預埋碳纖維網增強水泥混凝土梁性能試驗研究*

雷小磊， 黃國棟， 崔玉龍

(安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

目前，雖然國內外學者對增強混凝土材料的抗裂與抗折性能進行了深入研究，取得了一定的進展，但仍存在一系列問題。例如，尚建麗[1]等采用鋼纖維增強混凝土材料的抗裂與抗折性能。雖然鋼纖維的摻入可以提高混凝土材料的抗折與抗裂性能，但鋼纖維的價格高，容易腐蝕，而且腐蝕后的鋼纖維體積增大，反而進一步加速了混凝土中裂縫的形成與擴展。劉秋美[2]等采用聚丙烯纖維增強混凝土材料性能。研究表明，聚丙烯纖維的摻入僅能略微改善混凝土材料的抗裂與抗折性能，這主要由于聚丙烯纖維自身抗拉強度不高，導致其改善作用不明顯。因此，研發一種新型纖維材料，顯著提高混凝土材料的抗拉與抗裂性能，同時自身又不存在缺陷，對混凝土材料在建筑工程領域中的應用具有重大意義。

碳纖維材料具有高強度、高模量的"外柔內剛"特性，質量很輕，但抗拉強度遠高于鋼材。它還具有密度低、比性能高，無蠕變，耐疲勞與耐腐蝕的特點。因此，將碳纖維復合材料應用于混凝土材料中將有助于改善混凝土材料抗裂與抗折性能的不足[3-5]，開展對這種復合材料的研究，為解決混凝土抗裂性與抗彎性不足的問題帶來了轉機。通過預埋碳纖維網的方法改善混凝土梁的抗裂與抗折性能，著重分析碳纖維網的密度、布置層數與預埋位置對改善混凝土梁的改善作用，最終獲得最佳的增強效果。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 碳纖維編織網與碳纖維短切絲

采用的碳纖維束由河北滄州中麗新材料科技有限公司生產，其產品性能參數如表1所示。

碳纖維編織網由單束碳纖維束編織而成，網格尺寸采用密度為60mm×60mm的碳纖維網，其布置形式如圖1所示。在距小梁上表面分別為25mm，50mm，75mm，100mm與125mm的不同位置布置碳纖維網，檢驗碳纖維網的布置位置對混凝土小梁抗折能力的改善作用。對于碳纖維網結點的處理，為了確保碳纖維網能夠在混凝土小梁內形成整體并均衡受力，采用碳纖維束將碳纖維網結點進行綁扎，同時在碳纖維網邊界結點外各伸出15mm，以保護結點[6]。采用單層與雙層形式分別布設碳纖維網，檢驗不同層數的碳纖維網對混凝土小梁抗折能力的改善作用。

圖1 碳纖維網格形式(60 mm×60 mm)

1.1.2 混凝土材料

采用安徽舜岳水泥有限責任公司所生產的P·O42.5普通硅酸鹽水泥，其性能符合國家通用硅酸鹽水泥(GB175-2007)的標準[7]。試驗用細骨料為中粗河砂，細度模數為2.7。粗骨料為碎石，飽和面干狀態，連續級配，粒徑范圍5-20 mm。試驗用水為普通自來水。

1.2 試驗方法

1.2.1 混凝土配合比

混凝土配合比如表2所示。A-1組未加入碳纖維網，為素混凝土對照組。B-1至B-5組通過在混凝土小梁試件梁體的不同位置布置單層60mm×60mm的碳纖維網，C-1至C-4組通過在混凝土小梁試件梁體的不同位置布置雙層60mm×60mm的碳纖維網，研究同一規格密度碳纖維網在距小梁梁體上表面的不同位置對混凝土梁抗折能力的增強作用，從而得到碳纖維網在混凝土梁內最佳的層布方式，通過布置單層及雙層碳纖維網，綜合分析研究碳纖維網對混凝土小梁抗折性能的增強效果。

1.2.2 混凝土梁試件的制備與養護

試驗設計的混凝土梁尺寸為150mm×150mm×550 mm，其配合比如表2所示。參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2002)制備并養護混凝土梁試件[8]?；炷恋闹苽浞椒ㄒ訡-2組為例，首先將單束碳纖維束編織成網格尺寸密度為60mm×60mm的碳纖維網，與混凝土梁等長等寬。按照表2中配合比將混凝土攪拌后準備澆筑試件?；炷亮簼仓r先將模具放在振動臺上，澆筑一層混凝土并振搗密實，在預定位置(距底面25mm)放入第一層碳纖維網。然后繼續加入混凝土并振搗密實，在預定位置(距底面100mm)放入第二層碳纖維網，最后加滿混凝土并將試件振搗密實。試件制備完成后立即放入養護室，待養護24h進行拆模，待試件養護至試驗設計的7d、14d、28d與60d齡期時進行抗折性能試驗。養護室的溫度保持在20±2℃，相對濕度在95%以上。

