钢纤维和碳纤维混凝土力学性能的研究

摘要：研究了碳纤维和钢纤维混凝土的力学性能。结果表明，碳纤维混凝土的劈拉强度、断裂能和断裂韧性显著低于钢纤维混凝土;不同直径钢纤维混凝土的荷载～挠度曲线显示，微细钢纤维峰值前的作用大于较大直径钢纤维，而峰值后的作用则小于较大直径钢纤维。不同几何尺寸的钢纤维在混凝土中具有不同的作用效果，即钢纤维的增强作用具有显著的尺寸效应。

关键词：碳纤维 劈拉强度 断裂能 断裂韧性 钢纤维 尺寸效应

混凝土是当代应用最广泛的建筑材料，它具有易成型、能耗低、耐久性好、价格便宜以及与钢材复合可制成各种承重结构的优点。但混凝土的自重大、脆性大、抗拉强度低等弱点限制了它的应用。纤维增强混凝土是混凝土改性的一个重要手段，它可使混凝土的抗拉强度、变形能力、耐动荷能力大大提高。目前，较为常用的纤维为钢纤维。钢纤维混凝土的抗拉强度、抗弯强度、初裂强度、抗弯韧性和疲劳性能较普通混凝土有明显的提高^[1～5]。碳纤维是一种新兴的高强纤维材料。由于碳纤维价格的不断降低，碳纤维水泥基材料日益得到广泛运用。碳纤维具有较高的抗拉强度和弹性模量，能显著提高水泥基复合材料的抗拉强度、抗弯强度和断裂韧性^[6，7]。但碳纤维的直径仅为几个微米，其几何尺寸有别于通常使用的钢纤维。因此，本文对碳纤维和不同直径的钢纤维在混凝土中的作用进行了研究。

1 试验过程

1.1试验原材料

水泥:上海海豹水泥有限公司生产的强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，其各项性能指标符合国家标准;细集料：中砂，细度模数为2.8；粗集料:5～16mm连续级配碎石，压碎指标为7.9%；外加剂:花王高效减水剂；碳纤维:长度为6mm的PAN基高强碳纤维，其性能指标见表1；较大直径钢纤维:上海青浦钢纤维厂生产的等效直径为0.4mm、长度为30mm的长直形钢纤维；微细钢纤维：武汉汉森钢纤维有限责任公司生产的直径为0.17mm、长为15mm的钢纤维。

1.2 配合比

为了研究碳纤维和钢纤维在混凝土中的作用机理，所选取的基准混凝土的28d抗压强度约为60MPa。同时，采用2种不同直径的钢纤维，一种为常用的较大直径钢纤维，另外一种为直径=0.17mm的微细钢纤维，纤维的体积分数均为0.5%。所有试件的原材料保持相同，配合比见表2。

1.3试件的测试

1.3.1抗压强度和劈拉强度

分别用3块尺寸均为100mm×100mm×100mm的试件进行抗压强度(σc)和劈拉强度(σst)试验，龄期为28d，仪器为普通万能试验机，参照标准为GBJ81—85。劈拉强度按下列公式进行计算

式中:F为破坏荷载(N)，A为试件的劈裂面积(mm²)。

1.3.2断裂能和断裂韧性

断裂能和断裂韧性测试试件尺寸均为100mm×100mm×515mm，测试前用切割机切口，切口深度为5cm。28d龄期后，采用闭环反馈控制Instron8501进行测试，测试加载速率为0.025mm/min。根据国际材料与结构实验室联合会(RILEM)混凝土断裂力学委员会的建议，采用三点弯曲梁测定混凝土的断裂能并按下式计算之

其中，A₀为荷载～挠度曲线所包络的面积(Nm)；m_g为混凝土梁支撑段的自重；δ_max为梁最终破坏时的变形；A_lig为试件的韧带面积。

混凝土应力因子的临界值K_IC表征了材料阻止裂缝扩张的能力，称为断裂韧性。断裂韧性按下式进行计算

式中：Y为形状因子，Y(l/h)=1.93-3.07(l/h)+14.53(l/h)²-25.11(l/h)³+25.8(l/h)⁴，l为切口深度，h为梁的高度，b为梁的宽度，M_max为由最大荷载和梁自重产生的弯矩之和。

