王晓飞，王鹏飞，郑奇吾，任 舟，赵笑男（.南阳师范学院土木建筑工程学院，河南 南阳 47306；.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 70055）

碳纤维混凝土因具有良好的力学性能、压敏性、温敏性等被广泛应用于土木工程中。实际上，其在应用与研究中仍然面临着最基本的问题，即碳纤维混凝土的配合比的设计方法。如今，行业内尚无相应的配合比设计规范或是统一的被认可的配合比设计方法。通过大量的试验研究发现，若保持其他材料不变，则随着碳纤维的增加，单方混凝土的水泥浆减少；而保持水灰比不变，增加水泥浆，则会增加单方混凝土的水泥量。若随着碳纤维掺量的增加而增大砂率或者将碳纤维计入粗集料，虽然能够保证混凝土的和易性，但砂率过大，使碳纤维混凝土强度降低。为了碳纤维混凝土的进一步合理应用，本文提出了一种适用于碳纤维混凝土的配合比设计方法。

1 碳纤维混凝土配合比设计原则

大量研究表明，随着碳纤维掺量的增加，混凝土的抗压、抗拉强度先增加后降低，针对不同的力学性能，碳纤维具有相应的最优掺量。在其他组分掺量不变的情况下，掺入碳纤维将导致混凝土和易性变差。因此，为保证碳纤维混凝土强度，碳纤维掺量的最大值需要控制；为获得具有良好和易性的碳纤维混凝土，需要考虑调整用水量。

碳纤维混凝土配合比设计的原则如下所示。① 为了保证碳纤维混凝土的强度，除了控制碳纤维的最大掺量，还需控制水胶比，即保持水胶比不变，应随碳纤维掺量的增加而增加水泥浆。② 参考矿物掺合料取代水泥的方法，将碳纤维作为细集料计入砂率，同时保持与原基准配比中砂率相同，相应减少细集料。此外，由于碳纤维长径比和比表面积与细集料长径比和比表面积相比均较大，因此碳纤维等量取代细集料后，混凝土的流动性将降低。同时，通过控制碳纤维的掺量及水胶比来保证碳纤维混凝土的强度，通过水泥浆的增加而提高的流动性可以补偿由碳纤维等量取代细集料造成的流动性降低。

2 碳纤维混凝土配合比设计步骤

按照碳纤维混凝土配合比设计原则对普通混凝土配合设计步骤中用水量、水泥用量及砂、石用量的计算方法进行改造，并控制碳纤维用量。CFRC 配合比设计步骤如下所示。

（1）确定配制强度fcu,o。fcu,o计算公式如式（1）所示，并根据式（1）求得碳纤维混凝土的配制强度。

V—碳纤维混凝土体积，m3。

碳纤维体积掺量可以根据试验确定，也可以参照国内外已有试验数据确定。本文总结了国内外碳纤维混凝土抗压强度试验结果，其中，大部分学者认为混凝土抗压强度随碳纤维掺量的增加先增大后减小。混凝土中碳纤维的掺量只要不是过多，碳纤维掺量对混凝土强度的影响即可控制在一定范围内，即控制其最大掺量，其强度即可得到保证。总结国内部分试验数据，最优碳纤维掺量如表 1 所示。根据表 1 可知，确定碳纤维体积掺量的最大值为 0.5%。

表1 对应于抗压强度的最优碳纤维掺量

（4）确定 1 m³ 混凝土的用水量mw0(kg/m3)。当碳纤维混凝土水胶比为 0.4～0.8 时，可参考 JGJ 55—2011 中表5.2.1-1 和表 5.2.1-2 选取基准用水量mw0,1；水胶比 ＜ 0.4时，可通过试验确定。

对碳纤维混凝土经过多次试配，确定附加用水量mw0,c的确定原则。按碳纤维每增加 0.1%，以加入水泥浆的方式相应增加用水量 2 kg。

附加用水量mw0,c(kg/m3) 的计算公式如式（4）式所示。

通过以上步骤计算得到的 1 m³ 碳纤维混凝土中各材料的用量，即为计算配合比。因为此配合比是利用经验公式或经验资料获得，因而按此配制的碳纤维混凝土有可能不符合实际的要求，所以需要对配合比进行试配、调整与确定。碳纤维混凝土试配、调整与确定的方法步骤与普通混凝土一致。

3 碳纤维混凝土配合比设计方法的验证

3.1 设计案例

某种钢筋混凝土构件采用碳纤维混凝土，强度设计等级为 C 30，用于干燥环境。所用原材料为水泥 P·O 42.5，表观密度ρc=3 100 kg/m3；粉煤灰的掺量βf=20 %，密度ρf=2 080 kg/m3；中砂表观密度ρso=2 650 kg/m3；碎石最大粒径为 40 mm，表观密度ρgo=2 700 kg/m3； 7 mm 短切碳纤维密度ρvc=1 750 kg/m3；砂率为 33 %。

