碳纤维对桥梁工程混凝土抗冻性能的影响.pdf

PDF下载56合成纤维SyntheticFiberinChina2023年第5 2 卷第7 期碳纤维对桥梁工程混凝土抗冻性能的影响杨慧宁（广西工业职业技术学院建筑工程学院，广西南宁530001)摘要：为了提高桥梁工程混凝土的抗冻性能，采用快速冻融试验法，以混凝土试件的质量损失率、相对动弹性模量和抗压强度为评价指标，考察了不同碳纤维体积分数对混凝土抗水冻融和抗盐冻融能力的影响。试验结果表明，空白混凝土试件在水冻融和盐冻融循环3 0 0 次后，冻融损害较为严重；而掺入碳纤维的混凝土试件的抗水冻融和抗盐冻融能力均明显提高，当碳纤维体积分数为3%时，桥梁工程混凝土的抗冻能力达到最佳。关键词：碳纤维；桥梁工程混凝土；抗冻性能水冻融：盐冻融中图分类号：TQ342.742:TU377.9文献标志码：A文章编号：1 0 0 1-7 0 5 4(2 0 2 3)0 7-5 6-0 4寒区桥梁工程施工过程中不仅需要混凝土结构具备良好的安全性、实用性和耐久性，还需要其具有较强的抗冻能力，以确保混凝土在高温差环境下具备良好的耐久性能，延长混凝土结构的使用寿命。混凝土结构的冻融损害通常需要历经长时间的膨胀和收缩，使其内部结构产生裂缝，多次循环以后裂缝不断扩展，最终导致混凝土结构的损坏1-41。因此，研究如何提高寒区桥梁工程混凝土的抗冻性能具有十分重要的现实意义。碳纤维具有韧性较好、抗裂性能优良以及耐久性能较好的特点，在混凝土中掺入少量碳纤维制备碳纤维混凝土，可以使混凝土结构的强度、韧性、抗渗性能、抗冻性能以及耐久性能得到明显的提升 5-9。近年来，关于碳纤维混凝土的研究及应用报道逐渐增多，其中关于碳纤维对混凝土抗冻性能影响方面的研究也较多。曹梓煜等研究了碳纤维对普通混凝土抗冻性能的影响，结果认为，掺入体积分数为1%的碳纤维后，混凝土在3 0 0 次冻融循环后仍能保持外观的完整性，碳纤维的掺入可以有效改善普通混凝土的抗冻性能。聂红宾等 研究了碳纤维掺量对寒区混凝土抗冻性能的影响，结果认为，碳纤维体积分数为0.2 4%时，混凝土在冻融循环7 0 次时质量损失率最小，相对动弹性模量最收稿日期：2 0 2 2-0 9-1 7修回日期：2 0 2 3-0 5-1 7作者简介：杨慧宁(1 98 1 一），女，汉族，广西南宁人，硕士，副教授，主要从事工程试验、工程施工等方面的研究工作。大，抗冻性能达到最佳。孟博旭等1 1 2 研究了不同掺量的纳米碳纤维对混凝土抗冻性能的影响，结果认为纳米碳纤维能够有效改善混凝土的微观形貌，进而提高其抗冻性能，当纳米碳纤维体积分数为3%时，可使混凝土的抗冻能力达到最强。综合分析来看，目前关于碳纤维增强混凝土抗冻性能方面的研究大多是在自来水中进行冻融循环试验的，而针对盐水冻融循环试验的研究则相对较少。因此，本文以寒区某桥梁工程用混凝土和碳纤维为研究对象，考察了不同碳纤维添加量对混凝土水冻融以及盐冻融循环试验结果的影响，为提高寒区桥梁工程混凝土的抗冻性能提供一定的借鉴。1试验1.1原材料强度等级为42.5 的普通硅酸盐水泥，华润水泥有限公司。天然河砂作为细骨料(细度模数为2.7)、花岗岩碎石作为粗骨料(粒径范围为5 2 5 mm)，灵寿县永顺矿产品加工厂。聚羧酸系列高性能减水剂JSJH-S，减水率为3 0%，甘肃吉发化工有限公司。短切碳纤维，具体性能指标见表1，维佳复合材料有限公司。表1 碳纤维性能指标长度/直径/um抗拉强度/MPa弹性模量/GPa含水率/%mm5063.8002320.0232023,52(7)57杨慧宁.碳纤维对桥梁工程混凝土抗冻性能的影响1.2混凝土配合比为了考察碳纤维体积分数对桥梁工程混凝土抗冻性能的影响，按照水胶比为0.3 3、砂率为41%的设计原则，对试验用混凝土的配合比进行了设计，具体配合比见表2。