張政哲，吉 慶

(中交一公局集團有限公司，北京 100024)

隨著社會生產(chǎn)力的發(fā)展，土木建筑行業(yè)得到快速發(fā)展?；炷磷鳛橥聊窘ㄖ袠I(yè)最常用的材料，一方面要求滿足力學強度，另一方面要求綠色節(jié)能。因此，許多研究學者通過摻入不同材料替代混凝土中的粗骨料，實現(xiàn)混凝土節(jié)能的目的。白敏等[1]用鋼渣等體積全部替代石子配制鋼渣混凝土，鋼渣混凝土的力學性能明顯優(yōu)于普通混凝土。信玉良等[2]用石狀鋼渣等體積替代部分粗骨料配制混凝土，發(fā)現(xiàn)石狀鋼渣體積摻量應控制在30%為宜。王晴等[3]研究了煤矸石替代碎石對混凝土抗凍性的影響，粉煤灰的最佳體積摻量為10%。董海龍等[4]對不同粗骨料替代率的再生混凝土進行沖擊試驗，其應力-應變關(guān)系曲線開始段呈線性關(guān)系，隨替代率的增大，曲線斜率增大，峰值應力變大。王占鋒等[5]研究了不同粗骨料替代率對再生混凝土的力學性能的影響，隨著再生粗骨料替代率的增加，再生混凝土立方體抗壓強度和棱柱體抗壓強度均逐漸增大，劈拉強度有一定程度的降低。趙軍等[6]對不同粗骨料替代率的混凝土試件進行拉拔試驗，發(fā)現(xiàn)再生混凝土黏結(jié)強度要高于基準混凝土，當替代率為60%時,黏結(jié)強度達到最大值。劉喜平等[7]選用不同粗骨料替代率的再生粗骨料混凝土進行研究，發(fā)現(xiàn)不同替代率的再生混凝土的流動性和抗壓強度均比普通混凝土差。蔡海勇等[8]分析了再生骨料混凝土破壞形態(tài)及不同再生粗骨料替代率對再生混凝土抗壓強度的影響，結(jié)果表明28 d齡期的再生骨料混凝土強度能夠達到標準要求，用再生骨料配制混凝土是可行的。

目前，碳纖維由于具有優(yōu)異的活性和化學穩(wěn)定性，且性價比高，被廣泛用于高性能混凝土的開發(fā)。孟博旭等[9]研究了納米碳纖維摻量對納米碳纖維/混凝土抗凍性能的影響，結(jié)果表明納米碳纖維通過改善混凝土的微觀形貌、孔隙結(jié)構(gòu)、整體性和密實度，顯著改善了混凝土的抗凍性能。畢鵬[10]采用碳纖維摻入瀝青混凝土中，碳纖維體積摻量為0.05%左右時混凝土的性能達到最佳。碳纖維能夠明顯提高混凝土的各方面性能，但碳纖維材料受溫度的影響較大，從而影響混凝土的性能[11]，因此，需進一步研究在不同養(yǎng)護環(huán)境溫度下碳纖維混凝土的性能變化規(guī)律。作者通過在混凝土中摻入不同含量的碳纖維配制碳纖維混凝土，研究碳纖維摻量對碳纖維混凝土力學性能的影響；同時，通過調(diào)節(jié)不同的養(yǎng)護環(huán)境溫度來分析碳纖維混凝土力學性能的變化規(guī)律。

1 實驗

1.1 主要原料

P.O.42.5水泥：二氧化硅(SiO2)質(zhì)量分數(shù)25.03%，氧化鈣(CaO)質(zhì)量分數(shù)54.99%，三氧化二鋁(Al2O3)質(zhì)量分數(shù)7.01%，氧化鎂(MgO)質(zhì)量分數(shù)3.91%，三氧化二鐵(Fe2O3)質(zhì)量分數(shù)2.94%，三氧化硫(SO3)質(zhì)量分數(shù)6.12%，青島卓能達建筑科技有限公司生產(chǎn)；砂、石：砂粒徑0～15 mm、堆積密度1 720 kg/m3、表觀密度2 903 kg/m3，石粒徑15～25 mm、堆積密度1 660 kg/m3、表觀密度2 561 kg/m3，均由佛山市越祥建材有限公司提供；減水劑：上海富畦工貿(mào)有限公司生產(chǎn)；碳纖維：長度12 mm，抗拉強度3 900 MPa，彈性模量230 GPa，單絲直徑8 μm，河北富瑞復合材料有限公司生產(chǎn)。

