碳纖維長度對再生混凝土力學性能的影響分析

崔永升

（山東省菏澤市牡丹區公路事業發展中心養護科，山東 菏澤 274000）

0 引言

近年來，我國在建設新建筑和拆除舊建筑時產生的廢棄混凝土被大量運用到混凝土制備中，較大程度地解決了廢料堆棄和環境污染問題[1-2]。但再生混凝土存在強度低、吸水率高及空隙大等缺點，相對于傳統混凝土，在實際工程應用中還存在很大局限性。因此，如何有效提升再生混凝土的整體性能已成為當前研究的重要課題[3-4]。

目前，國內外學者針對纖維增強再生混凝土的性能展開了大量研究，如：王偉等[5]研究了纖維摻量對混凝土開裂強度和極限抗壓強度的影響，揭示了纖維混凝土在局部受壓條件下的破壞機理，基于拉-壓桿模型得到了帶孔纖維增強混凝土局部受壓承載力提高系數；郭光玲[6]研究了不同鋼纖維摻量下，單一混凝土試件和鋼纖維增強混凝土試件的力學性能指標，發現鋼纖維能夠有效增強混凝土性能，提高混凝土韌性，防止裂縫出現；張常安[7]通過在混凝土中添加鋼纖維、玻璃纖維、聚丙烯單絲纖維以及聚丙烯網狀纖維，研究了4種纖維對混凝土的工作性能和力學性能的影響規律，得出每種纖維最佳摻量；劉逸等[8]研究了不同玄武巖纖維體積摻量對再生粗骨料取代率為50%的玄武巖纖維再生混凝土抗壓強度和早期抗開裂性能的影響，并與普通混凝土進行了對比分析。上述研究主要集中在纖維摻量或種類對再生混凝土性能的影響，而關于纖維參數對再生混凝土性能的影響還有待進一步完善?；诖?，本文選取碳纖維作為研究對象，通過室內對比試驗，研究了不同碳纖維長度對再生混凝土力學性能的影響規律，以期為再生混凝土的性能提升提供參考。

1 試驗原材料

（1）水泥

水泥采用P·O42.5R級普通硅酸鹽水泥，其性能指標如表1所示。

表1 水泥性能指標

（2）粗骨料

天然粗骨料采用石灰巖碎石，粒徑為2～20mm，再生骨料采用廢棄混凝土塊，經破碎、清洗及篩分處理后得到粒徑為5～25mm粗骨料，其性能指標如表2所示。

（3）細骨料

細集料為人工水洗中砂，其表觀密度為2.63g/cm3，含泥量為0.7，空隙率為42.3%，細度模數為2.7。

（4）纖維

纖維選用長度分別為3mm,6mm和9mm的無膠短切碳纖維。

（5）減水劑

減水劑采用粉末狀聚羧酸高效減水劑，減水率在30%以上。

（6）水

拌和水采用符合要求的自來水。

2 試驗方案及配合比設計

2.1 試驗方案

根據《普通混凝土力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2016）的要求測試不同碳纖維長度再生混凝土試件的力學性能。試件均采用150mm×150mm×150mm的標準立方體，采用200t萬能試驗機進行軸心受壓試驗，標準養護周期為7d,14d和28d。碳纖維長度分別為3mm,6mm和9mm，設置未摻碳纖維試件為參照組，試驗分4組進行，每組6個試件，共計24個試件，研究不同碳纖維長度對再生混凝土抗壓強度和劈裂抗拉強度的影響規律。為保證計算結果的準確性，每組試件進行3次測試，計算結果取平均值。

2.2 配合比設計

本文主要研究碳纖維長度對再生混凝土力學性能的影響，試件配合比設計中水灰比為0.45，碳纖維摻量為0.12%，再生骨料摻量為50%。以上參數保持不變，采用未摻碳纖維試件和所摻碳纖維長度分別為3mm,6mm,9mm的試件，通過抗壓強度試驗和劈裂抗拉強度試驗來評價不同齡期再生混凝土的力學性能，其配合比設計如表3所示。

表3 再生混凝土配合比設計

3 再生混凝土力學性能分析

為研究碳纖維長度對再生混凝土力學性能的影響，分別測試不同碳纖維長度再生混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度，并針對齡期為7d,28d的再生混凝土力學性能進行對比分析，具體分析過程如下。

