碳纤维混凝土抗渗性能研究.pdf

第 2 5卷 2 01 0拄 第 6期 1 2月 山 东 建 筑 大 学 学 报 J O URNAL OF S HANDO NG J I AN ZHU UNI VE RS I T Y V0 1 25 No 6 De c 2 01 0 文章编号 ： 1 6 7 3 7 6 4 4 ( 2 0 1 0 ) 0 6 0 5 9 9 0 3 碳纤维混凝 土抗渗性能研究 闫忠 明 ( 山东大学 新 区建设 管理 办公室 ， 山东 济南 2 5 0 1 0 0 ) 摘要： 分析了影响混凝土抗渗性能的各种因素， 为验证碳纤维能提高混凝土的抗渗性能， 通过制备碳纤维混凝 土抗渗试件 ， 并对试件施加水压力 ， 研究影响抗渗的各种因素及其影响规律， 得出了当碳纤维掺量达到 0 6 时 ， 混凝土抗渗性 能提高最显著 ， 碳纤维长度为 1 0 mm时 ， 混凝土抗渗性能最好 ， 当纤维掺量低 于 0 2 时 ， 水灰 比对混凝土的抗渗性能影响较明显， 当纤维掺量超过 0 2 时， 水灰比对混凝土的抗渗性能影响较小。 关键词 ： 碳纤维 ； 混凝 ； 抗 渗性 能 中图分类号 ： T U 5 0 2 文献标识码 ： A Re s e a r c h o n t he e ffe c t s o f a n t i - pe r me a bi l i t y o f c a r bo n fibr e c o n c r e t e YAN Zh o n g - mi n g (N e w C a m p u s C o n s t r u c t i o n a n d M i n i s t r a t i o n O f f i c e ， S h a n d o n g U n i v e r s i t y ， J i n a n 2 5 0 1 0 0， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Thi s p a p e r a na l y z e s v a rio u s f a c t o r s wh i c h i mp a c t t h e i mp e r me a b i l i t y o f c o n c r e t e Th r o u g h t h e p r e p a r a t i o n o f c a r b o n fib e r r e i n f o r c e d c o n c r e t e s p e c i me n s a n d t h e e x e i o n o f wa t e r p r e s s u r e o n t h e s e s p e c i me n s ，i t i s p r o v e d t h a t c a r b o n fib e r c a n i mp r o v e t he i mp e r me a b i l i t y o f c o n c r e t e W h e n t h e c a r b o n fib e r c o n t e n t r e a c h e s 0 6 t h e i mp e r me a b i l i t y o f c o n c r e t e i mp r o v e s mo s t s i g n i fic a n t l yW h e n t h e c a r b o n fib e r l e n g t h i s 1 0mm ，t h e i mp e r me a b i l i t y o f c o n c r e t e i s b e s t W h e n t h e fi be r c o n t e n t i s l e s s t h a n 0 2 t he wa t e r - c e me n t r a t i o i n f l u e n c e s t h e c o n c r e t e i mp e r me a b i l i t y mo r e s i g n i fic a n t l yW h e n t h e fib e r c o n t e n t i s mo r e t h a n 0 2 t h e wa t e r c e me n t r a t i o h a s l