碳纖維混凝土抗壓強(qiáng)度性能試驗(yàn)研究

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摘要:為研究碳纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響,首先分析了不同碳纖維摻量(0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度的改善規(guī)律;其次,分析在0.4moL/L的NaCl溶液腐蝕環(huán)境下腐蝕時(shí)間對(duì)碳纖維混凝土力學(xué)性能的影響及在凍融循環(huán)作用下碳纖維對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響;最后,基于兩種試驗(yàn)構(gòu)建了腐蝕凍融耦合循環(huán)試驗(yàn),以此來(lái)分析碳纖維混凝土力學(xué)性能變化。試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)碳纖維摻量為0.8%時(shí),混凝土的力學(xué)性能提高最多;單一凍融循環(huán)對(duì)混凝土力學(xué)性能影響程度高于單一腐蝕環(huán)境對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響程度;腐蝕和凍融環(huán)境對(duì)混凝土的破壞是相互的,即耦合環(huán)境下混凝土力學(xué)性能損傷要高于單一環(huán)境下混凝土力學(xué)性能損傷。

關(guān)鍵詞:腐蝕環(huán)境;凍融循環(huán);腐蝕凍融耦合循環(huán);碳纖維摻量;抗壓強(qiáng)度

1引言

混凝土作為建筑工程中使用最為廣泛的材料之一,提升其力學(xué)性能一直是研究熱點(diǎn)[1,2]。目前,主要通過(guò)在混凝土中摻入不同的纖維類(lèi)材料、活性材料和外加劑等來(lái)達(dá)到提升混凝土力學(xué)性能的目的。本文選擇摻入碳纖維材料來(lái)改善混凝土的力學(xué)性能,該類(lèi)纖維材料被廣泛用于提高混凝土的力學(xué)性能和耐久性能[3-5];構(gòu)建了腐蝕凍融耦合循環(huán)試驗(yàn),分析在耦合環(huán)境下的混凝土力學(xué)性能的變化規(guī)律,以期為工程實(shí)踐提供參考。

2材料與方法

2.1材料

采用P.O.42.5R級(jí)普通硅酸鹽水泥,其化學(xué)組成成分見(jiàn)表1。粗骨料為粒徑為5~10mm的碎石,飽和吸水率為0.48%;細(xì)骨料為粒徑為0~5mm的細(xì)砂,飽和吸水率為1.16%;試驗(yàn)用水為蒸餾水。碳纖維采用型號(hào)為T(mén)700、直徑約6.8μm、密度為1.8g/cm3、抗拉強(qiáng)度約4900MPa的碳纖維。配制混凝土?xí)r,碳纖維按照水泥摻量的體積百分比摻入,其中水泥、細(xì)骨料、粗骨料摻量分別為125、170、340kg/m3,水灰比為0.35,碳纖維摻量分別為0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1%。

2.2方法

根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50080-2016)[6]和混凝土配合比制備邊長(zhǎng)為100mm的立方體混凝土試件,將混凝土試件放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)溫度為20±2℃,相對(duì)濕度在95%以上。根據(jù)《普通混凝土拌合物性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50080-2016)測(cè)試所制備混凝土的力學(xué)性能,分析不同碳纖維摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響;制備0.4moL/L的NaCl溶液作為混凝土的腐蝕環(huán)境,分析混凝土在該溶液中浸泡5、10、15、20、30d后的力學(xué)性能變化;將成型的混凝土試塊放入凍融箱中分別凍融循環(huán)30、60、90、120、150次,分析混凝土的耐凍性能變化;為建立腐蝕凍融耦合試驗(yàn),將混凝土試塊在腐蝕環(huán)境中浸泡5d后放入凍融箱凍融循環(huán)30次,以此記為一個(gè)循環(huán)。試驗(yàn)中,抗壓強(qiáng)度由濟(jì)南全力測(cè)試技術(shù)有限公司生產(chǎn)的萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試得出,凍融箱由浙江路達(dá)機(jī)械儀器有限公司生產(chǎn)。

3結(jié)果與分析

3.1腐蝕環(huán)境下混凝土力學(xué)性能變化

將制備好的混凝土試塊放入腐蝕環(huán)境中,分析不同碳纖維摻量(0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)對(duì)混凝土耐腐蝕性能的影響,結(jié)果見(jiàn)圖1。由圖1可知:①在無(wú)腐蝕環(huán)境下,未摻入纖維的混凝土試塊的抗壓強(qiáng)度為51.5MPa,隨著纖維摻量的不斷增加,混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸增加,當(dāng)纖維摻量為0.8%時(shí),混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到最高為59.8MPa。這是因?yàn)槔w維的摻入能夠密實(shí)混凝土,降低混凝土的孔隙率,進(jìn)而提高混凝土的抗壓強(qiáng)度。但當(dāng)纖維摻量為1%時(shí),該混凝土的抗壓強(qiáng)度有下降趨勢(shì)。這是因?yàn)閾饺脒^(guò)多纖維時(shí),即水泥占比相應(yīng)減小,混凝土的抗壓強(qiáng)度亦逐漸減小[7]。可見(jiàn)在該類(lèi)混凝土中,碳纖維的最佳摻量為0.8%。②在腐蝕環(huán)境下,隨著腐蝕時(shí)間的增加,混凝土的抗壓強(qiáng)度亦逐漸下降,且下降速率逐漸增大。這是因?yàn)殡S著腐蝕時(shí)間的增加,混凝土受到的腐蝕作用亦越強(qiáng)。一方面,當(dāng)混凝土一側(cè)存在高濃度氯離子,而另一側(cè)氯離子濃度較低時(shí),混凝土內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生腐蝕電流,從而加速腐蝕產(chǎn)物向外擴(kuò)散;另一方面,氯離子會(huì)與混凝土水化過(guò)程產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)置換作用生成氯鹽,而氯鹽為高吸濕性鹽,能吸收空氣中的水分變成液體,從而使氯離子從擴(kuò)散作用變?yōu)闈B透作用,加速混凝土內(nèi)部破壞[8]。綜合來(lái)看,當(dāng)摻入0.8%的碳纖維混凝土?xí)r,較未腐蝕的混凝土,腐蝕30d后混凝土抗壓強(qiáng)度降幅為27.09%;當(dāng)未摻入纖維時(shí),腐蝕30d后混凝土抗壓強(qiáng)度降幅為40.78%。可見(jiàn)摻纖維能提高混凝土耐腐蝕性。

