楊 虹， 王海龍， 王紅珊， 孫 松， 劉思盟， 王 子

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木建筑工程學(xué)院， 呼和浩特 010018)

0 引言

浮石是火山噴發(fā)而形成的固體物質(zhì)，其具有較多孔隙且質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)輕于普通碎石，具有優(yōu)秀的耐酸堿、腐蝕的性質(zhì)。在制備混凝土過程中不會對環(huán)境造成污染，是替代普通碎石的理想材料。在內(nèi)蒙古地區(qū)存在大量天然浮石，將浮石作為粗骨料應(yīng)用于混凝土中制成輕骨料混凝土，輕骨料混凝土具有孔隙率大、密度低、抗凍性和保溫性好的優(yōu)點，所以被廣泛的應(yīng)用[1]。但是輕骨料混凝土與普通混凝土也存在同樣的缺陷，其抗壓抗拉抗折強度低、耐磨性差、抗?jié)B性差，會在一定程度影響輕骨料混凝土的應(yīng)用[2]。

為了彌補普通混凝土自身的不足，諸多國內(nèi)外學(xué)者對在混凝土中摻入纖維進行了廣泛研究，產(chǎn)生了纖維混凝土，又稱纖維增強混凝土[3]。在混凝土中摻入纖維可以提高混凝土抗拉強度、抗壓強度[4-5]和抗折強度[6]等。碳纖維的摻入可以改善混凝土的性能，延緩混凝土表面裂縫的出現(xiàn)，阻止內(nèi)部微裂紋的擴展[7]。

在內(nèi)蒙古地區(qū)，實際工程中粗骨料多采用天然浮石，由于其使用時間較短，所以對在輕骨料混凝土中摻入碳纖維的研究很少。纖維增強混凝土可以提高混凝土在實際應(yīng)用中的力學(xué)性能。為了使碳纖維輕骨料混凝土在內(nèi)蒙古地區(qū)得到廣泛使用，本文對其力學(xué)性能進行研究。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

水泥：P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，其性能指標(biāo)見表1；粗骨料：內(nèi)蒙古錫林浩特天然浮石，其物理性能見表2；細(xì)骨料：天然河砂，中砂，顆粒級配Ⅱ區(qū)，細(xì)度模數(shù)2.5，堆積密度1 565kg/m3，表觀密度2 650kg/m3；粉煤灰：呼和浩特市某熱電廠Ⅰ級粉煤灰；水：自來水；減水劑：木質(zhì)素磺酸鈣，減水率20%；纖維：北京某廠生產(chǎn)的碳纖維布，彈性模量2.4×105GPa，伸長率1.7%，后經(jīng)人工裁剪成長度不超過20mm的碳纖維。

P.O42.5普通硅酸鹽水泥性能指標(biāo) 表1

浮石的物理性能指標(biāo) 表2

1.2 試驗設(shè)計

制備100mm×100mm×100mm立方體試塊，置于標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護。試驗按照碳纖維體積摻量的不同分為6組，減水劑的摻量為膠凝材料的0.5%，配合比見表3。碳纖維的體積摻量分別為0，0.3%，0.6%，0.9%，1.2%，1.5%，命名為D，D-1，D-2，D-3，D-4，D-5。每組均選取3個平行試塊，分別測試3，7，14，28d的立方體抗壓強度，28d劈裂抗拉強度，取其算術(shù)平均值作為該組試塊的強度值。待試塊養(yǎng)護28d后，對其進行SEM電鏡試驗和氣孔結(jié)構(gòu)試驗。

混凝土配合比設(shè)計 表3

1.3 試驗方法

本文采用微機控制全自動壓力試驗機(圖1)測試混凝土試塊的立方體抗壓強度，抗拉強度采用WAW型微機控制點液伺服萬能試驗機(圖2)進行測試，采用S-4800型環(huán)境掃描電子顯微鏡(圖3)觀察混凝土內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，采用Rapid Air457氣孔間距分析儀(圖4)測試混凝土內(nèi)部的孔隙間距系數(shù)，含氣量、孔隙比表面積、氣泡頻率、氣泡的平均弦長等參數(shù)。