e s s i n f l u e n c e o n t h e c o n c r e t e i mp e r me a b i l i t y Ke y wo r d s： c a r b o n fi br e；c o n c r e t e；a n t i p e rm e a b i l i t y 0 引言 2 0世纪 3 0年代 ， 人们开始关注混凝土 的抗渗 性能 ， 到 2 0世纪 8 0年代 ， 人们又重新对混凝土抗渗 性能产生兴趣 ， 通过对合成纤维 以及膨胀剂在混凝 土硬化过程中对收缩开裂的影响进行研究 ， 证 明纤 维与膨胀剂改善了混凝土的多种性能， 纤维能够对 膨胀产生很大的内部限制 ， 抑制硬化期间混凝土的 收缩裂纹 ， 使得混凝土更加致密 ， 从而极大地改进抗 渗性能 J 。在本论文 中， 对混凝土抗渗性 问题 的 研究主要是在材料层次展开， 即对碳纤维混凝土在 静水压力下抗渗性能等方面进行研究。碳纤维混凝 土具有优良的力学性能、 耐 自然温差性能及抗渗性 能 ， 在强碱环境下具有稳定的化学特性 、 持久的机械 强度和尺寸稳定性 ， 多次实验也说 明碳纤维 的存在 可以有效的防止和延缓渗水 、 潮湿气体和氯化物有 害物质对混凝土的侵蚀 ， 从 而能提高建筑物 的耐久 性 。 收稿 E t 期 ： 2 0 1 01 02 2 作者简介 ： 闫忠明( 1 9 7 3一) 男 ， 山东济南人 ， 工程师 ， 硕士， 主要从事建筑结构研究 E m a i l ： g a n z h e n g mi n g s d u e d u c n 6 0 0 山 东 建 筑 大 学 学 报 1 影响混凝土渗透性的因素 1 1 水灰比 由于施工 因素 ， 混凝土中加水量常常过多 ， 水泥 水化时留下较多毛细孔 ， 超量的水在混凝土内部也 留下孔隙， 降低了混凝土的密实度 ， 增加了孑 L 隙率和 渗透性 。 1 2 集 料 随着集料掺量的增加， 界面区对混凝土渗透性 的影响加大 ， 而集料吸收了浆的部分水 ， 导致浆体本 身渗透性降低。 I 3 掺合料 掺合料( 火 山灰 、 粉煤灰 、 矿渣 ) 能使混凝土浆 体结构得到改善 ， 水灰产物填充孔隙， 孔隙率降低 ， 孔径细化， 连通性被阻断， 从而降低渗透性 。 1 4 孔 结构 影响混凝土强度的因素都可能影响到混凝土的 渗透性 ， 两者之间有一定的联系， 因为混凝土的渗透 性与连通 的孔隙有关 ， 而抗压强度是受总的孔 隙率 控制， 大孑 L 对渗透性的影响比小孑 L 更为重要。 1 5混凝 土 制作工 艺 混凝土拌和过程 中的材料投放顺序 、 加水量 、 搅 拌时间等环节及施工 中振捣过度或不足会影响其抗 渗性 ； 养护时间越长 ， 渗透性越小； 龄期增长 ， 水泥浆 1 6 环境条件 环境因素如相对湿度、 温度和大气 中 C O ： 也显 著影响混凝土的渗透性 。为了降低环境对混凝土渗 透性的影响 ， 首先要减少混凝土对腐蚀性介质 的易 感成分 ， 提高 自身的密实度 ； 另外可在混凝土表面涂 刷保护层。 以上几 条是影响混凝土渗透性的重要因素， 而 碳纤维作为一种新 型的材料 ， 掺入混凝 土中会大大 改善其抗渗性能。下面就通过实验观察各种因素的 影响 ， 同时验证碳纤维的掺加如何提高了混凝土抗 渗性能。 2 碳纤维混凝土抗渗实验 2 1实验 目的 通过制备碳纤维混凝土抗渗试件 ， 并对试件施 加水压力 ， 研究影响抗渗的各种因素及其影响规律。 2 2实验原 材料及 配 合 比 2 2 1原材料 碳纤维 ： 短切 的 P A N基碳纤维 ； 水泥： P 0 3 2 5 R 普通硅酸盐水泥 ； 石子 ： 碎石 ， 颗粒 直径 1 6 ra m； 砂 子 ， 颗粒直径 9 5 mm； 分散剂 ： 甲基纤维素 ； 硅粉 ； 减水剂。碳纤维的主要性能指标见表 1 。 2 2 2 配合 比 碳纤维混凝土的配合比如下表 2所示 ， 对 比实 体水化程度增加， 浆体孔隙率减少 ， 渗透能力降低 。 验根据不 同的要求掺入不同量的碳纤维。 表 1 P A N基碳纤维 的基本技术指标 注 ： 硅 粉 为 水 泥 用量 的 1 5 ， 甲基 纤 维 素 为水 泥 用 量 的 0 4 。 2 3 实验过程 把搅拌好的混凝土倒人模具中 ， 在振动 台上振 2 3 1 制备碳纤维混凝土 实成型。