鋼纖維和碳纖維混凝土力學(xué)性能的研究

摘要：研究了碳纖維和鋼纖維混凝土的力學(xué)性能。結(jié)果表明，碳纖維混凝土的劈拉強(qiáng)度、斷裂能和斷裂韌性顯著低于鋼纖維混凝土;不同直徑鋼纖維混凝土的荷載～撓度曲線顯示，微細(xì)鋼纖維峰值前的作用大于較大直徑鋼纖維，而峰值后的作用則小于較大直徑鋼纖維。不同幾何尺寸的鋼纖維在混凝土中具有不同的作用效果，即鋼纖維的增強(qiáng)作用具有顯著的尺寸效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：碳纖維 劈拉強(qiáng)度 斷裂能 斷裂韌性 鋼纖維 尺寸效應(yīng)

混凝土是當(dāng)代應(yīng)用最廣泛的建筑材料，它具有易成型、能耗低、耐久性好、價(jià)格便宜以及與鋼材復(fù)合可制成各種承重結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。但混凝土的自重大、脆性大、抗拉強(qiáng)度低等弱點(diǎn)限制了它的應(yīng)用。纖維增強(qiáng)混凝土是混凝土改性的一個重要手段，它可使混凝土的抗拉強(qiáng)度、變形能力、耐動荷能力大大提高。目前，較為常用的纖維為鋼纖維。鋼纖維混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、初裂強(qiáng)度、抗彎韌性和疲勞性能較普通混凝土有明顯的提高^[1～5]。碳纖維是一種新興的高強(qiáng)纖維材料。由于碳纖維價(jià)格的不斷降低，碳纖維水泥基材料日益得到廣泛運(yùn)用。碳纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度和彈性模量，能顯著提高水泥基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性^[6，7]。但碳纖維的直徑僅為幾個微米，其幾何尺寸有別于通常使用的鋼纖維。因此，本文對碳纖維和不同直徑的鋼纖維在混凝土中的作用進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)過程

1.1試驗(yàn)原材料

水泥:上海海豹水泥有限公司生產(chǎn)的強(qiáng)度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，其各項(xiàng)性能指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn);細(xì)集料：中砂，細(xì)度模數(shù)為2.8；粗集料:5～16mm連續(xù)級配碎石，壓碎指標(biāo)為7.9%；外加劑:花王高效減水劑；碳纖維:長度為6mm的PAN基高強(qiáng)碳纖維，其性能指標(biāo)見表1；較大直徑鋼纖維:上海青浦鋼纖維廠生產(chǎn)的等效直徑為0.4mm、長度為30mm的長直形鋼纖維；微細(xì)鋼纖維：武漢漢森鋼纖維有限責(zé)任公司生產(chǎn)的直徑為0.17mm、長為15mm的鋼纖維。

1.2 配合比

為了研究碳纖維和鋼纖維在混凝土中的作用機(jī)理，所選取的基準(zhǔn)混凝土的28d抗壓強(qiáng)度約為60MPa。同時(shí)，采用2種不同直徑的鋼纖維，一種為常用的較大直徑鋼纖維，另外一種為直徑=0.17mm的微細(xì)鋼纖維，纖維的體積分?jǐn)?shù)均為0.5%。所有試件的原材料保持相同，配合比見表2。

1.3試件的測試

1.3.1抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度

分別用3塊尺寸均為100mm×100mm×100mm的試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度(σc)和劈拉強(qiáng)度(σst)試驗(yàn)，齡期為28d，儀器為普通萬能試驗(yàn)機(jī)，參照標(biāo)準(zhǔn)為GBJ81—85。劈拉強(qiáng)度按下列公式進(jìn)行計(jì)算

式中:F為破壞荷載(N)，A為試件的劈裂面積(mm²)。

1.3.2斷裂能和斷裂韌性

斷裂能和斷裂韌性測試試件尺寸均為100mm×100mm×515mm，測試前用切割機(jī)切口，切口深度為5cm。28d齡期后，采用閉環(huán)反饋控制Instron8501進(jìn)行測試，測試加載速率為0.025mm/min。根據(jù)國際材料與結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合會(RILEM)混凝土斷裂力學(xué)委員會的建議，采用三點(diǎn)彎曲梁測定混凝土的斷裂能并按下式計(jì)算之

其中，A₀為荷載～撓度曲線所包絡(luò)的面積(Nm)；m_g為混凝土梁支撐段的自重；δ_max為梁最終破壞時(shí)的變形；A_lig為試件的韌帶面積。

混凝土應(yīng)力因子的臨界值K_IC表征了材料阻止裂縫擴(kuò)張的能力，稱為斷裂韌性。斷裂韌性按下式進(jìn)行計(jì)算

式中：Y為形狀因子，Y(l/h)=1.93-3.07(l/h)+14.53(l/h)²-25.11(l/h)³+25.8(l/h)⁴，l為切口深度，h為梁的高度，b為梁的寬度，M_max為由最大荷載和梁自重產(chǎn)生的彎矩之和。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1抗壓與劈拉強(qiáng)度

表3列出了基準(zhǔn)混凝土和纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。從表3可以看出，纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度較基準(zhǔn)混凝土均有一定程度的降低，但劈拉強(qiáng)度則均有較大程度的提高。不同尺寸纖維對混凝土劈拉強(qiáng)度的提高效果是不同的，較大直徑鋼纖維的作用顯著高于碳纖維，而微細(xì)鋼纖維的作用又高于較大直徑鋼纖維。