圖1 微機控制全自動壓力試驗機

圖2 WAW型微機控制點液伺服萬能試驗機

圖3 S-4800型環(huán)境掃描電子顯微鏡

圖4 Rapid Air457氣孔間距分析儀

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 碳纖維對輕骨料混凝土立方體抗壓強度發(fā)育的影響

圖5是齡期與抗壓強度的關(guān)系，從圖中可以看出，隨著齡期的增長，混凝土的抗壓強度逐漸增大。當(dāng)碳纖維的體積摻量為0.3%和0.6%時，其抗壓強度較基準(zhǔn)組有所提高；當(dāng)大于碳纖維的體積摻量0.6%后，抗壓強度逐漸下降，其中碳纖維的體積摻量為1.5%時下降幅度最大。

圖5 齡期與抗壓強度的關(guān)系

圖6是碳纖維的體積摻量與抗壓強度變化率的關(guān)系，抗壓強度變化率是指混凝土試驗組與基準(zhǔn)組的抗壓強度差值和基準(zhǔn)組抗壓強度的比值。從圖中可以看出，與基準(zhǔn)組相比，在碳纖維的體積摻量不斷增加的情況下，混凝土的抗壓強度變化率逐漸下降。碳纖維的體積摻量以0.6%為分界線，當(dāng)碳纖維的體積摻量低于分界線水平時，碳纖維的摻入提高了混凝土的抗壓強度；當(dāng)碳纖維的體積摻量大于分界線水平時，試塊的抗壓強度低于基準(zhǔn)組。相比于基準(zhǔn)組，當(dāng)碳纖維的體積摻量為0.3%時，3，7，14，28d的抗壓強度分別提高了20.04%，12.17%，10.94%，10.28%；當(dāng)碳纖維的體積摻量為0.6%時，其各齡期的抗壓強度分別提高了10.12%，5.41%，0.69%，2.92%；當(dāng)碳纖維的體積摻量為0.9%時，其各齡期的抗壓強度分別降低了7.08%，21.64%，17.55%，19.43%。

圖6 碳纖維的體積摻量與抗壓強度變化率的關(guān)系

當(dāng)碳纖維的體積摻量為0.3%時，可以明顯提高混凝土的抗壓強度，28d立方體抗壓強度值較基準(zhǔn)組提高了10.28%，造成這種變化的原因：一是在輕骨料混凝土中加入碳纖維，碳纖維均勻無序的分布在混凝土中，其“空間約束”特性充分體現(xiàn)，在混凝土硬化過程中阻止了粗細(xì)骨料沉降產(chǎn)生的離析。二是在混凝土受力過程中碳纖維與混凝土共同承擔(dān)荷載，混凝土受壓產(chǎn)生橫向變形，向四周膨脹，碳纖維受拉起到了傳接力的紐帶作用，阻止了混凝土中舊裂紋的擴展和新裂紋的產(chǎn)生。三是在混凝土制備過程中加入粉煤灰，使水泥與第二相材料之間的界面過渡區(qū)變得更加密實，提高了碳纖維與混凝土的界面粘結(jié)程度[8]，同時水泥漿與骨料的粘結(jié)力也隨著提高，從而提高了混凝土的強度。

當(dāng)碳纖維的體積摻量大于0.6%時，混凝土的抗壓強度逐漸下降，原因在于：碳纖維的摻入量過多，人工分散不能使碳纖維均勻分布，碳纖維成團，使混凝土內(nèi)部構(gòu)成新的缺陷，對混凝土的抗壓強度產(chǎn)生減益效果，碳纖維的大量加入增大了碳纖維的表面積[9]，使水泥對碳纖維的包裹不充分，降低了水泥與碳纖維的粘結(jié)程度；同時，碳纖維大量加入增大了混凝土的孔隙率，從而降低了混凝土的抗壓強度。