表2 混凝土配合比设计试件材料用量/(kgm)碳纤维体编号水泥水细骨料 粗骨料减水剂积分数/%SO45015070010102.50S145015070010102.50.1S245015070010102.50.2S345015070010102.50.3S445015070010102.50.4S545015070010102.50.51.3性能测试参照GB/T50082一2 0 0 9普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准中的相关规定，采用快冻法，以混凝土试件的质量损失率、相对动弹性模量和抗压强度为评价指标，考察了碳纤维体积分数对桥梁工程混凝土抗冻性能的影响。混凝土试件的尺寸均为1 0 0 mm100mm400mm，水冻融循环试验用水为自来水，盐冻融循环试验用水为质量分数3%的NaCl溶液，冻融循环次数为3 0 0 次2结果与讨论2.1水冻融循环试验按照1.2 中的配合比制备混凝土试件，养护完成后，按照1.3 中的测试方法，将混凝土试件浸泡在自来水中进行水冻融循环试验，并测定冻融循环不同次数后混凝土试件的质量损失率、相对动弹性模量和抗压强度2.1.1质量损失率图1 为水冻融试验条件下不同体积分数碳纤维的混凝土试件质量损失率试验结果。由图1 可以看出，在水冻融循环试验初期，各组混凝土试件的质量变化均较小，质量损失率相差不大。当水冻融循环次数超过1 0 0 次以后，随着冻融循环次数的不断增大，各组混凝土试件的质量损失率均呈现出明显增大的趋势。当水冻融循环次数达到3 0 0 次时，S0的质量损失率可以达到6.97%，冻融损伤比较严重，而S3的质量损失率仅为2.0 6%，抗冻性能得到了较大的提高。尽管继续增大碳纤维体积分数至0.5%，S 5 的质量损失率会有所升高，但其质量损失率仍小于空白混凝土试件。这说明碳纤维的掺入有效提高了混凝土的抗水冻融性能7-SO6-S15S24-S33*-S4￥S 5210-1050100150200250300水冻融循环次数/次图1 混凝土在水冻融循环下的质量损失率2.1.2相对动弹性模量图2 为水冻融试验条件下不同体积分数碳纤维的混凝土试件相对动弹性模量试验结果。由图2 可以看出，随着水冻融循环试验次数的不断增大，各组混凝土试件的相对动弹性模量均呈现出逐渐降低的趋势。当水冻融循环次数达到3 0 0 次时，S0的相对动弹性模量仅为5 2.8%，而S3的相对动弹性模量则可以提高至8 2.7%，比空白混凝土试件提升了56.6%，抗冻性能得到明显的提高。再继续增大碳纤维体积分数，混凝土试件的相对动弹性模量虽然会有所降低，但仍高于SO。这进一步说明碳纤维的掺入可以有效提高混凝土的抗水冻融性能。100年90-SO80一S170-S2-S360-*-S450￥S 540050100150200250300水冻融循环次数/次图2 混凝土在水冻融循环下的相对动弹性模量2.1.3抗压强度图3 为水冻融试验条件下不同体积分数碳纤维的混凝土试件抗压强度试验结果。由图3 可以看出，随着水冻融循环试验次数的不断增大，各组混凝土试件的抗压强度均呈现出逐渐降低的趋势。当水冻融循环次数小于1 0 0 次时，混凝土试件的抗压强度降低的幅度不大，当循环次数超过1 0 0 次以后，混凝土试件的抗压强度值降低幅度明显增大。当水冻融循环次数达到3 0 0 次时，S0的抗压强度仅58合成纤维SyntheticFiberinChina2023年第5 2 卷第7 期为2 4.3 MPa，而S3的抗压强度则可以提高至44.9MPa，比SO提升了2 0.6 MPa，抗冻性能得到明显的提高。同样的，尽管继续增大碳纤维体积分数会导致混凝土试件的抗压强度有所降低，但仍高于So的。605550454035-SOS1S230S3一米一S4?S52520050100150200250300水冻融循环次数/次图3 混凝土在水冻融循环下的抗压强度综合上述质量损失率、相对动弹性模量和抗压强度的试验结果，在水冻融循环试验条件下，碳纤维的掺入能够有效地提高桥梁工程混凝土试件的抗水冻融性能，其最佳体积分数为0.3%。