碳纤维混凝土抗折性能试验研究

谭鸿钍，唐天国，严成美

（1. 四川大学 建筑与环境学院，四川 成都 610065；2. 四川大学 经济学院，四川 成都 610065）

0 引言

水泥混凝土路面材料可以被看做是支撑在弹性地基上的弹性薄板，在行车荷载与温度变化的影响下，会产生压应力与弯拉应力，混凝土面板所受压应力与混凝土的抗压强度相比很小，而所受的拉弯应力与抗折强度的比值则大得多，在压应力远未达到抗压强度的情况下拉弯应力达到抗折强度，从而导致混凝土面板开裂。[1-3]

各类荷载例如超载、冲击、振动、疲劳或基层约束、温差应力、湿差应力、路基沉降等因素导致的混凝土路面结构性的破坏，促使我们进行对混凝土路面及其抗折性能的研究[2]，而依靠传统的增加混凝土强度等级来增大混凝土的抗折强度已经不能满足需求。[4-5]

碳纤维作为一种新型材料有着极高的抗拉强度，采用短切碳纤维丝可作为外掺料添加到混凝土中，本试验拟在混凝土材料中掺入新型碳纤维材料，开展抗折性能的研究。[6-7]

1 试验目的

本试验旨在参考技术较为成熟的钢纤维混凝土工艺，将碳纤维材料掺入混凝土，以提高其抗折强度，并进行碳纤维混凝土的抗折性能研究，利用传统混凝土抗折强度测量方式测量新型纤维混凝土抗折强度，为工程用纤维混凝土提供抗折强度参考。纤维材料的基本性能参数见表 1。

2 试验概述

2.1 试验分组及条件

本试验试件分 C25、C30 两批，每批分掺量 0% 对照组、0.6% 试验组与 1.2% 试验组共三组，每批试验浇筑试件共十个，三个为 0% 对照组，三个为 0.6% 试验组，四个为 1.2% 试验组，同批次浇筑试件除纤维掺量外所有原料及养护条件均相同。碳纤维混凝土试件外观见图 1，试件断面见图 2。

表 1 纤维材料基本参数

图 1 碳纤维混凝土试件

图 2 试件断面

2.2 试验设备及试件尺寸

YAW-5000 压力试验机，试验混凝土尺寸 150mm×150mm×550mm。

2.3 本试验碳纤维混凝土制作方式

（1）材料：试验混凝土为 C25 与 C30 两种强度混凝土，采用 P·O42.5 水泥，使用中砂，最大粒径31.5mm 碎石，6mm 与 10mm 短切碳纤维丝。

（2）纤维用量：本试验纤维掺量按混合纤维体积进行计算，每批混凝土实际掺量分 0%、0.6%、1.2% 三组。

（3）搅拌：本试验采用人工搅拌，先将水泥、粗细集料和水按照 C25 与 C30 计算配合比进行搅拌，待搅拌均匀后，将两种短切纤维占比各 50% 的混合纤维按照计算掺量均匀加入。

（4）振捣：本试验使用混凝土振动台进行振捣，大部分纤维材料呈二维乱向分布，少部分呈三维乱向分布。

（5）养护：本试验混凝土三天凝固后进行人工脱模，之后进行浸水养护 28d。

（注：试件浇筑过程不使用外加剂）

2.4 抗折强度测试方法

混凝土力学试验按照规范 GB/T 50081—2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》，对养护 28 天的抗折标准试件进行强度测试，试件下边缘断裂位置均位于两集中荷载作用线之间（见图 3），按式 (1) 计算。

图 3 试件抗折示意图

式中：ff——混凝土抗折强度，MPa；

F——试件被破坏荷载，N；

L——支座间跨度，mm；

h——试件截面高度，mm；

b——试件截面宽度，mm。

2.5 试验测试结果

C30 批对照组与 1.2% 试验组荷载—位移图分别见图 4、5。试验试件实测荷载数据见表 2。试验试件计算抗折强度见表 3。抗折强度—碳纤维掺量曲线见图 6。

图 4 C30 批对照组 1 号试件荷载—位移图

图 5 C30 批 1.2% 试验组 1 号试件荷载—位移图

表 2 试验实测荷载值

表 3 试验计算抗折强度

图 6 抗折强度—碳纤维掺量曲线

3 结论

本试验向普通素混凝土中添加碳纤维进行纤维混凝土制作并测量其抗折强度，得到以下结论：

（1）相比于普通混凝土，添加了碳纤维材料的混凝土抗折强度有明显提高，C30 混凝土添加体积掺量0.6% 碳纤维试验组试件，相比掺量 0% 对照组抗折强度提升比例约 19.26%，体积掺量 1.2% 试验组提升比例约 31.25%。

（2）碳纤维混凝土的抗折强度不仅取决于纤维材料的掺量，还取决于纤维材料分布状态。碳纤维均匀乱向分布或者平行于轴线方向均匀分布能够较大提高混凝土抗折强度，而搅拌不够均匀或者其他原因导致的碳纤维成团、分布不均会导致第一批试样中强度下降的结果，其原因是纤维成团之后纤维本身并无粘结力且摩擦系数过小，而水泥砂浆与骨料之间的接触面积减小，从而导致混凝土抗弯折能力的削弱。

（3）掺纤维后每方 C30 混凝土在提升抗折强度20% 时，需要添加 0.6% 即 6L 碳纤维材料约合 1.2kg，提升强度 30% 时，需添加 1.2% 即 12L 碳纤维材料约合2.4kg，市面可购的直径 7μm 的 6mm 和 10mm 短切碳纤维价格约 140 元/kg，碳纤维混凝土造价相对于普通道路混凝土较贵，建议用于飞机跑道等易承受重压冲击的场合。