2.2 碳纖維對輕骨料混凝土劈裂抗拉強度的影響

圖7為碳纖維的摻量對混凝土28d劈裂抗拉強度的影響，從圖中可以看出，隨著碳纖維的體積摻量的增加，輕骨料混凝土的劈裂抗拉強度呈現(xiàn)先增強后降低再增強的趨勢。碳纖維在混凝土內(nèi)部無序交錯分布，有的碳纖維處于纖維增強方向，有的碳纖維處于非纖維增強方向，處于纖維增強方向上的碳纖維能夠充分發(fā)揮作用，有效提高混凝土的劈裂抗拉強度；而處于非纖維增強方向的碳纖維則不能發(fā)揮阻裂、抗拉的作用，此時混凝土的劈裂抗拉強度主要由基體本身的強度決定?；炷恋呐芽估瓘姸认仍鰪姾蠼档团c混凝土的抗壓強度變化趨勢相同，因為D-1,D-2組試塊的混凝土碳纖維的體積摻量較少，其碳纖維的分布方向又是隨機的，能夠發(fā)揮增強作用的碳纖維量也較少，所以其劈裂抗拉強度由基體本身的強強度和少量碳纖維共同決定，但是主要還是由基體的強度決定。D-5組混凝土的劈裂抗拉強度達到最高值，是因為當(dāng)碳纖維的體積摻量達到1.5%時，即使碳纖維在混凝土內(nèi)部的分布方向是隨機的，但是在纖維增強方向上分布的碳纖維數(shù)量較之前的組會有所提高，此時基體的劈裂抗拉強度主要由碳纖維決定。

圖7 碳纖維輕骨料混凝土28d劈裂抗拉強度

表4為碳纖維輕骨料混凝土的劈壓比值，由表4可見，混凝土的劈裂抗拉強度與抗壓強度整體上呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢，即隨著抗壓強度的增長，劈裂抗拉強度也隨之增長，反之亦然；但是，當(dāng)碳纖維的體積摻量為1.5%時，其規(guī)律發(fā)生變化，抗壓強度降低但劈裂抗拉強度反而升高。碳纖維輕骨料混凝土的劈裂抗拉強度增長速率大于抗壓強度增長速率，即表4中的劈壓比逐漸增大，說明碳纖維的摻入對混凝土的劈裂抗拉強度影響較大，改善了混凝土的脆性破壞。

2.3 碳纖維輕骨料混凝土的微觀結(jié)構(gòu)

圖8為碳纖維輕骨料混凝土28d的SEM照片。

碳纖維輕骨料混凝土28d劈壓比 表4

圖8 碳纖維輕骨料混凝土28d的SEM照片

由圖8(a)可知，碳纖維輕骨料混凝土的表面有許多的裂紋存在，這些裂紋可能是受到荷載而產(chǎn)生的，也可能是由混凝土變形引起的，主要是在混凝土凝結(jié)硬化中和凝結(jié)硬化之后，產(chǎn)生一定的體積變形，體積變化使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微小的裂紋。由圖8(b)和圖8(c)可知，碳纖維在混凝土中無序交錯分布，被水泥漿體緊密包裹，在混凝土內(nèi)部形成密實三維網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)，提高混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度，與2.1和2.2節(jié)中的試驗結(jié)果相符。由圖8(d)可以看到，碳纖維橫跨兩條主裂紋，在外力作用下，混凝土內(nèi)部的界面微裂縫尖端成為應(yīng)力集中位置，當(dāng)應(yīng)力超過強度，微裂縫開始沿混凝土中的最薄弱區(qū)[10]——水泥石與集料界面擴展，并隨荷載增大而蔓延到水泥漿基體中。此時，碳纖維的存在特別是橫跨裂縫兩端的碳纖維可起到承擔(dān)拉應(yīng)力、阻礙裂縫擴展的作用，提升了混凝土的抗壓強度，與2.2節(jié)中的試驗結(jié)果相符。

