水工新材料碳纤维混凝土.doc

博士 兽医硕士专业学位 硕士 农业推广硕士专业学位 同等学力在职申请学位 中职教师攻读硕士学位 工程硕士专业学位 高校教师攻读硕士学位 风景园林硕士专业学位西 北 农 林 科 技 大 学研 究 生 课 程 论 文（课程名称： ）学位课 选修课 补修课研 究 生 年 级、姓 名 所 在 学 院 及 专 业 任 课 教 师 姓 名 考 试 日 期 考 试 成 绩 评 卷 教 师 签 字 处 新材料碳纤维混凝土的研究 摘 要采用碳纤维增强混凝土是混凝土改性的一个重要途径。碳纤维混凝土(CFRC) 以其良好的力学性能、独特的智能性自感知自调节功能, 显示出相当的工程应用潜力。本文综述了CFRC 的特性及近年在国内外的研究应用状况和发展前景。通过对碳纤维混凝土立方体试件的抗压试验，研究碳纤维体积率对混凝土的抗压强度的影响。试验结果表明，碳纤维对混凝土的抗压强度有削减作用；但是从碳纤维混凝土抗压试件的破坏形态来看，相对于基体混凝土，碳纤维混凝土的受压韧性大幅度提高，混凝土脆性破坏形态变为近似于延性破坏。碳纤维混凝土的抗折强度比普通混凝土要高；碳纤维混凝土抗折弹性模量与基体混凝土相比略有提高；弯曲韧性有很大的提高。，增加碳纤维的掺量和提高碳纤维与基体之间的粘结强度是提高碳纤维混凝土断裂性能的主要措施。关键词: 碳纤维 碳纤维混凝土(CFRC) 力学性能 Abstract Using carbon fibre reinforced concrete (CFRC) is an important way to improve concrete. CFRC has goodpotential of construction utilization with its better mechanical prorerties and unique intelligence. The paper introduced theproperties of CFRC and the utilization and development of CFRC in abroad and home.Research the effect of the carbon fiber volume ratio on the compressive strengthof CFRC througII the corresponding experiment of cube specimensne consequence of experiment indicates that the carbon fiber on the compressive strength of concrete is reduced；But from carbon fiber reinforeed concrete compressive strength specimens of the damage pattern,relative to the matrix of concreteCarbon fiber coherete compression toughness significantly improve the concrete brittle fracture morphologysimilar to ductile failureThe consequence of experiment indicates that the antiflex cracking strength of CFRC is much higher than common concrete；the flexurai strenmh of CFRC is improvedcarbon fiber concrete flexural streugth thall ordinary