1.2 主要設備及儀器

HS85623型多功能攪拌機：滄州恒勝偉業(yè)公路儀器有限公司制；CBW-2T型萬能試驗機：重慶重標實驗儀器有限公司制。

1.3 碳纖維混凝土的制備

使用攪拌機將水泥、砂、石、水和碳纖維等進行混合攪拌，其中水:水泥:砂:石的質(zhì)量比為0.38:1.00:1.11:2.72，摻入碳纖維體積分數(shù)為0～3%，摻入減水劑體積分數(shù)為2%。根據(jù)GB/T 50476—2019《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設計標準規(guī)范》制備不同碳纖維含量的100 mm×100 mm×100 mm立方體混凝土，隨后放入振動臺上進行振動，使得成型的混凝土內(nèi)部材料均勻且密實，并在不同環(huán)境溫度下對混凝土試件進行養(yǎng)護，環(huán)境溫度分別為20，40，60，100 ℃，養(yǎng)護時間為7 d。

1.4 力學性能測試

根據(jù)GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》，將養(yǎng)護成型的碳纖維混凝土放置在萬能試驗機上，開始逐級加壓力/加拉力，通過試驗儀器顯示器讀取碳纖維混凝土壓碎/拉壞時的受力值，最終取每組3塊試件的平均值作為最終受力值，計算碳纖維混凝土的抗壓強度、劈拉強度和抗彎強度。

2 結(jié)果與討論

2.1 抗壓強度

從圖1可以看出：當環(huán)境溫度為60 ℃時，未摻入碳纖維的混凝土的抗壓強度為27.9 MPa，摻入碳纖維體積分數(shù)1%的混凝土抗壓強度為29.1 MPa，摻入碳纖維體積分數(shù)2%的混凝土抗壓強度為29.6 MPa，摻入碳纖維體積分數(shù)3%的混凝土抗壓強度為29.9 MPa，顯然，隨著碳纖維摻量的增加，混凝土的抗壓強度逐漸增加，但是增加速率逐漸降低；當環(huán)境溫度分別為20，40 ℃時，混凝土的抗壓強度隨碳纖維摻量的增加呈現(xiàn)同樣的變化趨勢，并且在摻入碳纖維體積分數(shù)為3%時抗壓強度最大，這是因為碳纖維的表面積及直徑較小，能夠填充至混凝土的空隙之中，從而提高混凝土的抗壓強度[12]；當碳纖維摻量一定(摻入碳纖維體積分數(shù)為3%)時，環(huán)境溫度為20 ℃的混凝土的抗壓強度為28.9 MPa，環(huán)境溫度為40 ℃的混凝土的抗壓強度為29.6 MPa，環(huán)境溫度為60 ℃的混凝土的抗壓強度為29.9 MPa，環(huán)境溫度為100 ℃的混凝土的抗壓強度為28.4 MPa，隨著養(yǎng)護環(huán)境溫度的升高，碳纖維混凝土的抗壓強度先增加后降低，最佳養(yǎng)護溫度為60 ℃，這是因為環(huán)境溫度的增加，能夠促進混凝土中水泥的水化，從而提高混凝土的抗壓強度，但養(yǎng)護溫度過高(100 ℃)則會破壞混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低混凝土的抗壓強度[13]。

2.2 劈拉強度

從圖2可以看出：當環(huán)境溫度為60 ℃時，未摻入碳纖維的混凝土的劈拉強度為2.8 MPa，摻入碳纖維體積分數(shù)1%的混凝土的劈拉強度為3.1 MPa，摻入碳纖維體積分數(shù)2%的混凝土的劈拉強度為3.3 MPa，摻入碳纖維體積分數(shù)3%的混凝土的劈拉強度為3.4 MPa，隨著碳纖維摻量的增加，混凝土的劈拉強度逐漸增加；當環(huán)境溫度分別為20，40，100 ℃時，混凝土的劈拉強度同樣隨碳纖維摻量的增加而增加，呈現(xiàn)同樣的變化趨勢；當環(huán)境溫度一定時，隨著碳纖維摻量的增加，混凝土的劈拉強度逐漸增加，但是增加速率逐漸降低，摻入碳纖維體積分數(shù)為3%時最佳，這是因為碳纖維屬于活性材料，能夠與水泥中的化學成分發(fā)生反應，從而加快水化過程，即加快凝膠的形成，從而提高混凝土的劈拉強度[14]；當摻入碳纖維體積分數(shù)為3%時，環(huán)境溫度為20 ℃的混凝土的劈拉強度為3.2 MPa，環(huán)境溫度為40 ℃的混凝土的劈拉強度為3.3 MPa，環(huán)境溫度為60 ℃的混凝土的劈拉強度為3.4 MPa，環(huán)境溫度為100 ℃的混凝土的劈拉強度為3.3 MPa，最佳養(yǎng)護溫度為60 ℃；當碳纖維摻量一定(體積分數(shù)分別為1%，2%)時，隨著環(huán)境溫度的升高，碳纖維混凝土的劈拉強度同樣先增加后降低，最佳養(yǎng)護溫度為60 ℃，這是因為在一定程度范圍內(nèi)升高環(huán)境溫度，能夠加快混凝土中水泥的水化過程，從而提高混凝土的劈拉強度，但環(huán)境溫度過高則會起到相反的作用，降低混凝土的劈拉強度[15]。

