碳纤维混凝土的力学性能试验研究_任彦华

第25卷 第5期 云南农业大学学报 V o l 25 N o 5
2010年 9月 Journa l o fYunnan A griculturalUn i v ersity
Sept .2010
收稿日期:2009-07-03 修回日期:2009-09-15
*基金项目:国家自然科学基金重点项目(90510018)。

作者简介:任彦华(1972-),男,云南丽江人,高级工程师,硕士,主要从事建筑工程和工程力学专业的教学
和科研工作。

E m a i:l KM 130********@126 co m
碳纤维混凝土的力学性能试验研究
*
任彦华1,2
,程赫明2
,何天淳3
,代若愚
2,4
(1 云南农业大学建筑工程学院,云南昆明650204;
2 昆明理工大学建筑工程学院,云南昆明650224;
3 云南大学校长办公室,云南昆明650091;
4 昆明冶金高等专科学校校长办公室,云南昆明650033)摘要:通过试验,对短切碳纤维掺量为1%,2%的混凝土的150mm 150mm 150mm 立方体和150mm 150mm 300mm 棱柱体试块的抗压强度、劈拉强度、静力受压弹性模量、泊松比等进行了试验,并和未掺短切碳纤维的普通混凝土的基体做了比较和分析,据此研究分析了一定基体混凝土强度下不同碳纤维体积分数对混凝土力学性能等变化的影响。

关键词:短切碳纤维;掺量;混凝土;力学性能
中图分类号:TU 528 582 文献标识码:A 文章编号:1004-390X (2010)05-0697-06
The Experim ental St udy onM ec hanical Properties of
Short Carbon Fi ber Concrete
RE N Yan hua 1,2
,C HEN He m i n g 2
,HE Ti a n c hun 3
,DA I Ruo yu
2,4
(1.Co llege of A rchitectural Eng i nee ri ng ,Y unnan Ag ricu ltura lU n i ve rsity ,Kun m i ng 650204,China ;
2.Faculty o f A rch itectura l Eng i neer i ng ,K un m i ng U n i versity o f Sc ience and T echno l ogy ,K unm ing 650224,Ch i na ;
3.H ead m aster s O ffi ce ,Y unnan U niversity ,K un m i ng 650091,Ch i na ;
4.H ead m aster s O ffice ,Kun m i ng M eta ll urgy Co llege ,K un m i ng 650033,Ch i na)
Abst ract :The co m pressive streng t h and splitting tensile strength and m odulus o f static co m pression e
lasticity and Po isson s ratio of the 150mm 150mm 150mm concrete cube and 150mm 150mm 300mm concrete pris m w ith 1%and 2%m i x ing a m oun t of short car bon fi b er w ere tested and co m pared w ith ordinary concrete m atri x w it h out short carbon fi b er ,to analyze the effect o f d ifferen t added a m ount car bon fiber on m echan ica l properties o f concrete under the sa m e m atrix strength .K ey w ords :short carbon fi b er ;m i x i n g a m oun;t concrete ;m echan ica l properties 混凝土作为当今主要的建筑材料,具有抗压强度高、使用方便、价格低廉等优点,其缺点是抗拉伸强度和抗弯强度低、自重大、没有成型性,具有典型的脆性材料性质。

随着现代社会的高速发展,水泥材料的低韧性已不能满足某些特殊场
合对材料性能的要求[1-3]。

为克服这一缺点,最有效的措施之一就是在混凝土中加入各种短而分
散的纤维,如钢、碳、玻璃、聚合物和自然植物
等。

这其中碳纤维更具优势,这是因为碳纤维的密度低、传热系数小、抗拉强度高、弹性模量大、化学稳定性好、有较高的抗拉强度、抗弯强度、韧性和耐久性、收缩率很低等特性而成为较理想
的增强纤维[4-9]。

将碳纤维加入到水泥基体中即可制成碳纤维
增强水泥基复合材料(CFRC)[1-2,10]。

在水泥基体中加入不同体积含量的碳纤维,不仅可以明显改善复合材料的力学性能和抗裂防渗、耐强碱等,而且赋予CFRC复合材料某些功能材料的性能[2,11]。

CRFC复合材料以其强度高、模量大、密度重小、耐碱、对人畜无害、尺寸稳定性好、良好的静电屏蔽性、成型性好、良好的导电性等优异性能,在复合材料领域中占有越来也重要的地位,特别是在高层建筑、大桥、码头、河坝、耐火、防震、静电屏蔽、导电以及吸波等方面,受到材料研究工作者的普遍关注[2,9-11]。