由圖8(e)和圖8(f)可以看出，由于碳纖維的體積摻量增大，碳纖維沒有充分分散，碳纖維與混凝土基體的界面結(jié)合層不產(chǎn)生反應(yīng)，水灰比和孔隙率較高，甚至產(chǎn)生了酥松的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，形成界面薄弱區(qū)，導(dǎo)致混凝土的抗壓強度逐漸降低[11]，這與2.1節(jié)的試驗結(jié)果相符。但是，隨著碳纖維的體積摻量增加，纖維增強方向上分布的碳纖維數(shù)量有所提高，碳纖維在基體內(nèi)部有效減緩裂紋尖端的應(yīng)力集中，提高混凝土的劈裂抗拉強度。D-5組的碳纖維的體積摻量最高，所以其劈裂抗拉強度最高，為3.21MPa，這與2.2節(jié)的試驗結(jié)果相符。

2.4 碳纖維輕骨料混凝土的氣孔結(jié)構(gòu)試驗分析

2.4.1 碳纖維輕骨料混凝土的氣孔特征參數(shù)分析

碳纖維輕骨料混凝土氣孔結(jié)構(gòu)分析試驗結(jié)果見表5，由表可以看出，隨著碳纖維的體積摻量的增加，混凝土的含氣量呈現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢，D-1組混凝土的含氣量最低，與D組相比含氣量降低了11.59%，D-5組的含氣量最高，為53.37%，與D組相比增加了19.19%。因為碳纖維的彈性模量較混凝土的高，摻入混凝土內(nèi)部可以有效抑制混凝土早期的干縮開裂，降低孔隙率，抑制內(nèi)部微小裂縫的產(chǎn)生和擴展，從而提高混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度；但是當(dāng)碳纖維的體積摻量過多時會使含氣量增大，降低混凝土的抗壓強度，這與2.1和2.2節(jié)中的試驗結(jié)果相符。

碳纖維輕骨料混凝土氣孔結(jié)構(gòu)分析試驗結(jié)果 表5

孔隙比表面積[12]是描述混凝土孔隙大小的指標(biāo)。含氣量相同時，孔隙個數(shù)越多，平均孔隙直徑越小，孔隙比表面積就會越大。從表5可以看出，隨著碳纖維的體積摻量的增加，孔隙比表面積整體上呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，但是都高于未摻碳纖維時，主要是由于D組未摻碳纖維的混凝土中的小孔隙和中孔隙較多。隨著碳纖維的體積摻量的增加，孔隙間距系數(shù)呈現(xiàn)先減小再增大再減小的趨勢，與含氣量的變化規(guī)律相反，這是由于含氣量的減小必然導(dǎo)致孔隙間距系數(shù)的增大。

2.4.2 碳纖維輕骨料混凝土氣泡弦長頻率分析

我國著名科學(xué)家吳中偉[13]在 1973 年提出混凝土孔級劃分，將孔徑分為四個等級。這里將孔徑分為小孔隙(<0.05mm)、中孔隙(0.05～0.10mm)、大孔隙(0.10～0.50mm)和超大孔隙(>0.5mm)進行分析研究。

表6為碳纖維輕骨料混凝土氣泡弦長頻率分析試驗結(jié)果，可以看出：摻入碳纖維，可以提升小孔隙和中孔隙的出現(xiàn)頻率，降低大孔隙和超大孔隙的出現(xiàn)頻率。與基準(zhǔn)組相比，D-1組的小孔隙頻率提升了25.8%，中孔隙頻率提升了1.32%，大孔隙頻率降低了13.47%，超大孔隙頻率降低了13.63%，其孔隙分布較其他組最優(yōu)，所以其抗壓強度最高，與2.1節(jié)中試驗結(jié)果相符。由表6可得，摻入碳纖維可以降低混凝土大孔隙和超大孔隙的出現(xiàn)頻率，促進混凝土中的超大孔隙和大孔隙向小孔隙和中孔隙轉(zhuǎn)化。