圖2 不同環(huán)境溫度下碳纖維混凝土劈拉強度隨碳纖維摻量的變化Fig.2 Change of splitting tensile strength of carbon fiber reinforced concrete with carbon fiber content under different ambient temperatures■—20 ℃；●—40 ℃；▲—60 ℃；▼—100 ℃

2.3 抗彎強度

從圖3可以看出：當環(huán)境溫度為60 ℃時，未摻入碳纖維的混凝土的抗彎強度為4.7 MPa，摻入碳纖維體積分數(shù)1%的混凝土的抗彎強度為5.0 MPa，摻入碳纖維體積分數(shù)2%的混凝土的抗彎強度為5.2 MPa，摻入碳纖維體積分數(shù)3%的混凝土的抗彎強度為5.3 MPa；當環(huán)境溫度分別為20，40，100 ℃時，隨著碳纖維摻量的增加，混凝土的抗彎強度呈現(xiàn)同樣的變化趨勢；當環(huán)境溫度一定時，隨著碳纖維摻量的增加，混凝土的抗彎強度逐漸增加，但是增加速率逐漸降低，碳纖維最佳摻量為體積分數(shù)3%，這是因為在混凝土中摻入碳纖維能夠降低混凝土的塑性流動和收縮微裂紋，使混凝土得到輔助的加強，并且碳纖維能夠加快水泥的水化，使得水泥水化產(chǎn)物隨時間不斷累積，填充于已硬化試件的空隙，降低體系的空隙率，密實試件，從而使強度不斷得以發(fā)展[16]；當摻入碳纖維體積分數(shù)為3%時，環(huán)境溫度為20 ℃的混凝土的抗彎強度為4.9 MPa，環(huán)境溫度為40 ℃的混凝土的抗彎強度為5.1 MPa，環(huán)境溫度為60 ℃的混凝土的抗彎強度為5.3 MPa，環(huán)境溫度為100 ℃的混凝土的抗彎強度為5.2 MPa，最佳養(yǎng)護溫度為60 ℃；當碳纖維摻量一定時，隨著養(yǎng)護環(huán)境溫度的升高，碳纖維混凝土的抗彎強度先增加后降低，最佳養(yǎng)護溫度為60 ℃，這是因為環(huán)境溫度的增加，能夠促使混凝土中水泥的水化，從而提高混凝土的抗彎強度，但環(huán)境溫度過高則會破壞混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，降低混凝土的抗彎強度。

圖3 不同環(huán)境溫度下碳纖維混凝土抗彎強度隨纖維摻量的變化Fig.3 Change of bending strength of carbon fiber reinforced concrete with carbon fiber content under different ambient temperatures■—20 ℃；●—40 ℃；▲—60 ℃；▼—100 ℃

3 結(jié)論

a.當碳纖維摻量一定時，隨著養(yǎng)護環(huán)境溫度的升高，碳纖維混凝土的抗壓強度、劈拉強度和抗彎強度均呈現(xiàn)先增加后降低的變化趨勢，其最佳養(yǎng)護環(huán)境溫度為60 ℃。

b.當養(yǎng)護環(huán)境溫度一定時，隨著碳纖維摻量的增加，碳纖維混凝土的抗壓強度、劈拉強度和抗彎強度均逐漸增加，增加速率逐漸降低，摻入碳纖維體積分數(shù)3%時均達到最大。

c.當養(yǎng)護環(huán)境溫度為60 ℃、摻入碳纖維體積分數(shù)3%時，碳纖維混凝土的力學性能最佳，其抗壓強度為29.9 MPa，劈拉強度為3.4 MPa，抗彎強度為5.3 MPa。