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拉壓比是反映混凝土脆性的一個指標(biāo)。由表3可見，碳纖維混凝土的拉壓比與基準(zhǔn)混凝土的相差不大，而鋼纖維的拉壓比較基準(zhǔn)混凝土的顯著提高，尤其是微細(xì)鋼纖維。這說明碳纖維對混凝土的脆性改善作用較小，而鋼纖維對混凝土的脆性改善作用較大，且微細(xì)鋼纖維的改善效果又比較大直徑鋼纖維的好。

碳纖維為超細(xì)纖維，當(dāng)將其摻入到混凝土中時(shí)，它能橋接裂縫。但碳纖維對混凝土裂縫擴(kuò)展的約束能力是有限的，表現(xiàn)在碳纖維對混凝土強(qiáng)度和韌性的改善作用明顯低于鋼纖維。微細(xì)鋼纖維單位體積的纖維數(shù)顯著高于較大直徑鋼纖維，其對混凝土裂縫擴(kuò)展的約束作用就強(qiáng)于較大直徑鋼纖維。因此，在鋼纖維混凝土中，鋼纖維的增強(qiáng)作用具有顯著的幾何尺寸效應(yīng)。

2.2斷裂能和斷裂韌性

表3亦列出了基準(zhǔn)混凝土、纖維混凝土的斷裂能和斷裂韌性的測試結(jié)果。從表3可以看出，纖維混凝土的斷裂能均比基準(zhǔn)混凝土的斷裂能有所增加，但碳纖維混凝土的斷裂能顯著低于鋼纖維混凝土的斷裂能，而微細(xì)鋼纖維混凝土的斷裂能又低于較大直徑鋼纖維混凝土的斷裂能。由表3還可以看出，纖維混凝土的斷裂韌性比基準(zhǔn)混凝土的斷裂韌性也有所增加，且鋼纖維混凝土的斷裂韌性顯著高于碳纖維混凝土的斷裂韌性。對鋼纖維而言，微細(xì)鋼纖維混凝土的斷裂韌性高于較大直徑鋼纖維混凝土的斷裂韌性。

斷裂能是材料形成單位面積裂縫所需消耗的能量。當(dāng)混凝土中微小裂縫受荷載作用時(shí)，會發(fā)生裂縫擴(kuò)展。而纖維能跨接裂縫兩端，起橋接作用，從而緩解裂縫尖端的應(yīng)力集中，增加裂縫的擴(kuò)展阻力，提高混凝土的斷裂能。然而，不同幾何尺寸的纖維的阻裂機(jī)制又有所不同，超細(xì)碳纖維抑制混凝土的較大裂縫擴(kuò)展作用明顯低于鋼纖維，而微細(xì)鋼纖維抑制混凝土的較大裂縫的擴(kuò)展能力又低于較大直徑鋼纖維。因而，碳纖維混凝土的斷裂能最小，微細(xì)鋼纖維混凝土的斷裂能較大，而較大直徑鋼纖維混凝土的斷裂能最大。圖1為切口梁的三點(diǎn)彎曲荷載～撓度關(guān)系曲線圖。

從圖1可以看出，碳纖維混凝土荷載～撓度曲線的下降段與基準(zhǔn)混凝土的下降段相差不大，而鋼纖維混凝土的下降段與基準(zhǔn)混凝土的相差較大。鋼纖維能橫跨較大裂縫，從基體中拔出時(shí)需消耗大量能量，因此，鋼纖維可以阻止裂縫的擴(kuò)展，提高混凝土的斷裂韌性。而微細(xì)鋼纖維單位體積內(nèi)的纖維數(shù)又遠(yuǎn)大于較大直徑鋼纖維，拔出時(shí)消耗的能量更多，因此微細(xì)鋼纖維的增韌效果要好于較大直徑鋼纖維。碳纖維也有一定的阻止裂縫擴(kuò)展的能力，但卻遠(yuǎn)小于鋼纖維。

由圖1還可以看出，隨著鋼纖維尺寸的變小，鋼纖維混凝土在荷載～撓度曲線峰值前的作用增強(qiáng)，而峰值后的作用降低，即鋼纖維的幾何尺寸對混凝土的斷裂特性產(chǎn)生較大的作用，具有顯著的尺寸效應(yīng)。

3 結(jié)論

1.碳纖維混凝土的劈拉強(qiáng)度比鋼纖維混凝土的低。

2.碳纖維屬超細(xì)纖維，其約束混凝土裂縫擴(kuò)展能力顯著低于鋼纖維，表現(xiàn)為碳纖維混凝土比鋼纖維混凝土具有較低的斷裂能和斷裂韌性。

3.微細(xì)鋼纖維在荷載～撓度曲線峰值前對混凝土的作用效果高于較大直徑鋼纖維，而峰值后的作用效果低于較大直徑鋼纖維，表現(xiàn)為微細(xì)鋼纖維混凝土的斷裂能低于較大直徑鋼纖維混凝土，而斷裂韌性高于較大直徑鋼纖維混凝土。

4.不同幾何尺寸的鋼纖維在混凝土中具有不同的作用效果，即鋼纖維在混凝土中的作用具有顯著的尺寸效應(yīng)。

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