目前,对于碳纤维混凝土的研究还很少,本文将通过试验,研究不同掺量碳纤维混凝土基本力学性能,以期为碳纤维混凝土的广泛应用提供可供参考的试验结果。

1 材料与方法
1 1 试验设计
本试验安排在混凝土中掺入长度为(15 2) mm,单丝直径为7 m,占体积1%,2%的硬沥青基碳纤维,来研究不同短切碳纤维体积掺量对混凝土的抗压强度、劈拉强度、静力受压弹性模量、泊松比等基本力学性能的影响。

主要试验参数如下。

1 1 1 碳纤维品种
大连兴科碳纤维有限公司生产,长度(15 2)mm,性能指标见表1。

表1 碳纤维的性能指标
T ab 1 Pe rf o r m ance of ca rbon fi ber
材料牌号
m aterial trade m ark 线密度/(g m-1)
li nea r density
密度/(g c m-3)
density
拉伸强度/M P a
tensile strength
弹性模量/GP a
elastic modu l us
断裂伸长率/%
elongation at break
12K碳纤维
12K carbon fibe r
0 81091 7432772311 4
1 1
2 集料:
(1)细集料一
采用昆明市海口镇当地产普通黄砂,表观密度2 773g/c m3,含水率9 17%。

细集料一的细度模数 f1=0 8072,为特细砂。

根据昆明当地施工实际经验,配制混凝土时要进行调整,即加入瓜子石调整砂的级配。

即在混凝土配合比中,细骨料部分细砂和瓜子各占一半。

(2)细集料二
采用昆明市海口镇当地产瓜子石,表观密度2 627g/c m3,含水率1 63%。

细集料二的细度模数 f2=2 987,为中砂,分析结论与实际情况吻合。

(3)粗集料
用当地产碎石,表观密度2 77g/c m3,含水率0 81%。

最大粒径20mm。

1 1 3 水泥
云南省水泥有限公司生产,规格:32 5MPa 矿渣硅酸盐水泥。

1 1 4 水
当地自来水。

1 1 5 配合比情况
本次试验的混凝土强度等级为C30,选取水灰比为0 41,砂率35%,细骨料中黄砂和瓜子石的比率为1 1。

水泥 细骨料 粗骨料 水=1 1 27 2 36 0 41。

具体用量见表2。

表2 材料的配合比
T ab 2 M ix propo rti on of m ater i a l s
水泥/(kg m-3)
ce m ent 水/(kg m-3)
wa t er
砂/(kg m-3)
sandstone
瓜子石/(kg m-3)
m elon seeds st one
碎石/(kg m-3)
crushed stone
砂率/%
sand ratio
水灰比(W/C)
rati o of water to ce ment
476195302 5302 5112435%0 41
1 1 6 试件的制作情况
本次试件的制作我们委托云南省建七公司预制构件厂(昆明海口)生产,构件取样由笔者自行完成。

698云南农业大学学报 第25卷
在文献[9]的基础上,对混合掺料的配制工艺改进如下:(1)按石子 瓜子石 砂 水泥的顺序往搅拌机中投料,干搅8m i n ,使其均匀;(2)缓慢均匀地往工作着的搅拌机中加入短切碳
纤维,利用干料使短切碳纤维分散开,搅拌7m i n ;(3)加水搅拌6m i n ,使其充分均匀。

