旭等[9]研究了纳米碳纤维掺量对纳米碳纤维/混凝土抗冻性能的影响，结果表明纳米碳纤维通过改善混凝土的微观形貌、孔隙结构、整体性和密实度，显著改善了混凝土的抗冻性能。毕鹏[10]采用碳纤维掺入沥青混凝土中，碳纤维体积掺量为0.05%左右时混凝土的性能达到最佳。碳纤维能够明显提高混凝土的各方面性能，但碳纤维材料受温度的影响较大，从而影响混凝土的性能[11]，因此，需进一步研究在不同养护环境温度下碳纤维混凝土的性能变化规律。作者通过在混凝土中掺入不同含量的碳纤维配制碳纤维混凝土，研究碳纤维掺量对碳纤维混凝土力学性能的影响；同时，通过调节不同的养护环境温度来分析碳纤维混凝土力学性能的变化规律。

1 实验

1.1 主要原料

P.O.42.5水泥：二氧化硅(SiO2)质量分数25.03%，氧化钙(CaO)质量分数54.99%，三氧化二铝(Al2O3)质量分数7.01%，氧化镁(MgO)质量分数3.91%，三氧化二铁(Fe2O3)质量分数2.94%，三氧化硫(SO3)质量分数6.12%，青岛卓能达建筑科技有限公司生产；砂、石：砂粒径0～15 mm、堆积密度1 720 kg/m3、表观密度2 903 kg/m3，石粒径15～25 mm、堆积密度1 660 kg/m3、表观密度2 561 kg/m3，均由佛山市越祥建材有限公司提供；减水剂：上海富畦工贸有限公司生产；碳纤维：长度12 mm，抗拉强度3 900 MPa，弹性模量230 GPa，单丝直径8 μm，河北富瑞复合材料有限公司生产。

1.2 主要设备及仪器

HS85623型多功能搅拌机：沧州恒胜伟业公路仪器有限公司制；CBW-2T型万能试验机：重庆重标实验仪器有限公司制。

1.3 碳纤维混凝土的制备

使用搅拌机将水泥、砂、石、水和碳纤维等进行混合搅拌，其中水:水泥:砂:石的质量比为0.38:1.00:1.11:2.72，掺入碳纤维体积分数为0～3%，掺入减水剂体积分数为2%。根据GB/T 50476—2019《混凝土结构耐久性设计标准规范》制备不同碳纤维含量的100 mm×100 mm×100 mm立方体混凝土，随后放入振动台上进行振动，使得成型的混凝土内部材料均匀且密实，并在不同环境温度下对混凝土试件进行养护，环境温度分别为20，40，60，100 ℃，养护时间为7 d。

1.4 力学性能测试

根据GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》，将养护成型的碳纤维混凝土放置在万能试验机上，开始逐级加压力/加拉力，通过试验仪器显示器读取碳纤维混凝土压碎/拉坏时的受力值，最终取每组3块试件的平均值作为最终受力值，计算碳纤维混凝土的抗压强度、劈拉强度和抗弯强度。

2 结果与讨论

2.1 抗压强度

从图1可以看出：当环境温度为60 ℃时，未掺入碳纤维的混凝土的抗压强度为27.9 MPa，掺入碳纤维体积分数1%的混凝土抗压强度为29.1 MPa，掺入碳纤维体积分数2%的混凝土抗压强度为29.6 MPa，掺入碳纤维体积分数3%的混凝土抗压强度为29.9 MPa，显然，随着碳纤维掺量的增加，混凝土的抗压强度逐渐增加，但是增加速率逐渐降低；当环境温度分别为20，40 ℃时，混凝土的抗压强度随碳纤维掺量的增加呈现同样的变化趋势，并且在掺入碳纤维体积分数为3%时抗压强度最大，这是因为碳纤维的表面积及直径较小，能够填充至混凝土的空隙之中，从而提高混凝土的抗压强度[12]；当碳纤维掺量一定(掺入碳纤维体积分数为3%)时，环境温度为20 ℃的混凝土的抗压强度为28.9 MPa，环境温度为40 ℃的混凝土的抗压强度为29.6 MPa，环境温度为60 ℃的混凝土的抗压强度为29.9 MPa，环境温度为100 ℃的混凝土的抗压强度为28.4 MPa，随着养护环境温度的升高，碳纤维混凝土的抗压强度先增加后降低，最佳养护温度为60 ℃，这是因为环境温度的增加，能够促进混凝土中水泥的水化，从而提高混凝土的抗压强度，但养护温度过高(100 ℃)则会破坏混凝土内部结构，降低混凝土的抗压强度[13]。

