碳化環境下碳纖維-混凝土復合材料的耐久性分析?

畢 磊 劉 源

（1.陜西職業技術學院建筑工程學院，西安 710038； 2.中國建筑西北設計研究院結構技術研究中心，西安 710018）

混凝土是當前使用最為廣泛的材料之一，由于混凝土所處的環境較為惡劣和復雜，不少學者通過數值模型和試驗方法分析研究在碳化環境下的混凝土性能變化。在數值模型方面，許多研究者通過混凝土的水灰比、配合比和環境因素等因素，建立了混凝土的碳化模型，并且根據實測的實驗數據驗證了模型的有效性[1-9]。數值模型方法盡管能夠較為方便地計算分析出碳化環境下混凝土的性能演變規律，但該方法的基礎主要還是基于試驗數據，即通過大量的試驗得出混凝土的變化規律，在此基礎上進行擬合或修正計算?？梢?，不同的試驗對模型的影響較大，試驗方法是分析混凝土性能演變規律的最佳方法。

在試驗方法方面，以往的研究采用礦物摻合料：如粉煤灰、硅灰、礦渣等，纖維類材料：如聚丙烯纖維和鋼纖維等，來制備高性能混凝土，提高混凝土的耐久性性能[10-24]。結果表明，該方法能夠有效提高混凝土的上述性能，但由于混凝土所處環境往往較為復雜多樣，如碳化環境、鹽酸環境和硫酸環境等，因此需要進一步分析腐蝕環境下的混凝土耐久性性能變化。目前被廣泛運用于提高混凝土耐久性性能的纖維材料除了上述所示的聚丙烯纖維和鋼纖維外還有聚乙烯纖維、碳纖維等[25-27]。其中，在相同摻量下，碳纖維對材料的性能改進效果好[28]，在混凝土材料中的效果強于聚乙烯纖維和聚丙烯纖維[29-35]。但在碳化環境下，碳纖維-混凝土的最佳摻量及性能變化規律研究較少。

從已有的研究成果可以得出，活性碳纖維對混凝土的耐久性性能的提升效果要好于礦物摻合料及大部分纖維類材料。因此本文通過在混凝土中摻入不同含量的活性碳纖維來考察纖維摻量對混凝土抗碳化能力的影響。通過調整碳化養護試件和二氧化碳濃度，進一步分析這兩種因素對碳纖維-混凝土復合材料的影響，同時試驗探究這三種因素對混凝土的坍落度、含氣量和抗壓強度的影響變化規律。本研究可為高性能混凝土的設計及制備提供試驗依據。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料中的P.O. 52.5 水泥由貴陽如佳建材有限公司生產，其化學成分如表1 所示；粗/細骨料由鄭州中德澤潤建筑材料有限公司生產，其堆積密度分別約為1 480 kg/m3和1 630 kg/m3；碳纖維由河北富瑞復合材料有限公司生產，其抗拉強度約為2 500 MPa，剪切強度為60 MPa，彈性模量約為180 GPa，直徑約為8 μm，長度為12 mm；水為普通飲用水。根據上述材料，配制混凝土，其配合比如表2 所示。

表1 水泥化學組成Tab.1 Composition of cement

1.2 設備

TLD-A坍落度測試儀，上口直徑：100 mm，下口直徑：200 mm，高：300 mm，紹興市上虞湯圓嘉儀器制造有限公司；HC-7L含氣量測定儀，容積約為7L，含氣量量程小于10%，精度為0.1%，沈陽興路達檢測儀器有限公司；WDS-50 萬能力學試驗機，最大壓力為2 000 kN，上下承壓板尺寸220 mm×250 mm,上下壓板最大間距為320 mm，濟南萬測電氣設備有限公司。

1.3 試驗方法

為提高混凝土的耐久性能，在混凝土中分別摻入含量為0%、0.5%、1%和2%的碳纖維。根據GB50666—2011《混凝土結構工程施工規范》，按照表2 的配合比制備60 件標準混凝土試塊，即每組試驗3 塊試件。將制備好的試件放入碳化箱中分別進行碳化養護1 h和2 h，養護環境二氧化碳濃度分別為0%、20%、60%、80%和100%。然后分別根據GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》、GB50164—2011《混凝土質量控制標準》、GBJ204—83《鋼筋混凝土工程施工及驗收規范》測定坍落度、含氣量和抗壓強度。