concrete to be much higller：Carbon fiber reinforced concrete flexural modulus improve slightly compared with matrix of concrete；Bending toughness is greatly improvedIncreased the amount of carbon fiber andimproved substrate bonding strength between carbon fiber and matrix of concrete ismain measures to improve the fracture toughness of concreteKey words : carbon fibre carbon fibre reinforced conerete (CFRC) mechanical property 前言 碳纤维混凝土，是在混凝土基体中均匀分散一定比例的碳纤维，使混凝土的韧性得到改善，抗弯性和折压比得到提高的一种特种混凝土。碳纤维的掺入不仅可使混凝土显著提高混凝土的强度和韧性，而且其电学性能也有了明显改善，具备自感应、自调节功能。 目前主要研究内容有： (1)根据目前国内外碳纤维水泥基材料的研究状况,寻找出一套合适的碳纤维水泥基材料的制备方法,解决碳纤维在水泥基中的分散问题。(2)研究碳纤维混凝土的力学性能,包括抗压强度、抗折强度、劈拉强度。找出碳纤维对混凝土力学性能影响的规律。(3) 究碳纤维混凝土的耐磨、和抗渗性,讨论碳纤维混凝土耐久性的影响规律。一、碳纤维混凝土的制备碳纤维碳纤维主要可分为两大类:一类是以聚丙烯腈为原料制成的PAN 基碳纤维,另一类是以沥青为原料制成的沥青基碳纤维(P - CF) 其中PAN 基碳纤维的价格为沥青基碳纤维价格的510 倍。在实验中采用聚丙烯氰基碳纤维,即PAN 基碳纤维,其性能指标见表1。配合比参见表2。1、按配合比称出碳纤维、水泥、砂、石、外加剂和水的质量。碳纤维的掺量按水泥质量的百分比计算。2、 将一部分水倒入盆中,放入分散剂震荡3 5 min ,静置20 min 左右,直至甲基纤维素均匀溶解在水中为。目视均匀后,再将碳纤维加入,继续振荡,直至纤维在溶液中呈单丝状分布为止。3、将水泥、砂混合物倒入搅拌机中,先干搅几分钟,然后倒入碳纤维水溶液和外加剂进行搅动。搅拌均匀后,再放入石子进行搅拌,搅拌的同时将剩余的水分加入。4、搅拌好的混凝土注入试模中充分振动成型。用塑料布覆盖试块表面,脱模后放入养护室中养护。采用上述方法能够较好的实现碳纤维在混凝土中的分散,而且操作简单,实地操作性强,便于使用。二、碳纤维混凝土力学性能1、CFRC 中乱向分布的碳纤维主要作用是：阻止混凝土内部微裂缝的扩展并阻滞宏观裂缝的发生和发展。因此，对于其抗拉强度和主要由主拉应力控制的抗剪、抗弯、抗扭强度等均有明显改善；同时提高基体的抗变形能力，从而改善其抗拉、抗弯和抗冲击韧性。2、碳纤维混凝土抗压强度试验结果见下图：由图可知，当碳纤维体积率在0 0.75%时，随碳纤维体积率的增大，混凝土的抗压强度反而有所下降，即碳纤维体积率对碳纤维混凝土抗压强度有削弱作用。这是因为碳纤维的掺入能否提高抗压强度主要与碳纤维水泥基界面粘结性状和界面粘结强度等有关，但由于混凝土基体强度低，碳纤维掺入后，增加了界面薄弱层，且P，越大，界面薄弱层越多，因此，受压后，首先在界面区引起破坏，导致碳纤维混凝土的抗压强度不能提高，甚至还有所下降。但是从碳纤维混凝土抗压试件的破坏形态来看，相对于基体混凝土，碳纤维混凝土试件受压破坏时仍保持着整体性(见图42)，没有明显的碎块或崩落，只是出现了裂缝和脱皮。说明受压韧性大幅度提高，混凝土脆性破坏形态变为近似于延性破坏。 