鋼纖維和碳纖維混凝土力學性能的研究

摘要：研究了碳纖維和鋼纖維混凝土的力學性能。結(jié)果表明，碳纖維混凝土的劈拉強度、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，即鋼纖維的增強作用具有顯著的尺寸效應。

關(guān)鍵詞：碳纖維 劈拉強度 斷裂能 斷裂韌性 鋼纖維 尺寸效應

混凝土是當代應用最廣泛的建筑材料，它具有易成型、能耗低、耐久性好、價格便宜以及與鋼材復合可制成各種承重結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。但混凝土的自重大、脆性大、抗拉強度低等弱點限制了它的應用。纖維增強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度、抗彎強度、初裂強度、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纖維材料。由于碳纖維價格的不斷降低，碳纖維水泥基材料日益得到廣泛運用。碳纖維具有較高的抗拉強度和彈性模量，能顯著提高水泥基復合材料的抗拉強度、抗彎強度和斷裂韌性^[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行了研究。

1 試驗過程

1.1試驗原材料

水泥:上海海豹水泥有限公司生產(chǎn)的強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，其各項性能指標符合國家標準;細集料：中砂，細度模數(shù)為2.8；粗集料:5～16mm連續(xù)級配碎石，壓碎指標為7.9%；外加劑:花王高效減水劑；碳纖維:長度為6mm的PAN基高強碳纖維，其性能指標見表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；微細鋼纖維：武漢漢森鋼纖維有限責任公司生產(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理，所選取的基準混凝土的28d抗壓強度約為60MPa。同時，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的微細鋼纖維，纖維的體積分數(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抗壓強度和劈拉強度

分別用3塊尺寸均為100mm×100mm×100mm的試件進行抗壓強度(σc)和劈拉強度(σst)試驗，齡期為28d，儀器為普通萬能試驗機，參照標準為GBJ81—85。劈拉強度按下列公式進行計算

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，測試前用切割機切口，切口深度為5cm。28d齡期后，采用閉環(huán)反饋控制Instron8501進行測試，測試加載速率為0.025mm/min。根據(jù)國際材料與結(jié)構(gòu)實驗室聯(lián)合會(RILEM)混凝土斷裂力學委員會的建議，采用三點彎曲梁測定混凝土的斷裂能并按下式計算之

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

混凝土應力因子的臨界值K_IC表征了材料阻止裂縫擴張的能力，稱為斷裂韌性。斷裂韌性按下式進行計算

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試驗結(jié)果與討論

2.1抗壓與劈拉強度

表3列出了基準混凝土和纖維混凝土的抗壓強度和劈拉強度試驗結(jié)果。從表3可以看出，纖維混凝土的抗壓強度較基準混凝土均有一定程度的降低，但劈拉強度則均有較大程度的提高。不同尺寸纖維對混凝土劈拉強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。由表3可見，碳纖維混凝土的拉壓比與基準混凝土的相差不大，而鋼纖維的拉壓比較基準混凝土的顯著提高，尤其是微細鋼纖維。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。

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

2.2斷裂能和斷裂韌性

表3亦列出了基準混凝土、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。當混凝土中微小裂縫受荷載作用時，會發(fā)生裂縫擴展。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力集中，增加裂縫的擴展阻力，提高混凝土的斷裂能。然而，不同幾何尺寸的纖維的阻裂機制又有所不同，超細碳纖維抑制混凝土的較大裂縫擴展作用明顯低于鋼纖維，而微細鋼纖維抑制混凝土的較大裂縫的擴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，從基體中拔出時需消耗大量能量，因此，鋼纖維可以阻止裂縫的擴展，提高混凝土的斷裂韌性。而微細鋼纖維單位體積內(nèi)的纖維數(shù)又遠大于較大直徑鋼纖維，拔出時消耗的能量更多，因此微細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展的能力，但卻遠小于鋼纖維。

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，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。

3 結(jié)論

1.碳纖維混凝土的劈拉強度比鋼纖維混凝土的低。

2.碳纖維屬超細纖維，其約束混凝土裂縫擴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。

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