表2 混凝土配方Tab.2 Composition ratio of concrete

2 結果與分析

2.1 坍落度變化趨勢

在混凝土中摻入含量為0%、0.5%、1%和2%的碳纖維，測試混凝土在不同碳化環境（0%、20%、60%、80%、100%）及不同養護時間（1、2 h）下坍落度的演變關系，結果如圖1 所示。由圖1 可見，在相同的二氧化碳濃度（100%）和相同的養護時間（1 h）下，當纖維摻量在0～1%之間時，隨著纖維摻量的增加，混凝土坍落度逐漸下降；而纖維摻量在1%～2%之間時，隨著纖維摻量的增加，混凝土的坍落度增加。如當無纖維時（0%），混凝土坍落度為94 mm；在纖維摻量為0.5%、1%、2%時，混凝土坍落度分別為88、85、87 mm。這主要是因為，一方面少量的纖維能夠填充混凝土內部之間的空隙，提高混凝土的密實度，降低混凝土的坍落度。但另一方面，過量的纖維會粘接在混凝土表面，使得混凝土的坍落度下降。因此，建議碳纖維的摻量為1%。

在相同的纖維摻量下，混凝土坍落度隨著二氧化碳濃度的增加而逐漸增加，并且隨著濃度的增加，混凝土坍落度的增長率也逐漸增加。如當纖維摻量為1%時，二氧化碳濃度為0%時，混凝土的坍落度為63 mm；在20%、60%、80%、100%的二氧化碳濃度下，混凝土坍落度分別為66、71、77、85 mm。這是因為在二氧化碳的侵蝕下，混凝土內部空隙被破壞，泡孔出現坍塌，造成混凝土的致密性下降，因此坍落度增加。對比圖1a和b可得，隨著二氧化碳養護時間的增加，混凝土坍落度也逐漸增加。如當纖維含量為1%時，二氧化碳濃度為100%時，養護1 h后的混凝土坍落度為85 mm；養護2 h后的混凝土坍落度為90 mm。這是因為隨著養護時間的增加，混凝土內部空隙被二氧化碳逐漸侵蝕，導致混凝土的密實性進一步下降，混凝土坍落度增加。

圖1 坍落度的變化趨勢Fig.1 Change trend of slump

2.2 含氣量變化趨勢

在混凝土中摻入含量為0%、0.5%、1%和2%的碳纖維，測試混凝土在不同碳化環境（0%、20%、60%、80%、100%）及不同養護時間（14、28 d）下含氣量的演變關系，結果如圖2 所示。由圖2 可知，在相同的二氧化碳濃度（100%）和相同的養護時間（14 d）下，當纖維摻量在0%～1%之間時，隨著纖維摻量的增加，混凝土的含氣量逐漸下降；而纖維摻量在1%～2%之間時，隨著纖維摻量的增加，混凝土含氣量增加。如當無纖維時（0%），混凝土含氣量為8.0%；在纖維摻量為0.5%、1%、2%時，混凝土含氣量分別為7.7%、7.4%、7.5%。這是因為纖維類材料具有活性，能夠促使混凝土內部的化學生成進展加速，從而提高混凝土的孔隙率，降低混凝土的含氣量。由上分析可知，碳纖維的較佳摻量為1%。

在相同的纖維摻量下，混凝土的含氣量隨著二氧化碳濃度的增加而逐漸增加，并且隨著濃度的增加，混凝土含氣量的增長率也逐漸增加。如當纖維摻量為1%時，二氧化碳濃度為0%時，混凝土含氣量為6.3%；在20%、60%、80%、100%的二氧化碳濃度下，混凝土含氣量分別為6.4%、6.6%、7.0%、7.4%。這是因為二氧化碳通過硬化混凝土細孔滲透到混凝土內，與其堿性物質發生化學反應后生成碳酸鹽和水，使混凝土堿性降低，含氣量增加。對比圖2a和圖2b可得，隨著二氧化碳養護時間的增加，混凝土含氣量也逐漸增加。如當纖維含量為1%時，二氧化碳濃度為100%時，養護14 d后的混凝土含氣量為7.4%；養護28 d后的混凝土含氣量為7.7%。這是因為隨著養護時間的增加，混凝土內部空隙被二氧化碳逐漸侵蝕，導致混凝土的密實性進一步下降，含氣量增加。

