碳纖維混凝土抗壓強度性能試驗研究

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摘要:為研究碳纖維對混凝土力學性能的影響,首先分析了不同碳纖維摻量(0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)對混凝土抗壓強度的改善規律;其次,分析在0.4moL/L的NaCl溶液腐蝕環境下腐蝕時間對碳纖維混凝土力學性能的影響及在凍融循環作用下碳纖維對混凝土力學性能的影響;最后,基于兩種試驗構建了腐蝕凍融耦合循環試驗,以此來分析碳纖維混凝土力學性能變化。試驗結果表明,當碳纖維摻量為0.8%時,混凝土的力學性能提高最多;單一凍融循環對混凝土力學性能影響程度高于單一腐蝕環境對混凝土力學性能的影響程度;腐蝕和凍融環境對混凝土的破壞是相互的,即耦合環境下混凝土力學性能損傷要高于單一環境下混凝土力學性能損傷。

關鍵詞:腐蝕環境;凍融循環;腐蝕凍融耦合循環;碳纖維摻量;抗壓強度

1引言

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

2材料與方法

2.1材料

采用P.O.42.5R級普通硅酸鹽水泥,其化學組成成分見表1。粗骨料為粒徑為5~10mm的碎石,飽和吸水率為0.48%;細骨料為粒徑為0~5mm的細砂,飽和吸水率為1.16%;試驗用水為蒸餾水。碳纖維采用型號為T700、直徑約6.8μm、密度為1.8g/cm3、抗拉強度約4900MPa的碳纖維。配制混凝土時,碳纖維按照水泥摻量的體積百分比摻入,其中水泥、細骨料、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《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T50080-2016)[6]和混凝土配合比制備邊長為100mm的立方體混凝土試件,將混凝土試件放在標準養護室內養護,養護溫度為20±2℃,相對濕度在95%以上。根據《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T50080-2016)測試所制備混凝土的力學性能,分析不同碳纖維摻量對混凝土力學性能的影響;制備0.4moL/L的NaCl溶液作為混凝土的腐蝕環境,分析混凝土在該溶液中浸泡5、10、15、20、30d后的力學性能變化;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,將混凝土試塊在腐蝕環境中浸泡5d后放入凍融箱凍融循環30次,以此記為一個循環。試驗中,抗壓強度由濟南全力測試技術有限公司生產的萬能試驗機測試得出,凍融箱由浙江路達機械儀器有限公司生產。

3結果與分析

3.1腐蝕環境下混凝土力學性能變化

將制備好的混凝土試塊放入腐蝕環境中,分析不同碳纖維摻量(0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)對混凝土耐腐蝕性能的影響,結果見圖1。由圖1可知:①在無腐蝕環境下,未摻入纖維的混凝土試塊的抗壓強度為51.5MPa,隨著纖維摻量的不斷增加,混凝土的抗壓強度逐漸增加,當纖維摻量為0.8%時,混凝土的抗壓強度達到最高為59.8MPa。這是因為纖維的摻入能夠密實混凝土,降低混凝土的孔隙率,進而提高混凝土的抗壓強度。但當纖維摻量為1%時,該混凝土的抗壓強度有下降趨勢。這是因為摻入過多纖維時,即水泥占比相應減小,混凝土的抗壓強度亦逐漸減小[7]。可見在該類混凝土中,碳纖維的最佳摻量為0.8%。②在腐蝕環境下,隨著腐蝕時間的增加,混凝土的抗壓強度亦逐漸下降,且下降速率逐漸增大。這是因為隨著腐蝕時間的增加,混凝土受到的腐蝕作用亦越強。一方面,當混凝土一側存在高濃度氯離子,而另一側氯離子濃度較低時,混凝土內部會產生腐蝕電流,從而加速腐蝕產物向外擴散;另一方面,氯離子會與混凝土水化過程產物發生化學置換作用生成氯鹽,而氯鹽為高吸濕性鹽,能吸收空氣中的水分變成液體,從而使氯離子從擴散作用變為滲透作用,加速混凝土內部破壞[8]。綜合來看,當摻入0.8%的碳纖維混凝土時,較未腐蝕的混凝土,腐蝕30d后混凝土抗壓強度降幅為27.09%;當未摻入纖維時,腐蝕30d后混凝土抗壓強度降幅為40.78%。可見摻纖維能提高混凝土耐腐蝕性。

3.2凍融環境下混凝土力學性能變化

將制備好的混凝土試塊放至凍融環境中,分析不同碳纖維摻量(0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)對混凝土抗凍融性能的影響,結果見圖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次數越多,混凝土的抗壓強度逐漸下降,且下降速率逐漸增大。這是因為混凝土在硬化后內部存在毛細孔和自由水,在凍融循環作用下,內部水分會結冰,從而發生體積膨脹,導致混凝土內部孔結構產生破壞,進而降低混凝土的力學性能[9]。②當摻入0.8%的碳纖維時,較未凍融循環的混凝土,凍融循環150次后混凝土抗壓強度降幅為50.67%;當未摻入纖維時,凍融循環150次后混凝土抗壓強度降幅為60.97%。可見摻纖維能提高混凝土抗凍融性。

3.3腐蝕—凍融環境下混凝土力學性能變化

將制備好的混凝土試塊放至腐蝕—凍融環境中,分析不同碳纖維摻量(0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)對混凝土抗凍融性能的影響,結果見圖3。由圖3可知:①在相同碳纖維摻量下,隨著混凝土在腐蝕—凍融環境中循環次數的增加,混凝土的抗壓強度逐漸下降,且下降速率逐漸增大。這是因為腐蝕作用和凍融環境是一個互相作用的過程,腐蝕過程加劇腐蝕產物向外擴散,導致混凝土內部空隙變大,進一步導致內部自由水分含量增大,在凍融作用下,水分結冰,從而加劇內部結構破壞。綜合來看,當摻入0.8%的碳纖維混凝土時,與未凍融—腐蝕耦合循環混凝土相比,腐蝕—凍融耦合循環5次后混凝土抗壓強度降幅為57.19%;當未摻入纖維時,腐蝕—凍融耦合循環5次后混凝土抗壓強度降幅為67.57%。可見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境30d、凍融循環120次及腐蝕—凍融循環5次下的微觀測試圖。由圖4可知,碳纖維混凝土在腐蝕—凍融環境下的破壞程度要高于單一腐蝕環境和凍融環境下的破壞程度;在單一環境中,纖維混凝土在凍融環境下的力學性能損失程度要高于腐蝕環境下的力學性能損失程度,這一點也可以從微觀測試圖予以驗證,即在微觀狀態中混凝土的孔洞大小的區別。(a)腐蝕環境30d(b)凍融循環120次(c)腐蝕—凍融循環5次圖4纖維混凝土抗壓強度隨纖維摻量的變化Fig.4Variationofcompressivestrengthoffiberreinforcedconcretewithfibercontent4結論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混凝土的抗壓強度性能。c.在混凝土中摻入纖維可提高混凝土的力學性能,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混凝土的抗壓強度性能。d.在混凝土中摻入纖維可提高混凝土的力學性能,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混凝土的抗壓強度性能。

作者：李濤峰 張多新 單位：黃河水利職業技術學院土木與交通工程學院 華北水利水電大學土木與交通學院