3.1 抗壓強度

通過對未摻碳纖維及碳纖維長度分別為3mm,6mm,9mm的再生混凝土進行抗壓強度試驗，得到不同碳纖維長度的再生混凝土抗壓強度變化曲線，如圖1所示。

圖1 纖維長度—抗壓強度變化曲線

根據圖1可知，摻入不同長度的碳纖維后，再生混凝土的抗壓強度均有所提升，說明不同長度碳纖維均可增強再生混凝土的抗壓強度。對于齡期為7d的混凝土試件，未摻碳纖維的混凝土抗壓強度為31.2MPa，摻入3mm碳纖維的混凝土抗壓強度為35.4MPa，增強了13.5%，摻入6mm碳纖維的混凝土抗壓強度為34.1MPa，增強了9.3%，摻入9mm碳纖維的混凝土抗壓強度為33.5MPa，增強了7.4%，其中碳纖維長度為3mm的混凝土抗壓強度增強效果較好。對于齡期為28d的混凝土試件，未摻碳纖維的混凝土抗壓強度為37.3MPa，摻入3mm碳纖維的混凝土抗壓強度為41.7MPa，增強了11.8%，摻入6mm碳纖維的混凝土抗壓強度為46.2MPa，增強了23.9%，摻入9mm碳纖維的混凝土抗壓強度為43.4MPa，增強了16.3%，其中碳纖維長度為6mm的混凝土抗壓強度增強效果較好。由此可見，3mm碳纖維有助于增強再生混凝土的前期抗壓強度，而6mm碳纖維有助于增強再生混凝土的后期抗壓強度。

3.2 劈裂抗拉強度

通過對未摻碳纖維及碳纖維長度分別為3mm,6mm,9mm的再生混凝土進行劈裂抗拉強度試驗，得到不同碳纖維長度的再生混凝土劈裂抗拉強度變化曲線，如圖2所示。

根據圖2可知，摻入不同長度的碳纖維后，再生混凝土的劈裂抗拉強度均有所提升，說明不同長度碳纖維均可增強再生混凝土的劈裂抗拉強度。對于齡期為7d的混凝土試件，未摻碳纖維的混凝土劈裂抗拉強度為3.1MPa，摻入長度為3mm,6mm及9mm碳纖維的再生混凝土劈裂抗拉強度分別為3.1MPa,3.2MPa和3.4MPa，其中9mm碳纖維再生混凝土的劈裂抗拉強度增幅相對顯著。對于齡期為28d的混凝土試件，未摻碳纖維的混凝土劈裂抗拉強度為3.3MPa，摻入3mm碳纖維的混凝土劈裂抗拉強度為3.5MPa，增強了6%，摻入6mm碳纖維的混凝土劈裂抗拉強度為3.8MPa，增強了15.2%，摻入9mm碳纖維的混凝土劈裂抗拉強度為3.6MPa，增強了9.1%，其中碳纖維長度為6mm的混凝土抗壓強度增強效果較好。由此可見，9mm碳纖維有助于增強再生混凝土的前期劈裂抗拉強度，而6mm碳纖維有助于增強再生混凝土的后期劈裂抗拉強度。

圖2 纖維長度—劈裂抗拉強度變化曲線

4 結論

本文通過對比分析不同碳纖維長度對再生混凝土抗壓強度及劈裂抗拉強度的影響規律，得到以下主要結論：

（1）不同長度碳纖維均可增強再生混凝土的抗壓強度。對于齡期為7d的混凝土試件，長度為3mm的碳纖維對混凝土抗壓強度的增強效果較好；對于齡期為28d的混凝土試件，長度為6mm的碳纖維對混凝土抗壓強度增強效果較好。

（2）不同長度碳纖維均可增強再生混凝土的劈裂抗拉強度。對于齡期為7d的混凝土試件，9mm碳纖維的再生混凝土劈裂抗拉強度增幅相對顯著；對于齡期為28d的混凝土試件，長度為6mm的碳纖維對混凝土抗壓強度的增強效果較好。

（3）綜合來看，采用長度為6mm的碳纖維有助于同時增強再生混凝土的抗壓強度和劈裂抗拉強度，對于再生混凝土力學性能的改善效果顯著。