碳纤维轻骨料混凝土抗压性能试验研究.pdf

2 0 1 1年 第 3期 (总 第 2 5 7 期 ) Nu mb e r 3 i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 5 7 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 原材料及辅助物料 M ATERI AI ， AND ADM I NI CL E d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 3 0 2 1 碳纤维轻骨料混凝土抗压性能试验研究 徐 丽丽 。申向东 ( 内蒙古农业大学，内蒙古 呼和浩特 0 1 0 0 1 8 ) 摘要： 以内蒙古地区天然浮石为粗骨料， 通过比较不同掺量碳纤维的轻骨料混凝土立方体和棱柱体的抗压强度， 得出碳纤维增强轻骨 料混凝土抗压强度的基本规律。混凝土是脆性材料， 碳纤维的加入能提高混凝土的抗拉性能， 从而克服和减少混凝土内部微裂缝的产生。 试验结果表 明， 碳纤维轻骨料混凝土的抗压强度并不随着碳纤维加入量 的增加而增 大。 关键词： 轻骨料混凝 土；碳纤维 ；抗 压强度 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 4 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 6 7 0 2 St udy of c a r bon f i b er l i ght we i ght ag gr eg a t e c onc r e t e c om p r es s i ve s t r eng t h XU Li - l i ， S I -I N Xi a a g- d o n g ( I n n e r Mo n g o l i a Ag r i c u l t u r a l Un i v e r s i t y ， Ho h h o t 0 1 0 0 1 8 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： I nn e r M o n g o l i a n a t u r a l p u mi c e f o r t h e c o a r s e a g g r e g a t e， b y c o mp a r i n g t h e d i f f e r e n t c o n t e n t o f c a r bo n fib e r a n d l i g h t we i g h t a g g r e g a t e c o n c r e t e c u b e c o mp r e s s i v e s ue n g t h o f p ris m o b i n e d c a r b o n fi b e r r e i n f o r c e d l i g h t we i g h t a g gre g a t e c o n c r e t e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h of the b a s i c l a w Co n c r e t e i s a b r i t t l e ma t e ria l ， t h e a d d i t i o n o f c a r b o n fi b e r c a r l i mp r o v e t h e t e n s i l e p r o p e i e s o f c o n c r e t e t o o v e r c