短切碳纤维体积率分别取 0 %、0.24 %、0.30 %、0.40%、0.50 %。根据上述碳纤维混凝土配合比设计步骤得到 C 30 碳纤维混凝土配合比，如表 2 所示，其中 TY 1 号为基准混凝土。

表2 C 30 碳纤维混凝土计算配合比 kg

为使碳纤维更均匀地分散在混凝土浆体中，采用羟丙基甲基纤维素作为分散剂。何永佳等人[6]通过试验发现，羟丙基甲基纤维素能显著改善纤维的分散，按占水泥质量百分比计算，掺量在 0.2 % ～ 0.4 % 时，分散效果较好。本试验分散剂量为水泥质量 0.003 倍。

为了消除碳纤维分散液中的气泡，加入 622 g/m3的磷酸三丁酯作为消泡剂[7]。

3.2 碳纤维混凝土试件的制备与养护

参考岳彩兰[4]的制备方法，即干湿拌相结合的方法制备碳纤维混凝土试件。

（1）按照表 2 中的配合比称取水泥、石子、砂、粉煤灰，再将四者同时投入搅拌机中干拌 3 min，随后称取 30%的水加入搅拌机中搅拌 5 min。

（2）将剩余 70% 的水加热到 60 ℃，称取分散剂，并将其放入水中分散溶解，获得分散液；向分散液中加入碳纤维，搅拌直至碳纤维完全分散。

（3）在碳纤维分散液中加入消泡剂，继续搅拌，直至分散液表面气泡消失为止。

（4）将碳纤维分散液倒入搅拌机中，与混凝土湿料一起搅拌 5 min，形成碳纤维混凝土拌合物.

（5）将混凝土拌合物倒入 150 mm×150 mm×150 mm立方体标准试模中，并用电动振动台进行振捣，在标准养护室中养护 48 h 后脱模，再养护 28 d 后进行试验。

3.3 试验结果

对表 2 中 5 种不同配合比的碳纤维混凝土进行和易性检验及立方体抗压强度试验坍落筒提起后，所有试件对应的碳纤维混凝土拌合物锥体无稀浆从底部析出，表明碳纤维混凝土的保水性良好。在已坍落的碳纤维混凝土锥体一侧轻打，锥体在轻打后渐渐下沉，表明黏聚性良好。每一配合比取 3个有效坍落度试验结果的平均值，最终得到的混凝土拌合物坍落度结果如表 3 所示。

表3 碳纤维混凝土坍落度试验结果

由表 3 可知，碳纤维混凝土的坍落度并未因为碳纤维体积掺量的增加而降低，不同碳纤维体积掺量的碳纤维混凝土坍落度与基准混凝土的坍落度相差不大，基本都在一个范围之内。

采用万能试验机对试件进行抗压强度试验，试验以 0.5 MPa/s 的速度连续而均匀地加荷。加载过程中，TY 1 试件初始裂缝的出现时间稍早于 TY 4 试件，且 TY 1 试件裂缝的发展速度也快于 TY 4 试件；对比 TY 1 试件与 TY 4 试件破坏时的状态发现，TY 4 试件的裂缝发展较为均匀，短且比较细的裂缝较多。以上现象均说明掺入碳纤维可以起到很好的阻裂效果，掺入一定量的碳纤维可以提高混凝土的抗压强度。

每一配合比取 3 个有效抗压强度试验结果的平均值。碳纤维混凝土抗压强度试验结果如表 4 所示。

表4 碳纤维混凝土抗压强度试验结果

由表 4 可知，碳纤维体积掺量在 0.5 % 以内，按照确定的配合比设计方法设计的碳纤维混凝土的抗压强度均在 30 MPa 以上，碳纤维混凝土的强度等级可以得到保证；碳纤维体积掺量在 0.5 % 以内时，碳纤维混凝土抗压强度先增大后降低，碳纤维最优体积掺量在 0.3 % 左右。

4 结 语

在保证强度与和易性的前提下，提出了适合碳纤维混凝土的配合比设计方法。经试验验证，该设计方法有效且合理。本文的具体结论如下。

（1）混凝土中掺入碳纤维将影响其抗压强度。为了保证碳纤维混凝土的强度，在总结国内外试验研究结论的基础上提出碳纤维的最大体积掺量控制值。除此之外，水胶比、砂率也是影响碳纤维混凝土抗压强度的主要因素，为了保证碳纤维混凝土的抗压强度，水胶比根据式（2）计算且不允许调整变大，将碳纤维作为细集料计入砂率，同时保持与原基准配比中砂率相同，相应减少细集料。

（2）混凝土中若掺入碳纤维将降低其和易性。为了保证碳纤维混凝土的和易性，在保持水胶比不变的基础上，按碳纤维每增加 0.1 %，以加入水泥浆的方式相应增加用水量2 kg。

（3）利用试验验证了本文所提出的碳纤维混凝土配合比设计方法的合理性及适用性。试验发现，碳纤维体积掺量在0.5 % 以内，碳纤维混凝土的强度等级可以得到保证；碳纤维最优体积掺量大约在 0.3 % 左右。