碳纤维混凝土抗压强度性能试验研究

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摘要:为研究碳纤维对混凝土力学性能的影响,首先分析了不同碳纤维掺量(0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)对混凝土抗压强度的改善规律;其次,分析在0.4moL/L的NaCl溶液腐蚀环境下腐蚀时间对碳纤维混凝土力学性能的影响及在冻融循环作用下碳纤维对混凝土力学性能的影响;最后,基于两种试验构建了腐蚀冻融耦合循环试验,以此来分析碳纤维混凝土力学性能变化。试验结果表明,当碳纤维掺量为0.8%时,混凝土的力学性能提高最多;单一冻融循环对混凝土力学性能影响程度高于单一腐蚀环境对混凝土力学性能的影响程度;腐蚀和冻融环境对混凝土的破坏是相互的,即耦合环境下混凝土力学性能损伤要高于单一环境下混凝土力学性能损伤。

关键词:腐蚀环境;冻融循环;腐蚀冻融耦合循环;碳纤维掺量;抗压强度

1引言

混凝土作为建筑工程中使用最为广泛的材料之一,提升其力学性能一直是研究热点[1,2]。目前,主要通过在混凝土中掺入不同的纤维类材料、活性材料和外加剂等来达到提升混凝土力学性能的目的。本文选择掺入碳纤维材料来改善混凝土的力学性能,该类纤维材料被广泛用于提高混凝土的力学性能和耐久性能[3-5];构建了腐蚀冻融耦合循环试验,分析在耦合环境下的混凝土力学性能的变化规律,以期为工程实践提供参考。

2材料与方法

2.1材料

采用P.O.42.5R级普通硅酸盐水泥,其化学组成成分见表1。粗骨料为粒径为5~10mm的碎石,饱和吸水率为0.48%;细骨料为粒径为0~5mm的细砂,饱和吸水率为1.16%;试验用水为蒸馏水。碳纤维采用型号为T700、直径约6.8μm、密度为1.8g/cm3、抗拉强度约4900MPa的碳纤维。配制混凝土时,碳纤维按照水泥掺量的体积百分比掺入,其中水泥、细骨料、粗骨料掺量分别为125、170、340kg/m3,水灰比为0.35,碳纤维掺量分别为0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%。

2.2方法

根据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080-2016)[6]和混凝土配合比制备边长为100mm的立方体混凝土试件,将混凝土试件放在标准养护室内养护,养护温度为20±2℃,相对湿度在95%以上。根据《普通混凝土拌合物性能试验方法标准》(GB/T50080-2016)测试所制备混凝土的力学性能,分析不同碳纤维掺量对混凝土力学性能的影响;制备0.4moL/L的NaCl溶液作为混凝土的腐蚀环境,分析混凝土在该溶液中浸泡5、10、15、20、30d后的力学性能变化;将成型的混凝土试块放入冻融箱中分别冻融循环30、60、90、120、150次,分析混凝土的耐冻性能变化;为建立腐蚀冻融耦合试验,将混凝土试块在腐蚀环境中浸泡5d后放入冻融箱冻融循环30次,以此记为一个循环。试验中,抗压强度由济南全力测试技术有限公司生产的万能试验机测试得出,冻融箱由浙江路达机械仪器有限公司生产。

3结果与分析

3.1腐蚀环境下混凝土力学性能变化

将制备好的混凝土试块放入腐蚀环境中,分析不同碳纤维掺量(0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)对混凝土耐腐蚀性能的影响,结果见图1。由图1可知:①在无腐蚀环境下,未掺入纤维的混凝土试块的抗压强度为51.5MPa,随着纤维掺量的不断增加,混凝土的抗压强度逐渐增加,当纤维掺量为0.8%时,混凝土的抗压强度达到最高为59.8MPa。这是因为纤维的掺入能够密实混凝土,降低混凝土的孔隙率,进而提高混凝土的抗压强度。但当纤维掺量为1%时,该混凝土的抗压强度有下降趋势。这是因为掺入过多纤维时,即水泥占比相应减小,混凝土的抗压强度亦逐渐减小[7]。可见在该类混凝土中,碳纤维的最佳掺量为0.8%。②在腐蚀环境下,随着腐蚀时间的增加,混凝土的抗压强度亦逐渐下降,且下降速率逐渐增大。这是因为随着腐蚀时间的增加,混凝土受到的腐蚀作用亦越强。一方面,当混凝土一侧存在高浓度氯离子,而另一侧氯离子浓度较低时,混凝土内部会产生腐蚀电流,从而加速腐蚀产物向外扩散;另一方面,氯离子会与混凝土水化过程产物发生化学置换作用生成氯盐,而氯盐为高吸湿性盐,能吸收空气中的水分变成液体,从而使氯离子从扩散作用变为渗透作用,加速混凝土内部破坏[8]。综合来看,当掺入0.8%的碳纤维混凝土时,较未腐蚀的混凝土,腐蚀30d后混凝土抗压强度降幅为27.09%;当未掺入纤维时,腐蚀30d后混凝土抗压强度降幅为40.78%。可见掺纤维能提高混凝土耐腐蚀性。