1 1 7 试件尺寸
本次试验制作的试件参数如表3所示。

表3 试件参数表
T ab 3 P aram eter table o f spec i m ens
试件编号
speci m ens nu m ber
纤维体积率/%fi ber vo l u m e ratio
宽/mm w idt h 高/mm h i ghness 长/mm length 数量/个nu m be r
用途app licati on
A0
1501501506
立方体抗压强度3个;劈裂抗拉强度3个t hree for compress i ve strength o f cube ;three for sp litting ten sil e streng t h .
A111501501506
立方体抗压强度3个;劈裂抗拉强度3个t hree for compress i ve strength o f cube ;three for sp litting ten sil e streng t h .
A221501501506
立方体抗压强度3个;劈裂抗拉强度3个t hree for compress i ve strength o f cube ;three for sp litting ten sil e streng t h .
B001501503006
轴心抗压强度3个;弹性模量、泊松比3个t hree for ax i a l co m pressi ve streng t h o f cube ;t hree f o r m odu l us o f static compress i on elastic ity and Po isson rati o.B111501503006
轴心抗压强度3个;弹性模量、泊松比3个t hree for ax i a l co m pressi ve streng t h o f cube ;t hree f o r m odu l us o f static compress i on elastic ity and Po isson rati o.B221501503006
轴心抗压强度3个;弹性模量、泊松比3个t hree for ax i a l co m pressi ve streng t h o f cube ;t hree f o r m odu l us o f static compress i on elastic ity and Po isson rati o.
1 2 试验方法
立方体抗压强度和劈裂抗拉强度试验按照(GB /T 50081-2002)中规定的标准试验方法在200t 压力试验机上进行。

轴心抗压强度、弹性模量、泊松比试验按标准试验方法在60kN 万能试验机上进行。

2 结果与分析
立方体抗压强度、劈裂抗拉强度、轴心抗压强度、弹性模量和泊松比试验结果分别见表4~7所示。

掺加碳纤维后各项力学性能指标的增减比例见表8。

表4 碳纤维增强复合材料(CFRC)28d 立方体抗压强度
T ab 4 Compress i ve strength of 28d carbon fi ber reinforced co m posite (CFRC)cube
试件编号speci m ens nu m ber
破坏
载荷/kN fa il ure load 立方体抗压强度标准值/(fcuk M Pa -1)standard value o f cube com press i ve strength
换算为轴心抗压强度标准值/(fcuk M Pa -1)conve rs i on for standa rd value o f cube ax ia l co m pressi ve streng t h
立方体抗压强度平均值
/M P a average va l ue o f cube compressive
strength
轴心抗压强度标准值/(fcuk M P a -1)standard va l ue of cube ax ial co m pressive
strength
A0(0%)
988
43 929 4108248 132 2
44 9
30 0
699
第5期 任彦华,等:碳纤维混凝土的力学性能试验研究
(续表4)
试件编号speci m ens nu m ber 破坏
载荷
/kN
fa il ure
load
立方体抗压
强度标准值
/(fcuk M Pa-1)
standard value o f cube
com press i ve strength
换算为轴心抗压强度标
准值/(fcuk M Pa-1)
conve rs i on for standa rd
value o f cube ax ia l
co m pressi ve streng t h
立方体抗压强度平均值
/M P a
average va l ue o f
cube compressive
strength
轴心抗压强度标准值
/(fcuk M P a-1)
standard va l ue of
cube ax ial co m pressive
strength
A1(1%)99244 129 5
84537 625 1
98543 829 2
41 828 0
A2(2%)76233 922 7
77034 222 9
81636 324 3
34 823 3
表5 CFRC28d立方体劈裂抗拉强度
T ab 5 Sp lit tension streng t h o f28d CFRC cube
试件编号speci m ens nu m ber 破坏荷载
/kN
fa il ure
load
立方体劈裂抗拉强度/M P a
standard
value o f cube splitti ng
tensil e streng t h
劈裂抗拉强度
/(fts M P a-1)
splitti ng tensile
streng th
换算为轴心抗拉强度
/(fts M P a-1)conversi on
f o r standard va l ue of
ax ial co m pressi ve streng t h
抗拉强度设计值
/(fts M P a-1)
design va l ue of
sp litti ng tens ile streng t h
A0882 49
1032 92
1253 54(舍去,round off)
2 702 431 74
A11253 54
1243 51
1283 62
3 563 202 29
A21183 34
1263 57
1253 54
3 483 132 24
表6 CFRC28d棱柱体抗压强度
T ab 6 Compressive streng th o f28d CFRC pris m
试件编号spec i m ens number 破坏载荷
/kN
fa il ure l oad
轴心抗压强度/M P a
ax ial co m pressi ve
streng th va l ue
轴心抗压强度平均值/M Pa
average va l ue o f ax ia l
co m pressi v e streng th
轴心抗压强度设计值/M P a
des i gn v al ue o f ax ia l
co m pressi ve streng t h
A088239 2(舍去,round off)
73532 7
73832 8
32 823 4
A175333 5
74933 3
75033 3
33 423 9
A268830 6
65028 9
63528 2
29 220 9
700云南农业大学学报 第25卷
表7 CFRC弹性模量、泊松比
T ab 7 E lastic modu l us and Po i sson s rati o o f CFRC
试件编号speci m ens nu m be r
单个试件弹模
e lastic m odulus of
si ng le spec i m ens
单个试件泊松比
P o i sson s ratio of
si ng l e spec i m ens
同类试件弹模
elasti c modu l us o f t he
sa m e k i nd spec i m ens
同类试件泊松比
Po isson s rati o o f the
sa m e kind speci m ens
B0B0-1270200 2423
B0-2263670 2249
B0-3270530 2405
268130 2359
B1B1-1251120 2407
B1-2259450 2442
B1-3261380 2117
257320 2322
B2B2-1266600 2159
B2-2266290 2261
B2-3278460 2299
270450 2240
表8 掺加碳纤维后各项力学性能指标的变化
T ab 8 Change o fm echanical property i ndexes o f concrete a fter m i x ed w ith carbon fi be r%
纤维体积率carbon fi be r vo l u m e ratio 立方体抗压强度
co m pressi ve
streng th o f cube
劈裂抗拉强度
sp litti ng tens ile
strength of cube
棱柱体抗压强度
compressive
streng th o f pris m
弹性模量
m odulus of sta ti c
compression e lastic i ty
泊松比
Po isson s'ra ti o
1-6 67+31 85+1 83-4 03+0 9 2-22 49+28 89-10 98-3 53+5 04
3 讨论与结论
掺加了碳纤维后,混凝土的抗压强度没有提高甚至随着碳纤维掺量增加反而降低的现象。