2.2盐冻融循环试验按照1.2 中的配合比制备混凝土试件，养护完成后，按照1.3 中的测试方法，将混凝土试件浸泡在质量分数为3%的NaCl溶液中进行盐冻融循环试验，并测试冻融循环不同次数后混凝土试件的质量损失率、相对动弹性模量和抗压强度。2.2.1质量损失率图4为盐冻融试验条件下不同体积分数碳纤维的混凝土试件质量损失率试验结果。由图4可以看出，盐冻融循环试验条件下混凝土试件的质量损失率与水冻融循环试验结果趋势相似，但不同混凝土试件的质量损失率均明显高于水冻融循环试验的结果。当盐冻融循环次数达到3 0 0 次时，S0的质量损失率可以达到8.8 7%，而S3的质量损失率则可以降低至3.0 4%，继续增大碳纤维体积分数，混凝土试9-SO7-S1-S25-S3*-S43*S51050100150200250300盐冻融循环次数/次图4混凝土在盐冻融循环下的质量损失率件的质量损失率同样会出现升高的现象，但仍低于空白混凝土试件的。这说明碳纤维的掺入有效提高了混凝土试件的抗盐冻融性能2.2.2相对动弹性模量图5 为盐冻融试验条件下不同碳纤维掺量的混凝土试件相对动弹性模量试验结果。由图5 可以看出，盐冻融循环试验条件下混凝土试件的相对动弹性模量与水冻融循环试验结果趋势相似，但不同混凝土试件的相对动弹性模量均明显低于水冻融循环试验的结果。当盐冻融循环次数达到3 0 0 次时，S0的相对动弹性模量仅为41.7%，而S3的相对动弹性模量则可以升高至7 8.9%，继续增大碳纤维体积分数，混凝土试件的相对动弹性模量同样会出现降低的现象，但仍高于SO的。这进一步说明碳纤维的掺入能够有效提高混凝土试件的抗盐冻融性能100年SO80-S1-S260-S3-*S440￥S 520050100150200250300盐冻融循环次数/次图5 混凝土在盐冻融循环下的相对动弹性模量2.2.3抗压强度图6 为盐冻融试验条件下不同体积分数碳纤维的混凝土试件抗压强度试验结果。由图6 可以看出，盐冻融循环试验条件下混凝土试件的抗压强度与水冻融循环试验结果趋势相似，但不同混凝土试件的抗压强度均明显低于水冻融循环试验的结果。当盐冻融循环次数达到3 0 0 次时，S0的抗压强度仅为2 0.7 MPa，而S3的抗压强度则可以升高至40.8MPa，比S0提升了2 0.1 MPa，抗冻性能得到显60r504030SO-S1-S220S3*-S4*S510050100150200250300盐冻融循环次数/次图6 混凝土在盐冻融循环下的抗压强度2023,52(7)59杨慧宁.碳纤维对桥梁工程混凝土抗冻性能的影响著提高。虽然继续增大碳纤维体积分数会导致混凝土试件的抗压强度有所降低，但仍高于SO的。综合上述质量损失率、相对动弹性模量和抗压强度试验结果，在盐冻融循环试验条件下，碳纤维的掺入同样能够有效地提高桥梁工程混凝土试件的抗盐冻融性能，其最佳体积分数为0.3%。3结语(1)随着水冻融循环试验次数的不断增大，混凝土试件的质量损失率基本呈现出逐渐增大的趋势，而相对动弹性模量和抗压强度则呈现出逐渐降低的趋势。当碳纤维体积分数为0.3%，水冻融循环次数达到3 0 0 次时，混凝土试件的质量损失率可以降低至2.0 6%，相对动弹性模量和抗压强度分别可以提高至8 2.7%和44.9MPa，混凝土试件的抗水冻融能力达到最佳。(2)盐冻融循环试验结果与水冻融循环试验结果趋势相似，但不同混凝土试件的盐冻融损害程度均明显高于水冻融损害。同样的，掺入体积分数0.3%的碳纤维，可使混凝土试件的抗盐冻融能力达到最佳。(3)在寒区桥梁工程施工过程中，建议选择合适的碳纤维体积分数，综合评价其对混凝土结构的抗冻性能的影响，最大限度地提高混凝土在寒区桥梁工程施工中的抗冻能力，延长混凝土结构的使用寿命。参考文献1张云峰，李文锦，滕振超.FRP-混凝土冻融作用下的耐久性综述J.当代化工,2 0 2 0,49(1 2):2 8 0 8-2 8 1 3.2许春荣，郭慧乾,刘光严，等.桥梁混凝土的盐冻损伤与耐久性提升技术 J.公路,2 0 2 0,6 5(4):1 92-1 96.3张磊，刘海龙，林海，等.一种固定远场法向位移的水泥环弹塑性应力解 J.