o me a n d r e d u c e the p r o d u c t i o n o f mi c r o c r a c k s i n s i d e t h e c o n c r e t e Th e r e s u l t s s h o w t h a t c a r b o n fib e r r e i n f o r c e d l i g h t we i g h t a g g r e g a t e c o n c r e t e wi th c o mp r e s s i v e s tre n gth o f c a r b o n fi b e r i s n o t t h e i n c r e a s e o fd os a g e K e y wo r d s ： l i g h t we i g h t a g gre g a t e c o n c r e t e ； c a r b o n fi b e r ； c o mp r e s s i v e s t r e n gth 0 引 言 轻骨料混凝土由于孔隙率大、 密度低， 抗冻保温生 好， 近些年 被广泛使用。 碳纤维具有较高的抗拉强度和弹性模量， 能显著提高 水泥基复合材料的抗拉强度、 抗弯强度和断裂韧性。 纤维混凝土是 在混凝土改眭过程中产生的一种新型增强水泥基复合材料。 轻骨 料碳纤维混凝土结合了轻骨料混凝土和碳纤维混凝土两者的优 点， 具有轻质、 高强、 抗裂I生好、 耐久陛好等特点。 碳纤维轻骨料混 凝土在高层建筑和大跨度结构中可大大减轻结构自重， 增加结构 方面的性能认识 尚且不足。 本文主要研究不同掺量碳纤维对轻骨 料混凝土强度的影响， 为碳纤维轻骨料混凝土的发展提供依据。 1 试验概 况 1 1 试验 设计 按照G B J 8 1 _ 8 5 普通混凝土力学 法 要求设计， 试 件为 1 0 0 mm x l O 0 mmx l O 0 mm的立方体试件， 标准养护 3 、 7 、 1 4 、 2 1 、 2 8 d测其立方体抗压强度。 棱柱体轴心抗压强度试验试件规 格为 1 5 0 mmx l 5 0 m mx 3 0 0 mm。 试验用水泥为冀东 P 04 2 5 级 跨度和楼层高度。 目前对轻骨料中掺人碳纤维的研究还比较少， 各 水泥， 其物理性能见表 1 。 表 1 P 0 4 2 5级水 泥性能指标 粗骨料为内蒙古锡林浩特市浮石轻骨料， 其物理性能见表2 。 表 2浮石的主要物理性能 密度 长度 极限拉伸率 弹性模量 抗拉强度 ( g c m ) mm MP a MP a 1 2 2 O2 0 4 0 0 0 3 0 0 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 0 1 9 基金项目：内蒙古 自 治区自然科学基金项目( N O 2 0 0 9 MS 0 7 0 5 ) 细骨料： 天然河砂， 细度模数 2 5 6 ， 含泥量 1 8 ， 堆积密度 1 4 6 5 k g m3 , 表观密度 2 6 4 5 k g m3 含水率 1 9 8 7 ， 颗粒级配 良好。 外加剂： RS D 8 型高效减水剂， 可减水 2 O 左右。 水 ： 自来水 。 1 2试验 配合 比 本试验采用 C 4 0的轻骨料混凝土作为基准组， 与碳纤维掺 量分别为水泥质量的 1 1 0 0 0 、 1 8 0 0 、 1 5 0 0 、 1 3 0 0 、 1 1 0 0的轻骨 料混凝土强度作比较。 配合比设计采取保持混凝土各材料用量 不变， 仅改变碳纤维的掺量， ? 昆 凝土配合比见表4 。 6 7 表 4 混凝土配合比 1 3试样制作 碳纤维轻骨料混凝土的施工工艺与轻骨料混凝土的施工 工艺不同。 