趙偉，李峰

(1.西安交通工程學(xué)院，土木工程學(xué)院，西安 710300；2.西北工業(yè)大學(xué)，力學(xué)與土木建筑學(xué)院，西安 710300)

0 引言

混凝土在建筑領(lǐng)域?qū)儆谝环N重要的承重材料，可將其與鋼筋或經(jīng)過預(yù)應(yīng)力處理鋼絞線共同組成為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)來提升整體力學(xué)性能[1-2]。混凝土存在明顯脆性，同時斷裂過程能耗也較低，雖然可以利用混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土滿足靜態(tài)載荷的使用要求，但依然無法滿足極端載荷條件下承載性能[3-5]。

到目前為止，只有少數(shù)文獻(xiàn)報道了單絲態(tài)碳纖維增強(qiáng)混凝土(CFRC)動態(tài)抗彎特性的相關(guān)內(nèi)容[6-8]。還有一些研究人員在水泥基質(zhì)中添加適當(dāng)含量的單絲態(tài)碳纖維獲得碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料(CFRCCs)并對其各項性能進(jìn)行了綜合分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該材料能夠同時具有抗沖擊、優(yōu)異導(dǎo)電性等性能[9-10]。從表面接觸層面分析，碳纖維具備較強(qiáng)的憎水性，并且密度也比水泥砂漿更小，無法實現(xiàn)碳纖維和水泥之間的相互融合分散。如何實現(xiàn)碳纖維的均勻分散逐漸成為學(xué)者研究熱點。Gao等人[11]研究了不同混合方法對 CFRCCs 的影響，比較了 2～5 mm短切碳纖維和水泥兩者的相對加料順序，提出碳纖維提前于水泥的加料法所得試件的均勻分散平均面積更高。此外，Chuang等人[12]提出了制備 CFRCCs的三步分散法和六步分散法，對比了三種分散劑對5～7 mm長度短切碳纖維分散的作用，其中羥乙基纖維素(Hydroxyethyl Cellulose, HEC)對碳纖維的分散效果最好。

根據(jù)以上研究結(jié)果，通過分散劑制備16 mm碳纖維增強(qiáng)混凝土梁，能夠使混凝土內(nèi)碳纖維達(dá)到良好分散的形態(tài)，進(jìn)而通過實驗測試研究了其落錘沖擊性能。

1 材料與方法

1.1 材料與主要設(shè)備

本實驗選擇TZ300(24K)聚丙烯腈(PAN)碳纖維，其長度可達(dá)16 mm，各項物理力學(xué)性能參數(shù)見表1[13]，同時加入羥乙基纖維素(HEC)進(jìn)行分散，控制黏度為30 000 Pa·s；利用磷酸三丁酯實現(xiàn)液體消泡功能，再以聚羧酸(PCA)進(jìn)行減水；選擇PO42.5硅酸鹽水泥作為膠凝；粗骨料采用粒徑尺寸接近5 mm的石子；細(xì)骨料采用粒徑尺寸在2.5 mm以內(nèi)的河砂。

表1 碳纖維物理力學(xué)屬性

試件制備需要的儀器包括可以對碳纖維預(yù)分散處理的KQ250E型超聲振動儀，該設(shè)備由昆山超聲儀器企業(yè)制造，以及邁方儀器設(shè)備制造的JJ-5型水泥膠砂攪拌機(jī)與60 L型單臥結(jié)構(gòu)混凝土攪拌機(jī)。

1.2 試件配比

將試件梁尺寸設(shè)置在400 mm×100 mm×100 mm。配制得到的素混凝土中水泥∶水∶細(xì)骨料∶粗骨料：高效減水劑按照質(zhì)量比為1∶0.6∶1.7∶3∶0.002的條件進(jìn)行。CFRC梁中除包含以上各成分外，還加入了五種體積比的碳纖維，范圍在0.20%～0.40%之間。表2給出了該試件配比參數(shù)。

表2 CFRC試件配比參數(shù)

1.3 落錘沖擊試驗

本實驗在圖1所示的INSTRON-9350落錘試驗機(jī)上完成，可以達(dá)到最大錘頭速率是20 m/s。保持低速沖擊狀態(tài)，錘頭通過自由落體方式進(jìn)行加速。設(shè)定落錘質(zhì)量等于20.5 kg，以20 mm外徑的半球形錘頭和力傳感器相連，再以鋼制結(jié)構(gòu)制備錘頭。沖擊處理時，落錘測試機(jī)利用力傳感器采集落錘沖擊載荷，保持采集頻率20 kHz。表3給出了對各工況進(jìn)行測試的結(jié)果。各工況下分別對3個試件進(jìn)行測試，獲得的均值作為最終數(shù)據(jù)。

圖1 落錘沖擊試驗系統(tǒng)