非常规油气,2 0 2 2,9(4):1 0 7-1 1 3.4陈杰彬，杨浩，魏学斌，等.偏高岭土一矿渣地聚合物固井水泥浆体系研究 .非常规油气，2 0 2 2,9(2):1 0 6-1 1 1.5袁楠，王亚珍，段景宽，等.高性能纤维增强混凝土复合材料综述J.合成纤维,2 0 2 0,49(1 1):5 2-5 6.6李趁趁，胡婧，元成方，等.纤维/高强混凝土抗冻性能试验 .复合材料学报,2 0 1 9,3 6(8):1 97 7-1 98 3.7党军亮，牛建刚，唐好令，等.碳纤维掺量及长度对混凝土力学性能的影响 J.合成纤维工业，2 0 2 1,44(4)：5 5-5 8.8弋楠，显静.纳米级碳纤维混凝土材料性能分析 .粘接，2 0 2 0,44(12):65-69.9杨瑞娟，林纯鹏.PAN基碳纤维掺量对再生混凝土抗压和抗渗性能的影响 J.合成纤维,2 0 2 1,5 0(1 2):5 2-5 4.10曹梓煜，朱国华，周文.碳纤维混凝土抗冻性能试验研究 J.后勤工程学院学报,2 0 1 5,3 1(4):3 6-40.11聂红宾，谷拴成，高攀科，等.寒区碳纤维增强混凝土抗冻性能试验研究 J.混凝土与水泥制品，2 0 2 0(5)：46-5 0.12孟博旭,许金余，彭光.纳米碳纤维增强混凝土抗冻性能试验 J复合材料学报，2 0 1 9,3 6(1 0)：2 45 8-2 46 8.Effect of Carbon Fiber on Frost Resistance of Bridge ConcreteYANG Hui-ning(Architectural Engineering Institute,Guangxi Vocational&Technical Institute of Industry,Nanning530001,Guangxi,China)Abstract:In order to improve the frost resistance of bridge engineering concrete,using the rapid freeze-thaw test method,taking the mass loss rate,relative dynamic elastic modulus and compressive strength ofconcrete specimens as evaluation indexes,the effects of different carbon fiber additions on the water andsalt freeze-thaw resistance of concrete were investigated.The test results show that after 300 cycles of waterfreeze-thaw and salt freeze-thaw,the freeze-thaw damage of blank concrete specimens is more serious.However,the freeze-thaw resistance and salt freeze-thaw resistance of concrete specimens doped with car-bon fibers are significantly improved.When the volume fraction of carbon fibers is 3%,the freeze-thawingresistance of bridge engineering concrete reaches the best.Key words:carbon fiber,concrete for bridge works,frost resistance,water freezing and thawing,salt freez-ing and thawing