[发明专利]一种碳纤维增强混凝土及其制备方法和应用

说明书

本公开涉及一种碳纤维增强混凝土及其制备方法和应用，所述碳纤维增强混凝土的组成原料由水泥、河砂、碎石、减水剂、水和碳纤维组成。本公开提供的碳纤维增强混凝土在外加剂仅添加了碳纤维的前提下，无需额外加入分散剂或偶联剂等组分，通过添加的矿物掺合料(河砂)就可以提高碳纤维与混凝土基体的粘结强度，降低界面过渡区对混凝土性能的影响，得到具有高抗动态劈拉性能的碳纤维增强混凝土。

技术领域

本公开涉及土木工程技术领域，尤其涉及一种碳纤维增强混凝土及其制备方法和应用。

背景技术

目前，在混凝土中加入随机分布的纤维，制造纤维增强混凝土已经被确定并实践为一种可以提高混凝土抗拉强度、抗弯强度和劈拉强度的解决方案。具有几何尺寸和物理力学性能的纤维可在混凝土的不同层次和受力阶段内充分发挥各自的增强效果，显著改善混凝土的韧性和抗冲击性能。纤维混凝土在防护结构、地震区工程结构、机场跑道和海洋、近海工程结构等易遭受各种冲击、爆炸作用的工程结构中具有广阔的应用前景。

目前，在混凝土中常用的纤维包括聚丙烯纤维和钢纤维。聚丙烯纤维的机械粘结效果较好，钢纤维的弹性模量和强度较大，将其掺入混凝土中可改善混凝土的力学性能和耐久性能。但是，聚丙烯纤维耐火性较差且弹性模量较小，在混凝土中添加聚丙烯纤维虽然能一定程度上增强混凝土的抗冲击性能，但是对其抗动态劈拉性能增强效果不大，使得到的混凝土不能抵抗各种冲击、爆炸等。而钢纤维的性能与钢筋相似，当钢纤维掺入混凝土中时不仅增加了结构的自重，而且钢纤维易生锈，当其应用于海工混凝土结构时会严重降低混凝土结构的耐久性。同时，由于纤维在其他材料中不易分散，因此在使用纤维时，需要再额外加入大量的分散剂、偶联剂等外加剂，一方面增强了混凝土的成本，另一方面，大量外加剂的加入，对混凝土的抗拉性能、抗弯性能、抗动态劈拉性能也会产生不利影响。

因此，需要提供一种无需添加大量外加剂就能够具有优异抗动态劈拉性能的碳纤维增强混凝土材料。

发明内容

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本公开提供了一种碳纤维增强混凝土及其制备方法和应用。

第一方面，本公开提供了一种碳纤维增强混凝土，所述碳纤维增强混凝土的组成原料由水泥、河砂、碎石、减水剂、水和碳纤维组成。

碳纤维是由许多单纤维层状石墨层状小晶体组成的纤维束，碳纤维不仅具有强度高、弹性模量高，而且比重小，具有耐疲劳、耐腐蚀、热膨胀系数低等优点；因此，在一定条件下，碳纤维可代替钢纤维、聚丙烯纤维作为混凝土的增强、增韧材料。当碳纤维掺入混凝土中时，由于其优异的物理力学性能可使碳纤维在混凝土的不同力学尺度上发挥作用，有效地提高混凝土的力学性能。

本公开提供的碳纤维增强混凝土在外加剂仅添加了碳纤维的前提下，无需额外加入分散剂或偶联剂等组分，通过添加的矿物掺合料(河砂)就可以提高碳纤维与混凝土基体的粘结强度，降低界面过渡区对混凝土性能的影响，得到具有高抗动态劈拉性能的碳纤维增强混凝土。

本公开实现了碳纤维在混凝土中的均匀分散，当混凝土进行应用时，混凝土基体中的裂缝在载荷作用下发生扩展时，碳纤维与混凝土之间较好的粘结性能可以发挥裂缝桥联作用，有利于提高混凝土的动态劈拉性能，改善混凝土材料典型的脆性特征，极大地提升混凝土的抗变形能力和劈拉强度，一定程度上可解决混凝土结构由于劈拉强度不足而暴露出的严重安全性问题，可有效提高劈拉强度不足的工程结构的服役寿命。

作为本公开的一种优选技术方案，所述碳纤维的添加量为所述水泥重量的0.3-0.9％，优选0.6％。

在本公开中，当碳纤维的添加量为水泥重量的0.6％时，碳纤维在混凝土中的分散效果最佳，增强效果最好，最后的增强混凝土具有优异的抗动态劈拉强度。若碳纤维的添加量较小，则增强效果较差，若碳纤维的添加量过大，也会因为碳纤维在混凝土中堆积，分散性较差而导致混凝土的性能减弱。

作为本公开的一种优选技术方案，以重量份计，所述碳纤维增强混凝土的组成原料由如下组份组成：