3、碳纤维混凝土的抗折强度主要包括抗折初裂强度、抗折极限强度及两者的差值。其中抗折初裂强度是碳纤维混凝土抗裂性的主要指标。抗折强度试验结果见下图：由试验结果可知：(1)碳纤维混凝土的抗折初裂强度、抗折极限强度及两者的差值均大于基体混凝土。在P=0.25时抗折初裂强度、抗折极限强度及两者的差值分别比基体混凝土提高了7、11、19.8。表明碳纤维混凝土的抗折及韧性明显优于基体混凝土。(2)随碳纤的体积率的增加，碳纤维混凝土抗折初裂强度、抗折极限强度都有相应的提高。4、碳纤维体积分数为1.18%时，CFRC 试件劈裂拉伸强度提高122%，按复合规则，碳纤维的增强作用应随水泥中纤维含量的增大而增加，在碳纤维的重量百分含量小于5%时，这个关系几乎是线性的，含量再增加时，碳纤维难以在基体中分散均匀，不能起到增强效果，甚至使CFRC抗拉强度降低。 5、碳纤维含量小于5%，试件抗折强度随碳纤维含量增加而增加。在沥青基碳纤维增强轻骨料混凝土研究中，当碳纤维重量百分含量为3.3%时，CFRC 试样的抗折强度（8.6MPa）是未增强试样（3.9MPa）的2.2倍。CFRC 的抗折破坏亦显示更高的破坏韧性，抗冲击性能用疲劳冲击能量表示时）是未增强试样的10 倍左右（如采用热水养护，可提高约25 倍）。三、碳纤维混凝土抗渗性能碳纤维混凝土的配比及抗渗试验结果见下表 在水压从014 MPa 逐级加压到112 MPa 后,所有试件均没有出现渗水现象。 掺入碳纤维后,混凝土的抗渗性明显提高,在碳纤维含量为0.5%和1%,不加消泡剂的情况下,试件的渗水高度可以降低26.5%和38.2%。 在试验过程中纤维混凝土试件在加压试验完成后,劈开可以看到碳纤维混凝土的渗水面更为平整,不像基准混凝土那样存在局部薄弱区。 1、当碳纤维体积含量在00.8%范围内时,混凝土的抗压强度随着碳纤维掺量的增加而增长,在0.40.8%之间时增长幅度最明显。当碳纤维含量继续增加时，混凝土抗压强度反而有所降低。 2、碳纤维是影响碳纤维混凝土抗渗性能的重要因素，掺入碳纤维的碳纤维混凝土比素混凝土的抗渗性能有所提高。碳纤维掺量不用、长度不用对抗渗性能也有影响，加入适量的碳纤维能显著提高混凝土的抗渗性能。体积掺量为0.2%时，抗渗性提高13%，当纤维长度为10mm，抗渗性能最好，比素混凝土提高32%。 3、水灰比影响混凝土内部孔隙率以及孔隙结构，水灰比越小，混凝土越密实，渗透系数越小，抗渗性越好。在纤维掺量低于0.2%时，水灰比的影响较明显。当超过0.5时，影响几乎可以忽略。 碳纤维的存在阻碍了混凝土中微裂纹的扩展,减少了渗水通道;另一方面是因为均匀分布在混凝土中的大量纤维起到了“分流和筛滤”的作用,降低了表面的析水,阻碍了集料的离析,从而使混凝土中大孔的含量大大降低,可以极高的提高抗渗能力。掺入消泡剂后,混凝土的孔隙率降低,大孔减少,小孔增多,混凝土的抗渗能力进一步增强。这些实验都说明了碳纤维可以有效的防止和延缓了渗水、潮湿气体和氯化物有害物质对混凝土的侵蚀,从而提高了建筑物的耐久性。四、 碳纤维混凝土其他性质1、导电性碳纤维对混凝土电学性能的改善。混凝土材料是不导电的，碳纤维具有良好的导电性，在混凝土中掺入适量的碳纤维，不仅可显著提高其强度和韧性，而且由碳纤维和碳纤 维之间未水化的水泥颗粒、水化产物、缺陷裂纹等阻隔所形成的势垒构成了具有一定电阻的导电网络，可使其具有明显的导电性能。在同一纤维含量下，随着压载荷增加，其电阻率减小，电阻率变化率增加；一般情况下，电阻率随碳纤维含量增加而减小。电阻率与纤维含量关系图2、损失自诊断性碳纤维均匀的分散到水泥基材料中能够形成导电网络，在外加荷载的作用下，导电网络发生破坏和重组两个过程，在较低荷载下，以导电网络形成为主，电阻减小；在较高荷载下，破坏过程占主导地位，电阻增大，预示材料要发生破坏。在循环荷载作用下，测试每个循环中电阻变化峰值，随着循环过程的进展，电阻变化峰值增大，表明材料内部损伤加剧；当电阻变化峰值超过0时，预示材料要发生破坏。