碳纤维轻骨料混凝土是将轻骨料、 水泥、 砂子对碳纤 维进行干拌， 目的是利用粗细骨料间的摩擦使碳纤维均匀分散 于浆体中。 加碳纤维时采取人工分散法， 且尽量做到均匀分散。 机械搅拌 1 2 m i n后加水和减水剂， 再搅拌 4 5 mi n ， 然后将搅 拌好的轻骨料碳纤维混凝土装入 1 0 0 mm 1 0 0 mm 1 0 0 mm 和 1 5 0 m mx l 5 0 mm 3 0 0 l fl I l 的试模中 ， 最后在震动台上震动成型 ， 2 4 h 后脱模， 置于标准养护箱中养护。 2 试验 结果与分析 2 1 碳纤维轻骨料混凝土抗压强度 通过表 5得 出碳纤维 的掺 人提高 了轻骨料混 凝土 的抗压 强度 ， 2 8 d碳纤 维掺量为 1 1 0 0 0的碳纤维轻骨料 混凝土 的抗 压强度比基准轻骨料混凝 土的抗压强度提高了 1 9 1 ； 碳纤维掺 量为 1 8 0 0时 ， 轻骨料碳纤维混凝土的抗压强度 比基准轻骨料混 凝土的抗压强度提高了 1 2 ， 其他几组碳纤维掺量下的轻骨料 混凝土对提高混凝土的抗压强度贡献不大 。 表 5 不同碳纤维掺量轻骨料混凝土 的抗压强度 X A( 1 1 0 0 0)X B( 1 8 0 0 )XC ( 1 5 0 0 )XD( 1 3 0 0 )XE ( 1 1 0 0 ) 图 1 为实测碳纤维轻骨料混凝土随碳纤维掺量不同的立方 体抗压强度值。 从图中可以看出， 随着碳纤维掺入量的增加 ， 混凝 土的抗压强度均有所变化。 当碳纤维掺量为 1 1 0 0 0 时， 混凝土抗 压强度值增加的最为明显； 当碳纤维掺量大于 1 5 0 0 时， 混凝土的 强度出现明显的下降趋势； 当碳纤维掺量为 1 3 0 0时， 混凝土的抗 压强度值较小， 说明碳纤维的掺入量并不是越多越好， 其有一个最 适掺量范围； 碳纤维掺量为 1 1 0 0时， 混凝土的强度并不是最高， 其原因是当碳纤维的掺量大于最适掺量范围时，制备的轻骨料混 凝土容易造成纤维缠结 ， 不能将碳纤维均匀 的分散在轻骨料混 凝土浆体中， 所以导致纤维的拔出功和脱黏功减少， 使应力在混凝 土中分布不均匀， 最后导致混凝土的强度降低。 另外 ， 图 1 还 反映出不 同碳纤维掺量的轻骨料混凝 土强度 随龄期的变化关系， 随着龄期的增加， 混凝土的强度也在提高。 当试件达到龄期 7 d时 ， 碳纤维轻骨料混凝土强度 已经达到 2 8 d 极限抗压强度 的 6 8 以上。 前 1 4 d内混凝 土的强度增 加较 快 ， 2 8 d后增加缓慢。 在 2 8 d时， 碳纤维掺量为 1 8 0 0的碳纤维轻骨 料混凝土的强度增加最为明显。 掺量为 l 1 o 0的碳纤维轻骨料 混凝土随着龄期的增加， 其强度增加的幅度并不大。 碳纤维掺量 为 1 1 0 0 0时 ， 养 护时间的增长并没有减 弱其强度 的增长 ， 说明 68 1 1 0 0 0 掺量时碳纤维轻骨料混凝土比较密实， 碳纤维掺量合理， 为试验所得最佳掺量 。 通过试验数据 回归分 析( 如图 2 ) ， 得到碳 纤维掺量为 1 1 0 0 0的轻骨料碳纤维混凝土强度与龄期的变化 关系式为 ： y = 0 6 2 8 7 x + 3 4 6 8 5 ( RZ =- 0 9 6 5 5) 日 5。 蠢 。 鼎 3 0 2 0 1 1 0 0 0 1 8 0 0 1 5 0 0 1 3 0 0 1 1 O 0 图 1 混凝土强度与各掺量碳 纤维的关系 养护龄期 ， d 图 2 碳纤维掺量 为 1 1 0 0 0的强度发展规律 2 2 碳纤维轻骨料混凝土的破坏形态 当碳纤 维掺 量为 1 l o 0时 ， 混凝土破坏形态如图 3 ， 可 以看 见明显的纤维， 纤维在混凝土中呈束状分布。