碳纖維輕骨料混凝土氣泡弦長頻率分析試驗結(jié)果/% 表6

唐路平[14]在并聯(lián)多孔體模型基礎(chǔ)上推導(dǎo)出多孔材料強度與孔徑分布的關(guān)系，提出當(dāng)材料的孔隙率相同時，大孔隙越多強度越低，適當(dāng)增加小孔隙的比例，可以延緩有效面積率的減小。由表6可以看出，D-1組混凝土的小孔隙和中孔隙的頻率較D組增加了61.62%，所以D-1組混凝土的立方體抗壓強度比D組高。到D-2組之后，雖然其小孔隙和中孔隙的頻率比D組高，但是因其碳纖維的體積摻量的增大，其碳纖維與混凝土基體的界面薄弱區(qū)增多，孔隙率變大，所以其抗壓強度較D組低，這與2.1節(jié)中的試驗結(jié)果相符。

2.4.3 基于灰色理論下碳纖維輕骨料混凝土氣泡與抗壓強度的關(guān)系研究

根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)度原理，設(shè)混凝土的抗壓強度為母序列Y1，含氣量、孔隙比表面積、孔隙間距系數(shù)、氣泡的平均弦長、0～0.05mm弦長、0.05～0.10mm弦長、0.10～0.50mm弦長、0.50～4.00mm弦長為子序列，記為：X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8。計算得到的關(guān)聯(lián)度如表7所示。

關(guān)聯(lián)度 表7

由灰色關(guān)聯(lián)度結(jié)果(表7)可知：碳纖維輕骨料混凝土的28d抗壓強度與氣泡參數(shù)的灰色關(guān)聯(lián)度由大到小排序為：氣泡的平均弦長>含氣量>孔隙間距系數(shù)>孔隙比表面積，不同弦長頻率與抗壓強度的灰色關(guān)聯(lián)度由大到小排序為：0.10～0.50mm弦長>0.05～0.10mm弦長>0.50～4.00mm弦長>0.00～0.05mm弦長。氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)中影響混凝土強度的最主要因素是氣泡的平均弦長，氣泡弦長中0.10～0.50mm弦長的氣泡是影響混凝土強度的最主要因素。

3 結(jié)論

(1)在本試驗條件下，碳纖維的體積摻量為0.3%的碳纖維混凝土的抗壓性能達到最優(yōu)。即當(dāng)碳纖維的體積摻量為0.3%時，其28d抗壓強度提高了10.28%，混凝土的抗壓強度明顯提高，優(yōu)于基準(zhǔn)組；碳纖維的體積摻量大于0.6%時，會導(dǎo)致抗壓強度下降。并且碳纖維的摻入明顯提高混凝土的抗拉性能，改善混凝土的脆性破壞。

(2)適量碳纖維在混凝土內(nèi)部形成密實三維網(wǎng)狀空間結(jié)構(gòu)，有效抑制混凝土內(nèi)部微裂縫的產(chǎn)生和擴展；但是隨著碳纖維的體積摻量的增大，碳纖維與混凝土基體界面形成界面薄弱區(qū)，降低混凝土的力學(xué)性能。

(3)碳纖維的摻入可以改變混凝土的含氣量，相較基準(zhǔn)組，D-1組的含氣量降低了11.59%；使混凝土內(nèi)部的超大孔隙向小孔隙和中孔隙轉(zhuǎn)化，改善混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)。

(4)氣孔結(jié)構(gòu)參數(shù)中影響混凝土強度的最主要因素是氣泡的平均弦長，氣泡弦長中0.10～0.50mm弦長的氣泡是影響混凝土強度的最主要因素。