通过电阻测试和声发射进行适时监测，能够探知碳纤维水泥混凝土内部的损伤和破坏，从而实现材料的自预警功能。五、碳纤维混凝土的应用及发展前景20世纪80年代初，随着廉价的通用型沥青基碳纤维(PCF)商品上市，为碳纤维混凝土实际应用提供了有利条件。当前，碳纤维原丝已降至30美元kg以下，随着碳纤维制造技术的进步和聚合物性能的R臻完善。cvRc$I品与构件已用于若干试点工程中，但迄今为止，尚未在国际上大量推广使用。掺用短的碳纤维增强水泥和混凝土以提高其抗拉力的想法国外就已提出，随后日本于20世纪80年代以来，已用沥青基碳纤维制成的CFRC际上逐步推向实际工程，主要用以制作建筑物的幕板，“1日本广岛建筑工程公司在这方面已取得成功的经验。以下是若干工程应用实例。(1)1982年在伊拉克首都巴格达的AL shaheed纪念馆上安装了总面积达10000m2的CFRC挂板，是国际上大量使用CFRC制品的第一例。制造CFRC板的主要原料是沥青基碳纤维、波兰特水泥，砂与火山灰质轻集料等，纤维的体积率为2。 (2)1986年在日本东京建造的37层ARK办公大楼使用了总面积达32000m2的CFRC幕板。每块的商为3100mm，宽为1470mm，体积密度为139cm3，自重约为lOOkg。所用沥青基碳纤维的掺量相当于水泥质量的3。 (3)1988年日本赤坂所建造的建筑面积各为11200m2的获岛大楼与DK大楼，均使用了用沥青基碳纤维制成的cFRc幕板。近年来, 在智能材料结构系统的研究开发中, CFRC 以其良好的导电特性而成为热点之一。利用CFRC 的机敏特性, 可有效监测拉、弯、压等工况及静动态荷载下材料内部状况, 实现桥梁、大坝、建筑等土木工程的实时在线健康监测和损伤评估。当结构应力接近损伤或破坏时, 可自动预警, 并可调节控制自身温度及其应力和变形, 确保重要工程的安全。CFRC 的损伤自监测具有很高灵敏度, 由于材料电阻随损伤的出现、发展而增加, 因而可监测到即使在弹性变形阶段的微小损伤, 而且在基体材料内部及基体与钢筋接触面或新旧基体接触面的损伤均可被监测到, 在国内它已应用在三峡工地的围堰上, 效果较好。利用CFRC 的电热效应、电力效应可对结构进行温度自调节, 控制建筑物内部温度, 可调节由于温度所产生的应力和变形, 可调节在一定范围内自身结构的变形。一个很有意义的应用是寒冷地区的路面、桥面和机场跑道的自适应溶雪融冰系统, 以往防止结冰或除冰往往铺撒大量的盐, 致使钢筋锈蚀加剧, 造成了巨大经济损失。对此, 欧美及我国学者均已开展研究, 并取得了一定进展。CFRC 还具有屏蔽电磁辐射功能, 防止电磁泄漏带来的危害。在电子、电器、军事基地及银行、商业部门等建筑中有很好的应用前景。六、碳纤维混凝土现存的缺点碳纤维混凝土加工困难，制备工艺方法多种多样，用不同工艺和不同牌号的碳纤维所获得的碳纤维混凝土品质相差很大。造价较高，工程成本增大。许多性能还处在研究之中，新性能特点还有待实验研究来发现。结 论碳纤维混凝土是先进增强材料与传统建筑材料的结合体,它一方面保持了水泥材料优异的抗压强度,另一方面使抗折强度、断裂韧性等方面也得到了一定程度上的提高,同时碳纤维混凝土还具有良好的耐久性能。碳纤维对混凝土抗压强度的提高并不明显,但是混凝土的抗折、劈拉强度都有了较大幅度的增加,混凝土拉压比增加。混凝土中加入碳纤维后能显著提高耐磨性能。碳纤维的掺入提高了混凝土的抗渗性。参考文献1. 梁福康. 碳纤维混凝土J . 建筑技术, 2001 (1) : 17.2. 姚武. 高性能机敏混凝土的研究A . 新世纪海峡两岸高性能混凝土与应用学术会议论文集 C . 上海: 同济大学出版社, 2002.3. 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