掺量为1%,强度提高1 83%;掺量为2%时,强度反而降低了10 98%。

当碳纤维掺量超过一定值后,抗压强度似乎随着短碳纤维掺入量增加而呈下降趋势。

纤维体积率为1%的混凝土试件抗压强度比2%的试件抗压强度高,这是由于纤维添加过多后导致混凝土中孔隙率增大,反而会导致强度降低,这也说明纤维体积率不是越大越好,纤维体积率除了有临界体积率下限值外,还应该有临界体积率上限值。

加入碳纤维后,混凝土的抗拉强度明显提高。

掺量为1%时劈裂抗拉强度较高,掺量为2%时略有降低,但变化幅度不大。

掺量为1%时,劈裂抗拉强度提高31 85%;掺量为2%时,劈裂抗拉强度提高28 89%。

可见,混凝土中加入碳纤维后,混凝土的劈裂抗拉强度会有明显改善。

在临界体积率范围内,纤维含量越高,混凝土抗拉强度越高,这说明加入碳纤维对于改善混凝土的抗拉、抗裂性能有较为明显的效果。

当加入体积率为1%的碳纤维后,混凝土弹性模量变化不大。

当纤维体积率提高到2%时,混凝土弹性模量稍微提高0 9%,这是由于纤维混杂在混凝土中产生过多的孔隙而导致的。

加入碳纤维后,混凝土的泊松比没有多大差别。

纤维体积率提高到2%时,混凝土弹性模量和泊松比稍微降低5 04%。

由于短切碳纤维加入混凝土中,采取机械搅拌时,纤维不能完全按照理论均匀分布,其与水泥颗粒混合时趋于产生团聚和凝成纤维块,一定程度影响短切碳纤维混凝土的力学性能。

另外,由于本次试验过程中,未加入其他添加剂(外加剂和硅灰等),短切碳纤维的表面与水泥混合物接合的界面粘合力会降低。

701
第5期 任彦华,等:碳纤维混凝土的力学性能试验研究
总的来看,加入碳纤维,可以在抗拉强度方面改善其力学性能,延迟裂缝的发生,限制裂缝的发展。

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