2试验结果与讨论

2.1抗压与劈拉强度

表3列出了基准混凝土和纤维混凝土的抗压强度和劈拉强度试验结果。从表3可以看出，纤维混凝土的抗压强度较基准混凝土均有一定程度的降低，但劈拉强度则均有较大程度的提高。不同尺寸纤维对混凝土劈拉强度的提高效果是不同的，较大直径钢纤维的作用显著高于碳纤维，而微细钢纤维的作用又高于较大直径钢纤维。

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拉压比是反映混凝土脆性的一个指标。由表3可见，碳纤维混凝土的拉压比与基准混凝土的相差不大，而钢纤维的拉压比较基准混凝土的显著提高，尤其是微细钢纤维。这说明碳纤维对混凝土的脆性改善作用较小，而钢纤维对混凝土的脆性改善作用较大，且微细钢纤维的改善效果又比较大直径钢纤维的好。

碳纤维为超细纤维，当将其掺入到混凝土中时，它能桥接裂缝。但碳纤维对混凝土裂缝扩展的约束能力是有限的，表现在碳纤维对混凝土强度和韧性的改善作用明显低于钢纤维。微细钢纤维单位体积的纤维数显著高于较大直径钢纤维，其对混凝土裂缝扩展的约束作用就强于较大直径钢纤维。因此，在钢纤维混凝土中，钢纤维的增强作用具有显著的几何尺寸效应。

2.2断裂能和断裂韧性

表3亦列出了基准混凝土、纤维混凝土的断裂能和断裂韧性的测试结果。从表3可以看出，纤维混凝土的断裂能均比基准混凝土的断裂能有所增加，但碳纤维混凝土的断裂能显著低于钢纤维混凝土的断裂能，而微细钢纤维混凝土的断裂能又低于较大直径钢纤维混凝土的断裂能。由表3还可以看出，纤维混凝土的断裂韧性比基准混凝土的断裂韧性也有所增加，且钢纤维混凝土的断裂韧性显著高于碳纤维混凝土的断裂韧性。对钢纤维而言，微细钢纤维混凝土的断裂韧性高于较大直径钢纤维混凝土的断裂韧性。

断裂能是材料形成单位面积裂缝所需消耗的能量。当混凝土中微小裂缝受荷载作用时，会发生裂缝扩展。而纤维能跨接裂缝两端，起桥接作用，从而缓解裂缝尖端的应力集中，增加裂缝的扩展阻力，提高混凝土的断裂能。然而，不同几何尺寸的纤维的阻裂机制又有所不同，超细碳纤维抑制混凝土的较大裂缝扩展作用明显低于钢纤维，而微细钢纤维抑制混凝土的较大裂缝的扩展能力又低于较大直径钢纤维。因而，碳纤维混凝土的断裂能最小，微细钢纤维混凝土的断裂能较大，而较大直径钢纤维混凝土的断裂能最大。图1为切口梁的三点弯曲荷载～挠度关系曲线图。

从图1可以看出，碳纤维混凝土荷载～挠度曲线的下降段与基准混凝土的下降段相差不大，而钢纤维混凝土的下降段与基准混凝土的相差较大。钢纤维能横跨较大裂缝，从基体中拔出时需消耗大量能量，因此，钢纤维可以阻止裂缝的扩展，提高混凝土的断裂韧性。而微细钢纤维单位体积内的纤维数又远大于较大直径钢纤维，拔出时消耗的能量更多，因此微细钢纤维的增韧效果要好于较大直径钢纤维。碳纤维也有一定的阻止裂缝扩展的能力，但却远小于钢纤维。

由图1还可以看出，随着钢纤维尺寸的变小，钢纤维混凝土在荷载～挠度曲线峰值前的作用增强，而峰值后的作用降低，即钢纤维的几何尺寸对混凝土的断裂特性产生较大的作用，具有显著的尺寸效应。

3 结论

1.碳纤维混凝土的劈拉强度比钢纤维混凝土的低。

2.碳纤维属超细纤维，其约束混凝土裂缝扩展能力显著低于钢纤维，表现为碳纤维混凝土比钢纤维混凝土具有较低的断裂能和断裂韧性。

3.微细钢纤维在荷载～挠度曲线峰值前对混凝土的作用效果高于较大直径钢纤维，而峰值后的作用效果低于较大直径钢纤维，表现为微细钢纤维混凝土的断裂能低于较大直径钢纤维混凝土，而断裂韧性高于较大直径钢纤维混凝土。

4.不同几何尺寸的钢纤维在混凝土中具有不同的作用效果，即钢纤维在混凝土中的作用具有显著的尺寸效应。

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