2.2 劈拉强度

从图2可以看出：当环境温度为60 ℃时，未掺入碳纤维的混凝土的劈拉强度为2.8 MPa，掺入碳纤维体积分数1%的混凝土的劈拉强度为3.1 MPa，掺入碳纤维体积分数2%的混凝土的劈拉强度为3.3 MPa，掺入碳纤维体积分数3%的混凝土的劈拉强度为3.4 MPa，随着碳纤维掺量的增加，混凝土的劈拉强度逐渐增加；当环境温度分别为20，40，100 ℃时，混凝土的劈拉强度同样随碳纤维掺量的增加而增加，呈现同样的变化趋势；当环境温度一定时，随着碳纤维掺量的增加，混凝土的劈拉强度逐渐增加，但是增加速率逐渐降低，掺入碳纤维体积分数为3%时最佳，这是因为碳纤维属于活性材料，能够与水泥中的化学成分发生反应，从而加快水化过程，即加快凝胶的形成，从而提高混凝土的劈拉强度[14]；当掺入碳纤维体积分数为3%时，环境温度为20 ℃的混凝土的劈拉强度为3.2 MPa，环境温度为40 ℃的混凝土的劈拉强度为3.3 MPa，环境温度为60 ℃的混凝土的劈拉强度为3.4 MPa，环境温度为100 ℃的混凝土的劈拉强度为3.3 MPa，最佳养护温度为60 ℃；当碳纤维掺量一定(体积分数分别为1%，2%)时，随着环境温度的升高，碳纤维混凝土的劈拉强度同样先增加后降低，最佳养护温度为60 ℃，这是因为在一定程度范围内升高环境温度，能够加快混凝土中水泥的水化过程，从而提高混凝土的劈拉强度，但环境温度过高则会起到相反的作用，降低混凝土的劈拉强度[15]。

图2 不同环境温度下碳纤维混凝土劈拉强度随碳纤维掺量的变化Fig.2 Change of splitting tensile strength of carbon fiber reinforced concrete with carbon fiber content under different ambient temperatures■—20 ℃；●—40 ℃；▲—60 ℃；▼—100 ℃

2.3 抗弯强度

从图3可以看出：当环境温度为60 ℃时，未掺入碳纤维的混凝土的抗弯强度为4.7 MPa，掺入碳纤维体积分数1%的混凝土的抗弯强度为5.0 MPa，掺入碳纤维体积分数2%的混凝土的抗弯强度为5.2 MPa，掺入碳纤维体积分数3%的混凝土的抗弯强度为5.3 MPa；当环境温度分别为20，40，100 ℃时，随着碳纤维掺量的增加，混凝土的抗弯强度呈现同样的变化趋势；当环境温度一定时，随着碳纤维掺量的增加，混凝土的抗弯强度逐渐增加，但是增加速率逐渐降低，碳纤维最佳掺量为体积分数3%，这是因为在混凝土中掺入碳纤维能够降低混凝土的塑性流动和收缩微裂纹，使混凝土得到辅助的加强，并且碳纤维能够加快水泥的水化，使得水泥水化产物随时间不断累积，填充于已硬化试件的空隙，降低体系的空隙率，密实试件，从而使强度不断得以发展[16]；当掺入碳纤维体积分数为3%时，环境温度为20 ℃的混凝土的抗弯强度为4.9 MPa，环境温度为40 ℃的混凝土的抗弯强度为5.1 MPa，环境温度为60 ℃的混凝土的抗弯强度为5.3 MPa，环境温度为100 ℃的混凝土的抗弯强度为5.2 MPa，最佳养护温度为60 ℃；当碳纤维掺量一定时，随着养护环境温度的升高，碳纤维混凝土的抗弯强度先增加后降低，最佳养护温度为60 ℃，这是因为环境温度的增加，能够促使混凝土中水泥的水化，从而提高混凝土的抗弯强度，但环境温度过高则会破坏混凝土内部结构，降低混凝土的抗弯强度。

图3 不同环境温度下碳纤维混凝土抗弯强度随纤维掺量的变化Fig.3 Change of bending strength of carbon fiber reinforced concrete with carbon fiber content under different ambient temperatures■—20 ℃；●—40 ℃；▲—60 ℃；▼—100 ℃

3 结论

a.当碳纤维掺量一定时，随着养护环境温度的升高，碳纤维混凝土的抗压强度、劈拉强度和抗弯强度均呈现先增加后降低的变化趋势，其最佳养护环境温度为60 ℃。

b.当养护环境温度一定时，随着碳纤维掺量的增加，碳纤维混凝土的抗压强度、劈拉强度和抗弯强度均逐渐增加，增加速率逐渐降低，掺入碳纤维体积分数3%时均达到最大。

c.当养护环境温度为60 ℃、掺入碳纤维体积分数3%时，碳纤维混凝土的力学性能最佳，其抗压强度为29.9 MPa，劈拉强度为3.4 MPa，抗弯强度为5.3 MPa。