表3 CFRC梁沖擊斷裂耗能結(jié)果

2 結(jié)果分析

2.1 結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析及斷裂過程

圖2給出了采用錘頭力傳感器測試加入不同比例碳纖維條件下的CFRC梁沖擊載荷變化曲線。各工況下形成的沖擊時程曲線都是對3個同樣試件進(jìn)行沖擊得到的時程曲線均值。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，加入不同比例的碳纖維制得的試件沖擊時程曲線基本一致。

圖2 不同碳纖維摻雜量CFRC梁沖擊力時程

根據(jù)拉、壓應(yīng)變曲線的變化趨勢分析試件梁受到低速沖擊載荷作用時的響應(yīng)情況。圖3給出了CFRC梁斷裂破壞拉、壓應(yīng)變過程。根據(jù)圖3可知，對試件梁進(jìn)行拉、壓應(yīng)變測試，控制摻量等于0.35%，落錘質(zhì)量為20.5 kg，保持沖擊速度2.4 m/s，總共包括三個不同的階段。CFRC梁在初始沖擊階段上部與下部分別形成壓應(yīng)力與拉應(yīng)力，形成了更明顯的拉、壓應(yīng)變對稱程度。

圖3 CFRC梁斷裂破壞拉、壓應(yīng)變過程

2.2 斷裂耗能分析

表3給出了各工況下CFRC梁的裂縫從初始位置擴(kuò)展到頂端區(qū)域所需的時間及其產(chǎn)生的最大豎向位移。通過分析發(fā)現(xiàn)，摻入不同體積比的試件梁形成了相近的裂縫擴(kuò)展時間(基本都在0.6 ms附近)；而當(dāng)碳纖維摻入量上升后則會引起豎向位移最大值明顯提高的現(xiàn)象。綜合考慮試件梁裂縫擴(kuò)展時間以及最大豎向位移可知，在碳纖維體積比低于0.35%的條件下，提高混凝土內(nèi)的碳纖維比例后，CFRC梁依然可以保持恒定的裂縫擴(kuò)展時間，而混凝土韌性則呈現(xiàn)明顯增強(qiáng)的特征。混凝土韌性是在沖擊階段當(dāng)CFRC梁達(dá)到接近0的廣義變形力時，梁形成的跨中豎向位移。而當(dāng)碳纖維加入的體積比大于0.35%之后，CFRC梁發(fā)生了最大豎向位移vmax快速降低的結(jié)果。根據(jù)以上分析可以確定碳纖維加入最優(yōu)體積比是在0.35%。

圖4是在加入體積比0.35%的CFRC時形成的梁斷面微觀形貌。此時形成了長度基本為微米級的拔出形態(tài)碳纖維，同時還可以發(fā)現(xiàn)碳纖維拔出后產(chǎn)生了很長的凹槽，可以推斷此時已經(jīng)形成了更長混凝土凹槽拔出狀態(tài)的碳纖維。根據(jù)圖4可知，此時拔出態(tài)碳纖維比斷裂碳纖維更多，因此當(dāng)CFRC梁受到?jīng)_擊作用發(fā)生破壞后，碳纖維可以通過拔出方式來增強(qiáng)抗沖擊效果[14]。碳纖維形成團(tuán)簇形態(tài)后將會減小與混凝土的黏結(jié)作用。經(jīng)載荷沖擊后，碳纖維體積比達(dá)到0.40%時形成了明顯的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)，之后通過裂后橋接減弱CFRC梁韌性改善效果。

圖4 0.35%碳纖維CFRC梁斷面SEM圖像

圖5給出了加入不同體積比的碳纖維時測試CFRC梁斷裂過程所消耗的能量。當(dāng)加入0.35%的碳纖維時，CFRC梁獲得了最大斷裂耗能，達(dá)到10.8 J，接近素混凝土梁斷裂過程能耗的2.4倍。

圖5 CFRC梁梁斷裂耗能分布

3 結(jié)論

測試了不同量16 mm碳纖維增強(qiáng)混凝土梁落錘沖擊性能。主要結(jié)論如下：

(1)加入不同比例的碳纖維時制得的試件沖擊時程曲線基本一致。CFRC梁在初始沖擊階段上部與下部分別形成壓應(yīng)力與拉應(yīng)力，形成了更明顯的拉、壓應(yīng)變對稱程度。

(2)在碳纖維體積比低于0.35%的條件下，提高混凝土內(nèi)的碳纖維比例后，CFRC梁依然可以保持恒定的裂縫擴(kuò)展時間，而混凝土韌性則呈現(xiàn)明顯增強(qiáng)的特征。此時拔出態(tài)碳纖維比斷裂碳纖維更多，增強(qiáng)抗沖擊效果，獲得了最大斷裂耗能。