3.2冻融环境下混凝土力学性能变化

将制备好的混凝土试块放至冻融环境中,分析不同碳纤维掺量(0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)对混凝土抗冻融性能的影响,结果见图2。由图2可知:①在相同碳纤维掺量下,随着混凝土冻融循环次数越多,混凝土的抗压强度逐渐下降,且下降速率逐渐增大。这是因为混凝土在硬化后内部存在毛细孔和自由水,在冻融循环作用下,内部水分会结冰,从而发生体积膨胀,导致混凝土内部孔结构产生破坏,进而降低混凝土的力学性能[9]。②当掺入0.8%的碳纤维时,较未冻融循环的混凝土,冻融循环150次后混凝土抗压强度降幅为50.67%;当未掺入纤维时,冻融循环150次后混凝土抗压强度降幅为60.97%。可见掺纤维能提高混凝土抗冻融性。

3.3腐蚀—冻融环境下混凝土力学性能变化

将制备好的混凝土试块放至腐蚀—冻融环境中,分析不同碳纤维掺量(0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)对混凝土抗冻融性能的影响,结果见图3。由图3可知:①在相同碳纤维掺量下,随着混凝土在腐蚀—冻融环境中循环次数的增加,混凝土的抗压强度逐渐下降,且下降速率逐渐增大。这是因为腐蚀作用和冻融环境是一个互相作用的过程,腐蚀过程加剧腐蚀产物向外扩散,导致混凝土内部空隙变大,进一步导致内部自由水分含量增大,在冻融作用下,水分结冰,从而加剧内部结构破坏。综合来看,当掺入0.8%的碳纤维混凝土时,与未冻融—腐蚀耦合循环混凝土相比,腐蚀—冻融耦合循环5次后混凝土抗压强度降幅为57.19%;当未掺入纤维时,腐蚀—冻融耦合循环5次后混凝土抗压强度降幅为67.57%。可见掺入纤维能够提高混凝土的抗腐蚀—冻融性。图4为掺入0.8%的碳纤维的混凝土分别在腐蚀环境30d、冻融循环120次及腐蚀—冻融循环5次下的微观测试图。由图4可知,碳纤维混凝土在腐蚀—冻融环境下的破坏程度要高于单一腐蚀环境和冻融环境下的破坏程度;在单一环境中,纤维混凝土在冻融环境下的力学性能损失程度要高于腐蚀环境下的力学性能损失程度,这一点也可以从微观测试图予以验证,即在微观状态中混凝土的孔洞大小的区别。(a)腐蚀环境30d(b)冻融循环120次(c)腐蚀—冻融循环5次图4纤维混凝土抗压强度随纤维掺量的变化Fig.4Variationofcompressivestrengthoffiberreinforcedconcretewithfibercontent4结论a.碳纤维混凝土中碳纤维的最佳掺量为0.8%。b.在混凝土中掺入纤维可提高混凝土的力学性能,在腐蚀30d后,掺入0.8%的碳纤维的混凝土试块具有C40混凝土的抗压强度性能,而未掺入碳纤维的混凝土试块仅具备C30混凝土的抗压强度性能。c.在混凝土中掺入纤维可提高混凝土的力学性能,在冻融150次后,掺入0.8%的碳纤维的混凝土试块具有C25甚至C30混凝土的抗压强度性能,而未掺入碳纤维的混凝土试块仅具备C20混凝土的抗压强度性能。d.在混凝土中掺入纤维可提高混凝土的力学性能,在腐蚀—冻融5次后,掺入0.8%的碳纤维的混凝土试块具有C25混凝土的抗压强度性能,而未掺入碳纤维的混凝土试块仅具备C15混凝土的抗压强度性能。

作者：李涛峰 张多新 单位：黄河水利职业技术学院土木与交通工程学院 华北水利水电大学土木与交通学院