试件破坏后纤维 束被拔出， 角部出现大块剥落， 破坏面上有严重的掉渣现象 ， 致 使混凝土破坏面的规整程度不高， 且对提高混凝土的强度不利。 碳纤维掺量为 1 1 0 0时 ， 其掺人量过多 ， 碳纤维表面积增加 ， 致 使纤维缺乏足够的浆体包裹与充填 ， 使碳纤维轻骨料混凝土的 密实度下降； 同时， 碳纤维掺量增加使碳纤维分散不均匀， 纤维表 面的气泡增多， 使水泥基质中孔隙率增加， 引起抗压强度降低。 图 3 碳纤维掺量为 1 门O 0混凝土破坏后界面 碳纤维掺量为 1 1 0 0 0时， 轻骨料混凝土破坏面( 如图 4 ) 比 较规整， 但有轻微的掉渣现象。 试件总体呈剪切破坏的趋势 ， 剪 切角在 6 5 - 7 5 。 之间 ， 从剪切破坏面上发现轻骨料 被破坏掉 。 原 因是轻骨料难以承担很大的压力， 大部分压力由浆体来承担。 试验过程中发现， 碳纤维掺量在 1 5 0 0 1 8 0 0时的轻骨料混 凝土随着荷载的增加 ， 试件并没有出现明显的裂缝 ， 当荷载超 过了试件的峰值应力后 ， 首先出现两条可见裂缝， 裂缝平行于 下转第 9 8页 4结 论 ( i ) 根据标准要求， 选择合适的原材料， 经过多次试配， 最 终设计封锚砂浆配合比为水泥： 矿物掺合料： 聚合物： 细集料： 水： 减水剂 = 7 3 6 ：6 4 ： 8 0 ： 1 2 0 0 ： 1 2 0 ： 7 2 。 根据此配合比配制的封锚砂浆 在各项性能上都能符合工程要求。 ( 2 ) 封锚砂浆在搅拌 、 成型过程中， 应采用正确的施工工 艺， 并应及时进行养护。 参考文献 ： 1 】 王海良， 秦宝和， 任泉昌 C R T S I I 型板式无砟轨道轨道板预应力施工 上接第 6 8页 图 4 碳纤维掺量为 1 门 0 0 0混凝土破坏后界面 受力方向 ， 然后在很短 的时 问内 ， 试件表 面迅 速形成贯通 的裂 缝， 且向中间扩展， 试件表面的贯通裂缝多， 微裂缝少。 当碳纤维 的掺量为 1 1 0 0 0的混凝土试件破坏后， 破坏面没有立刻剥落， 而是 自由面发生微小膨胀， 膨胀主要体现在自由面的中间部位。 说明碳纤维的掺入增加了轻骨料混凝土的横向束缚， 致使试块 表面不会发生大面积剥落。 同时碳纤维的加入阻止了混凝土内 部微裂缝的扩展 ， 也阻滞 了宏观裂缝 的发展。 2 - 3 碳纤维轻骨料混凝土轴心与立方体抗压强度关系 碳纤维轻骨料混凝土立方体抗压强度高于棱柱体抗压强 度 ( 表 6 ) ， 因为混凝土的破坏 与内部微裂缝 的发展密切相关 ， 同 时， 棱柱体 主要是横 向膨胀破坏 ， 有很大的横向裂缝 ， 且集 中在 棱柱体的中上部， 只要对混凝土的横向变形给以约束， 就会在 一 定程度上提高混凝土的抗压强度。 棱柱体的高宽比大于立方 体的高宽比。 所以高宽比也是影响混凝土抗压强度的一个因素。 由于棱柱体 的受压状态与实 际工 程中构件的受压状态 比较 接 近， 因此棱柱体抗压强度的研究对实际工程很有意义， 本研究 中棱柱体抗压强度取轻骨料碳纤维混凝土棱柱体试件的峰值 应力， 图5给出了碳纤维轻骨料混凝土棱柱体与立方体抗压强 度的关系。 图 5 表明， 随着轻骨料碳纤维混凝土立方体抗压强度 的提高， 棱柱体的抗压强度也随着提高。 由此得出， 不同碳纤维 掺量对立方体和棱柱体抗压强度的影响相同， 碳纤维掺量为 1 1 0 0 0时， 棱柱体的轴心抗压强度最高。 3结 论 ( 1 ) 轻骨料混凝土中碳纤维的掺人可对拌合物起到“ 承托” 作用 ， 同时降低轻集料的沉降和混凝土表面的析水， 减小轻骨 料混凝土拌合物的分层离析程度， 说明碳纤维的加入提高了混 凝土的黏聚性， 从而提高混凝土的工作性能。 ( 2 ) 碳纤维掺量的不同对轻骨料碳纤维混凝土的抗压强度 有影响， 碳纤维掺量为水泥质量的千分之一时， 轻骨料碳纤维 98 关键技术【 J 铁道建筑 ， 2 O L O ( 3 ) ： 8 0 8 1 2 】 甘军 C R T S I I 型轨道板预制技术 J 】 _ 山西建筑， 2 0 1 0 ( 1 3 ) ： 2 6 5 2 6 7 3 郭传臣， 杨敏 预应力轨道板用封锚砂浆的配s u J 铁道标准设计， 2 0 0 9 ( 9 ) ： 3 0 3 2 f 4 1 科技基 2 0 0 8 7 4 号 ， 客运专线铁路 C R T S I 型板式无砟轨道混凝土轨 道板暂行技术条件【 s 】 5 刘顺 页 发 聚合物对水泥砂浆及混凝土改性机理分析 J 西北水资源与 水 工程 ， 1 9 9 6 ( 4 ) 作者简介： 万惠文( 1 9 6 3 一 ) ， 男， 博士， 教授， 主要从事混凝土材料的研 究工作。 联系地址 联 系电话 工程教育部重点实验室( 4 3 0 0 7 0 ) 碳 纤维 掺量 图 5 碳纤维轻骨料混凝土 和 的关系 混凝土的强度比其他掺量下混凝土的强度高， 掺量为千分之一 时可以明显改善混凝土 的强度。 ( 3 ) 当超过碳纤维的合理掺量时， 会影响混凝土的强度。 并 不是掺量越大， 混凝土的强度越高， 相反会降低混凝土的强度 ， 因为碳纤维在混凝土中以三维乱向分布为主， 同时它是一种非 极性憎水材料。 ( 4 ) 轻骨料碳纤维混凝土的强度还受养护龄期的影响， 碳 纤维掺量合理的条件下， 养护龄期越长， 混凝土强度越高， 符合 一 般混凝土的龄期对抗压强度影响的规律。 参考文献 ： 【 1 王海龙 ， 申向东 轻骨料混凝土早期力学性能的试验研究【 J _硅酸盐 通报， 2 0 0 8 ， 5 ( 2 7 ) ： 1 0 1 8 1 0 2 2 【 2 】王海龙， 申向东， 等 冻融环境下钢纤维对轻骨料混凝土力学性能的 影响 J 混凝土， 2 0 0 8 ( 8 ) ： 6 5 6 8 【 3 王海龙， 申向东 开放系统下纤维轻骨料混凝土冻胀性能研究【 J 】 建 筑材料学报， 2 0 1 0 ， 2 ( 1 3 ) ： 2 3 2 2 3 6 4 王海龙， 申向东， 谭玉梅 聚丙烯纤维轻骨料混凝土冻融循环试验研 究fJ 1 _施工技术， 2 0 0 9 ， 3 8 ( 1 2 ) ： 6 1 6 3 5 霍俊芳， 申向东， 曹喜正交设计聚丙烯纤维混凝土抗冻性试验研究阴 混凝土 ， 2 0 0 6 ， 8 ， 1 5 1 6 6 】王智， 史才军， 等 表面处理轻集料混凝土的性能 J _硅酸盐学报， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 1 ) ： 5 4 6 O 7 】 石建军， 杨雨山， 周立科轻骨料碳纤维混凝土的力学性能【 J 混凝 土 ， 2 0 0 9 ( 4 ) ： 1 0 0 2 3 5 5 0 【 8 】F E R N A ND E Z - J I ME N E Z A， P A L OM O AC o mp o s i t i o n a n d m i c r o s t r u c t u r e o f a l k a l i a c t i v a t e d f l y a s h b i n d e r ； e ff e c t o f t h e a c t i v a t o r J 】 G e m C o n c r R e s 2 0 0 5 ( 3 5 ) ： 1 9 8 4 1 9 9 2 作者简介 ： 联 系地址 ： 联系电话 ： 徐丽丽( 1 9 8 5 一 ) ， 女 ， 硕士研究生， 主要从事混凝土耐久性 研究。 内蒙古农业大学水利与土木建筑工程学院( 0 1 0 0 1 8 ) 1 5 8 4 91 9 4 8 0 3