尺寸 ： 底部直径 1 8 5 m m， 顶部直径 1 7 5 m m， 取全部用水量约 7 0 的温水 ( 4 0 。 C左 右 ) ， 把 高度 1 5 0 m m。强 度 伴 随试 件 尺寸 为 1 0 0 X 1 0 0 X 甲基纤维素置于水 中并不断搅拌使其完全溶解 ， 放 1 0 0 ra m。 人碳纤维搅拌 ， 至碳纤维均匀分散 ， 加入粗骨料 ， 强 2 3 3实验数据测定 制搅拌 ， 加入减水剂溶液搅拌 2 ra i n出料 ， 可得到碳 采用标 准试验方法测定试件 的抗压强度代表 纤维分散均匀的碳纤维混凝土 。 值 ， 另外 ， 每组 6个圆台试件 ， 在抗渗实验仪上进行 2 3 2试件的浇筑 密封和加压 ， 测定混凝土在恒定水压下和水压不断 第 6期 闫忠 明等 ： 碳纤 维混凝土抗渗性 能研究 6 0 1 变化下的渗水高度 ， 计算相对渗透系数 ， 比较不 同混 凝土的 抗渗性。图1 为混凝土试件示意图。 3 实验结果分析 平 面图 图 1 碳纤维混凝土抗渗试件示意图 3 1 不同碳纤维长度对抗渗性能的影响 如表 3和图 2所示 ， 为掺有不 同碳纤维长度 的 碳纤维混凝土试件 的渗透高度。 毫 幢 碳纤维长度 mm 图2 不 同纤维长度的碳纤维混凝土渗透高度 表 3 不同纤维长度对抗渗性能的影响结果比较 从表 3和图 2中可 以看出碳纤维长度的增加 ， 混凝 土 的抗 渗 性 能 呈先 增 大 后 减 小 的 趋 势， 在 6 m m， l O mm， 1 5 m m三组不同长度 的纤维混凝土 中， 以 l O mm的碳纤维混凝土的抗渗性较好 ， 比素混凝 土提高了2 1 。这是 因为随着碳纤维长度 的增大 ， 纤维与混凝土基体的粘结牢度也增大， 混凝土 的密 实度增大 ， 抗渗性能也得到提高 ； 但是随着纤维的进 一 步增大 ， 纤维在混凝土中的分散性变差， 形成纤维 团， 混凝土密实程度反而下降， 致使混凝土的抗渗性 能下降。 3 2不同碳纤维掺量对抗渗性能的影响 如表 4和图 3所示 ， 为不同碳纤维掺量对碳纤 维混凝土抗渗性能影响的试验结果 。 表 4 素混凝土与碳 纤维混凝土抗渗 性能测试 结果对 比 编号 碳纤维掺量 碳纤维长度 mm 渗透压力 MP a 平均渗透高度 e ra渗透系数 ( c m s I 1 ) CF RC加l0 0 CF RC 0 2 O 2 CF RC加I4 0 4 CF RC 6 0 6 CF RC_ o 8 0 8 CF RC 1 0 1 O O 8 O 8 O 8 0 8 O 8 O 8 4 6 4 3 3 9 3 8 3 8 4 0 善 寇 讵 碳纤维体积分数， 图 3 不同碳 纤维掺 量的混凝 土渗 透高度 从 图 3和表 4可知随着碳纤维掺量的增大， 混 凝土的抗渗性也呈增大趋势。当碳纤维体积掺量为 0 2 时， 混凝土的抗渗性 比素混凝土提高 1 3 ； 而 当碳纤维掺量达到 0 6 时 ， 混凝土 的抗渗性 比素 混凝土提 高了 3 2 ， 但 是 当碳 纤维含量 继续增 加 时， 其抗渗性能反而下降。这是因为 ， 在混凝土中掺 加适量碳纤维可有效地抑制其早期干缩裂缝的产生 和发展 ， 减少收缩裂缝 ， 并有效抑制连通裂缝 的产 ( 下转 第 6 2 8页 ) 9 9 9 9 9 9 一 一 一 一 一 一 0 O O O O 0 _i 3 3 O 4 4 O 5 3 1 0 0 1 i 山 东 建 筑 大 学 学 报 l a r e ： C r y p t 2 0 0 0 C S a n t a n a r b a l a ：S p ri n g e r V e r l a g ，2 0 0 0 2 5 52 7 0 1 1 C a m e n i s c h J ，G r o t h J G r o u p S i g n a t u r e s ：b e t t e r e f fi c i e n c y a n d n e w t h e o r e t i c a l a s p e c t s A C a d o B l u n d o ： F o a h I n t C o n f o n S e c u fi t y i n C o mm u n i c a t i o n N e t w o r k s ：S C N 2 0 0 4 f C A m a l fi： S p rin g e r Ve r l a g，2 0 0 4 1 2 0 1 3 3 1 2 崔 强一 