圖2 含氣量的變化趨勢Fig.2 Change trend of air content

2.3 抗壓強度變化趨勢

在混凝土中摻入含量為0%、0.5%、1%和2%的碳纖維，測試混凝土在不同碳化環境（0%、20%、60%、80%、100%）及不同養護時間（14、28 d）下的抗壓強度的演變關系，結果如圖3 所示。由圖3 可見，在相同的二氧化碳濃度（100%）和相同的養護時間（14 d）下，當纖維摻量在0%～1%之間時，隨著纖維摻量的增加，混凝土的抗壓強度逐漸上升；而纖維摻量在1%～2%之間時，隨著纖維摻量的增加，混凝土的抗壓強度下降。如當無纖維時（0%），混凝土的抗壓強度為35.9 MPa；當纖維摻量為0.5%、1%、2%時，混凝土的抗壓強度分別為37.2、39.6、38.9 MPa。這主要是因為，一方面纖維能夠填充混凝土內部之間的空隙，提高混凝土的抗壓強度。但另一方面，纖維本身無任何強度，過量的纖維會導致混凝土的抗壓強度下降。因此，碳纖維摻量以1%為佳。

圖3 抗壓強度的變化趨勢Fig.3 Change trend of compressive strength

在相同的纖維摻量下，混凝土的抗壓強度隨著二氧化碳濃度的增加而逐漸下降，混凝土抗壓強度的降低率也隨著濃度的增加而逐漸增大。如當纖維摻量為1%時，二氧化碳濃度為0%時，混凝土的抗壓強度為54.7 MPa；在20%、60%、80%、100%的二氧化碳濃度下，混凝土的抗壓強度分別為53.5、50.9、45.7、39.6 MPa。這是因為在二氧化碳的侵蝕下，混凝土內部空隙被破壞，泡孔出現坍塌，造成混凝土的致密性下降，抗壓強度增加。對比圖3a和圖3b可得，隨著二氧化碳養護時間的增加，混凝土抗壓強度逐漸降低。如當纖維含量為1%時，二氧化碳濃度為100%時，養護14 d后的混凝土抗壓強度為39.6 MPa；養護28 d后的混凝土抗壓強度為37.4 MPa。這是因為隨著養護時間的增加，混凝土內部空隙被二氧化碳逐漸侵蝕，導致混凝土的密實性進一步下降，抗壓強度隨之下降。

3 結論

本文通過調整碳纖維在混凝土中的摻入比例（0%、0.5%、1%和2%）、碳化環境（二氧化碳濃度0%、20%、60%、80%和100%）和養護時間，分析混凝土坍落度、含氣量和抗壓強度的變化規律，得出碳纖維摻量以1%為宜。采用上述比例制成碳纖維-混凝土復合材料在不同二氧化碳濃度和養護時間下的性能表現如下：

1）當碳纖維摻量在0%～1%之間時，隨著纖維摻量的增加，混凝土的坍落度和含氣量逐漸下降，抗壓強度逐漸上升。當碳纖維摻量超過1%時，纖維混凝土三種性能均呈現下降，比較而言，碳纖維摻量為1%時性能較好。

2）混凝土的坍落度、含氣量隨著二氧化碳濃度的增加而逐漸增加；抗壓強度則隨著二氧化碳濃度的增加逐漸下降?？梢姸趸紳舛葧黠@降低混凝土性能。

3）隨著混凝土的養護時間增加，混凝土的坍落度、含氣量逐漸增加；混凝土的抗壓強度逐漸下降?？梢?，在二氧化碳濃度下養護試件越久，對混凝土的侵蝕性能越強。