3.2凍融環(huán)境下混凝土力學(xué)性能變化

將制備好的混凝土試塊放至凍融環(huán)境中,分析不同碳纖維摻量(0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)對(duì)混凝土抗凍融性能的影響,結(jié)果見(jiàn)圖2。由圖2可知:①在相同碳纖維摻量下,隨著混凝土凍融循環(huán)次數(shù)越多,混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸下降,且下降速率逐漸增大。這是因?yàn)榛炷猎谟不髢?nèi)部存在毛細(xì)孔和自由水,在凍融循環(huán)作用下,內(nèi)部水分會(huì)結(jié)冰,從而發(fā)生體積膨脹,導(dǎo)致混凝土內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞,進(jìn)而降低混凝土的力學(xué)性能[9]。②當(dāng)摻入0.8%的碳纖維時(shí),較未凍融循環(huán)的混凝土,凍融循環(huán)150次后混凝土抗壓強(qiáng)度降幅為50.67%;當(dāng)未摻入纖維時(shí),凍融循環(huán)150次后混凝土抗壓強(qiáng)度降幅為60.97%。可見(jiàn)摻纖維能提高混凝土抗凍融性。

3.3腐蝕—凍融環(huán)境下混凝土力學(xué)性能變化

將制備好的混凝土試塊放至腐蝕—凍融環(huán)境中,分析不同碳纖維摻量(0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)對(duì)混凝土抗凍融性能的影響,結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖3可知:①在相同碳纖維摻量下,隨著混凝土在腐蝕—凍融環(huán)境中循環(huán)次數(shù)的增加,混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸下降,且下降速率逐漸增大。這是因?yàn)楦g作用和凍融環(huán)境是一個(gè)互相作用的過(guò)程,腐蝕過(guò)程加劇腐蝕產(chǎn)物向外擴(kuò)散,導(dǎo)致混凝土內(nèi)部空隙變大,進(jìn)一步導(dǎo)致內(nèi)部自由水分含量增大,在凍融作用下,水分結(jié)冰,從而加劇內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞。綜合來(lái)看,當(dāng)摻入0.8%的碳纖維混凝土?xí)r,與未凍融—腐蝕耦合循環(huán)混凝土相比,腐蝕—凍融耦合循環(huán)5次后混凝土抗壓強(qiáng)度降幅為57.19%;當(dāng)未摻入纖維時(shí),腐蝕—凍融耦合循環(huán)5次后混凝土抗壓強(qiáng)度降幅為67.57%。可見(jiàn)摻入纖維能夠提高混凝土的抗腐蝕—凍融性。圖4為摻入0.8%的碳纖維的混凝土分別在腐蝕環(huán)境30d、凍融循環(huán)120次及腐蝕—凍融循環(huán)5次下的微觀(guān)測(cè)試圖。由圖4可知,碳纖維混凝土在腐蝕—凍融環(huán)境下的破壞程度要高于單一腐蝕環(huán)境和凍融環(huán)境下的破壞程度;在單一環(huán)境中,纖維混凝土在凍融環(huán)境下的力學(xué)性能損失程度要高于腐蝕環(huán)境下的力學(xué)性能損失程度,這一點(diǎn)也可以從微觀(guān)測(cè)試圖予以驗(yàn)證,即在微觀(guān)狀態(tài)中混凝土的孔洞大小的區(qū)別。(a)腐蝕環(huán)境30d(b)凍融循環(huán)120次(c)腐蝕—凍融循環(huán)5次圖4纖維混凝土抗壓強(qiáng)度隨纖維摻量的變化Fig.4Variationofcompressivestrengthoffiberreinforcedconcretewithfibercontent4結(jié)論a.碳纖維混凝土中碳纖維的最佳摻量為0.8%。b.在混凝土中摻入纖維可提高混凝土的力學(xué)性能,在腐蝕30d后,摻入0.8%的碳纖維的混凝土試塊具有C40混凝土的抗壓強(qiáng)度性能,而未摻入碳纖維的混凝土試塊僅具備C30混凝土的抗壓強(qiáng)度性能。c.在混凝土中摻入纖維可提高混凝土的力學(xué)性能,在凍融150次后,摻入0.8%的碳纖維的混凝土試塊具有C25甚至C30混凝土的抗壓強(qiáng)度性能,而未摻入碳纖維的混凝土試塊僅具備C20混凝土的抗壓強(qiáng)度性能。d.在混凝土中摻入纖維可提高混凝土的力學(xué)性能,在腐蝕—凍融5次后,摻入0.8%的碳纖維的混凝土試塊具有C25混凝土的抗壓強(qiáng)度性能,而未摻入碳纖維的混凝土試塊僅具備C15混凝土的抗壓強(qiáng)度性能。

作者：李濤峰 張多新 單位：黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木與交通工程學(xué)院 華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院