表2 混凝土配合比 kg/m3

1.2.3 混凝土梁抗折性能試驗

試驗參照《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T50081-2002)方法采用WAW-1000型微機控制電液伺服萬能試驗機對混凝土梁進行加載，加載速度0.05-0.08MPa/s[9-10]。加載方式采用三分點加荷測試混凝土梁7d、14d、28d與60d抗折強度，精度為0.01MPa，測試結果取三個試件的平均值。

圖2 碳纖維網位置增強混凝土梁抗折性能

2 試驗結果與分析

2.1 碳纖維網布置位置對混凝土梁的增強效果

單層碳纖維網預埋位置對混凝土梁抗折性能的增強作用如圖2所示?？梢钥闯?，當碳纖維網布置在距上頂面25mm時，試件B-1養護7d的抗折強度達到1.36MPa，比試件A-1提高了20.4%，養護14d時抗折強度達到3.44MPa，比試件A-1提高了6.8%。試件B-4(距上頂面100mm) 養護7d的抗折強度達到了1.60MPa，比試件B-1提高了17.6%，養護14d時抗折強度達到4.13MPa，比試件B-1提高了20.1%。而試件B-5(距上頂面125mm)養護7d與14d的抗折強度分別達到1.57MPa與4.01MPa，比試件B-4分別降低了1.9%與2.9%。由此得出，隨著碳纖維網布置位置距上頂面距離的不斷增大，碳纖維網的增強效果也逐漸增大。當碳纖維網布置在距上頂面100mm時，試件B-4養護7d、14d、28d與60d的抗折強度分別達到1.60MPa、4.13MPa、4.59MPa與5.01MPa，是本組試驗中強度增加最高的一組?？梢钥闯?，碳纖維網距混凝土梁上表面距離越大，抗折強度提升效果越明顯。這是因為混凝土梁在受力過程中，梁上表面主要承受壓力，而下表面主要承受拉力，而碳纖維網預埋在混凝土梁的下部可以更好的與下表面混凝土共同承擔拉力，防止下表面混凝土由于抗拉強度的不足發生破壞，從而提高了混凝土梁的抗折強度。然而，當距離超過100mm時出現了小幅度的下降。這是由于預埋在混凝土中的碳纖維網具有一定的保護層，因此，根據混凝土梁的尺寸，碳纖維網距上表面最大距離為125mm，無法通過繼續增大碳纖維網與混凝土梁上表面的距離來繼續增大碳纖維網的增強效果[11-12]。所以，通過預埋單層碳纖維網的方法能有效提升碳纖維網的增強效果。

圖3 碳纖維網層數增強混凝土梁抗折性能

2.2 碳纖維網布置層數對混凝土梁的增強效果

雙層碳纖維網對混凝土梁抗折性能的增強作用如圖3所示?？梢钥闯?，當雙層碳纖維網分別布置在距上頂面25mm與125mm時，試件C-1養護7d的抗折強度達到2.06MPa，比試件B-1(單層25mm)和試件B-5(單層125mm)分別提高了51.5%與31.2%。試件C-2養護14d的抗折強度達到4.35MPa，比試件B-1和試件B-5分別提高了18.5%與8.5%。這說明雙層碳纖維網的增強效果優于單層碳纖維網，但提升的幅度并不呈線性遞增分布。這是由于第一層碳纖維網距混凝土梁上表面較近，而混凝土梁上表面主要承受壓力，沒有充分發揮出碳纖維網的抗拉作用。隨著雙層碳纖維網距混凝土梁上表面的距離不斷增大，其增強幅度也不斷提升。當雙層碳纖維網分別布置在距上頂面100mm與125mm時，試件C-4養護7d的抗折強度達到2.58MPa，比試件B-4與B-5分別提高了61.3%與64.3%，試件C-4養護14d與28d的抗折強度分別達到5.18MPa與5.75MPa，比試件B-4分別提高了25.4%與25.3%，比試件B-5分別提高了29.2%與28.9%，提升效果在本組試驗中最為顯著。通過對圖2和圖3(a)的分析，可以看出，設置雙層碳纖維網對混凝土梁抗折強度的提升明顯優于單層碳纖維網，而且合理布置雙層碳纖維網的位置對其提升效果具有很大影響?？紤]到現場的實際施工，雙層布置碳纖維網將會給混凝土梁的施工帶來不便，造成施工工序復雜。

3 結 論

在混凝土梁內預埋高強度碳纖維網可以顯著提升混凝土梁的抗折性能，當選用的碳纖維網密度為60mm×60mm，預埋碳纖維網距混凝土梁上表面的距離越大，其增強效果越明顯。當碳纖維網距混凝土梁上表面的距離為100mm時,增強效果達到最佳。而且同時摻入雙層碳纖維網的增強效果明顯優于單層。當雙層碳纖維網距混凝土梁上表面的距離為100 mm與125 mm時,增強效果達到最佳。