个 安全 的群 签名 方 案 J 山 东建 筑 大学 学报 ， 2 0 0 7 ， 2 2 ( 3 )： 2 6 0 2 6 2 1 3 王春晓 ，王凤和一 个改进群签名 算法 的攻 击 J 山东 建 筑大学学报 ， 2 0 0 9， 2 4 ( 4 )： 3 3 4 3 3 6 “_ 卜一 +一一 卜 + +“ 卜一卜 一+“+” + - 卜一 +_ 一+ + - 卜 + + +一+” - + +- + +-+”+ + + - +一+ ( 上接第 6 0 1页) 生 ； 分布在混凝土中彼此相连的碳纤维降低了混凝 土表面的析水 ， 使混凝土中的孔隙含量大大降低 ， 可 极大地提 高其抗 渗能 力。当碳纤 维体 积分数达到 1 时 ， 其抗渗性能反而降低， 是因为碳纤维亲水性 较差， 容易吸附气泡 ， 使混凝 土内部微小气泡增多 ， 孑 L 隙率增大 ， 抗渗性能降低。 3 3 水灰 比对碳纤维混凝土抗渗性能的影响 采用不 同水灰 比， 通过掺加不同碳纤维掺量来 配置混凝土 ， 研究混凝土抗渗性能 随混凝土参数 的 变化规律 。由此得出的混凝土抗渗性能随水灰 比的 变化规律 ， 如图 4所示。 ： 垛 图 4 不 同碳 纤维掺量 的混凝土渗透高度 由图4可以看出， 当碳纤维掺量相 同时 ， 随着混 凝土水灰 比增大， 其渗透 系数逐渐增大。可 以看出 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， 抗渗性越好。当纤维掺量低 于 0 2 时， 水灰比其抗渗性能影响较明显 ； 当纤维 掺量超过 0 2 时 ， 水灰比对其抗渗性能影响较小 ， 当超过 0 5时， 水灰 比的影响几乎可 以忽略。同时 当水灰 比一定时 ， 随着碳纤维掺量的增加 ， 其渗透系 数逐渐变小。可以看出掺入适量碳纤维可以有效控 制混凝土的渗透性 。 4 结论 碳纤维混凝土 比素混凝土 的抗渗性能大大提 高， 碳纤维掺量不 同、 长度不 同对抗 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。本次实验证明当碳纤维体积掺量为 0 2 时， 混凝土的抗渗性 比素混凝土提高 1 3 ； 而 当碳纤维 掺量达 到 0 6 时 ， 提 高 了 3 2 ； 当纤 维长 度 为 l O mm， 混凝土的抗渗性能最好 ， 比素混凝土提高 了 2 1 ； 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 ， 当纤维掺量低于 0 2 时 ， 水灰 比对混凝土的 抗渗性能影响较明显 ， 当纤维掺量超过 0 2 时 ， 水 灰比对混凝土的抗渗性能影响较小 ， 当超过 0 5时， 水灰 比的影响几乎可以忽略。 参考文献 ： 1 李志明，曹怀武 ， 唐建民， 等普通强度等级增钙灰混凝土耐久 性研究 J 山东建筑工程学院学报 ， 1 9 9 7 ，1 2 ( 2 ) ： 3 8 4 4 2 逢 鲁峰 ， 李 志明 ， 孙 彦 文 ， 等高性 能 混凝 土 护 筋性 能研 究 J 山东建筑工程学 院学报 ，1 9 9 8 ，1 3 ( 3 ) ： l Ol 4 3 刘丽芳 ， 王培铭 ，杨晓杰纤维 类型及 参数对砂 浆抗渗性 能 的影响 J 同济大学 学报 ， 2 0 0 5 ， 3 3 ( 1 0 ) ： 1 3 4 71 3 5 0 4 邓世汉 ， 张杰 ，唐做泽 ，等纤维对混凝土抗渗性 能及硬化水 泥浆体孑 L 结构 的影响 J 港工技术 ， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 3 43 7 5 王璨玉，许丹毅 ，张立勇 ， 等高强混凝土的抗渗性试 验研 究 J 新型建筑材料 ， 2 0 0 6 ( 1 0 ) ：5 9 6 0 6 孙道胜， 郭育霞聚丙烯纤维高性能混凝土抗渗性能的试验 研究 J 新 型建筑材料 ， 2 0 0 6 ( 1 1 ) ： 5 05 2 7 易成 ，谢和平 ， 孙华 飞， 等混凝 土抗 渗性能研究的现状与进 展 J 混凝 土， 2 0 0 3 ( 2) ： 71 1 8 贺霞，史庆轩，刘元展混 凝土渗透 性 的影 响因素 及改善措 施 J 科技技术与工程 ， 2 0 0 7， 7 ( 2 0 ) ： 5 4 3 05 4 3 3 9 赵铁军混凝 土渗透性 M 北京 ：科学出版社 ， 2 0 0 6