碳纤维水泥砂浆试块的抗压强度测试在不同碳纤维掺量下的优化

检验水泥各龄期强度，以确定强度等级；或已知强度等级，检验强度是否满足规范要求。掌握国家标准GB/T17671—1999《水泥胶砂强度的测定方法（ISO法）》，正确使用仪器设备并熟悉其性能。

主要仪器设备：（1）胶砂搅拌机；（2）试模；（3）胶砂振实台；（4）抗折强度试验机；（5）抗压试验机；（6）抗压夹具；（7）刮平尺、养护室等。

实验操作步骤：（1）实训前准备成型前将试模擦净，四周的模板与底板接触面上应涂黄油，紧密装配，防止漏浆，内壁均匀刷一薄层机油。

（2）胶砂制备试验用砂采用中国ISO标准砂，其颗粒分布和湿含量应符合GB/T17671—1999的要求。

1）胶砂配合比试体是按胶砂的质量配合比为水泥：标准砂：水=1：3：0.5进行拌制的。一锅胶砂成三条试体，每锅材料需要量为：水泥（450±2）g；标准砂（1350±5）g；水（225±1）mL。

2）搅拌每锅胶砂用搅拌机进行搅拌。可按下列程序操作：①胶砂搅拌时先把水加入锅里，再加水泥，把锅放在固定架上，上升至固定位置。②立即开动机器，低速搅拌30s后，在第二个30s开始的同时均匀地将砂子加入；把机器转至高速再拌30s。③停拌90s，在第一个15s内用一胶皮刮具将叶片和锅壁上的胶砂，刮入锅中间，在高速下继续搅拌60s，各个搅拌阶段的时间误差应在±1s以内。

（3）试体成型试件是40mm×40mm×160mm的棱柱体。胶砂制备后应立即进行成型。将空试模和模套固定在振实台上，用一个适当勺子直接从搅拌锅里将胶砂分二层装入试模，装第一层时，每个槽里约放300g胶砂，用大播料器垂直架在模套顶部沿每一个模槽来回一次将料层播平，接着振实60次。再装第二层胶砂，用小播料器播平，再振实60次。移走模套，从振实台上取下试模，用一金属直尺以近似90℃的角度架在试模模顶的一端，然后沿试模长度方向以横向锯割动作慢慢向另一端移动，一次将超过试模部分的胶砂刮去，并用同一直尺以近乎水平的情况下将试体表面抹平。

（4）试体的养护

1）脱模前的处理及养护将试模放入雾室或湿箱的水平架子上养护，湿空气应能与试模周边接触。另外，养护时不应将试模放在其他试模上。一直养护到规定的脱模时间时取出脱模。脱模前用防水墨汁或颜料对试体进行编号和做其他标记。，二个龄期以上的试体，在编号时应将同一试模中的三条试体分在二个以上龄期内。

2）脱模脱模应非常小心，可用塑料锤或橡皮榔头或专门的脱模器。对于24h龄期的，应在破型试验前20min内脱模；对于24h以上龄期的，应在20-24h之间脱模。

3）水中养护将做好标记的试体水平或垂直放在（20±1）℃水中养护，水平放置时刮平面应朝上，养护期间试体之间间隔或试体上表面的水深不得小于5mm。

（5）强度测定

1）强度试验试体的龄期试体龄期是从水加水开始搅拌时算起的。各龄期的试体必须在表4-1规定的时间内进行强度试验。试体从水中取出后，在强度试验前应用湿布覆盖。

表4-1　各龄期强度试验时间规定

2）抗折强度测定

①每龄期取出3条试体先做抗折强度试验。试验前须擦去试体表面的附着水分和砂粒，清除夹具上圆柱表面粘着的杂物，试体放入抗折夹具内，应使侧面与圆柱接触。

②采用杠杆式抗折试验机试验时，试体放入前，应使杠杆成平衡状态。试体放入后调整夹具，使杠杆在试体折断时尽可能地接近平衡位置。

③抗折试验的加荷速度为（50±10）N/s。

3）抗压强度测定

①抗折强度试验后的断块应立即进行抗压试验。抗压试验须用抗压夹具进行，试体受压面为40mm×40mm。试验前应清除试体受压面与压板间的砂粒或杂物。试验时以试体的侧面作为受压面，试体的底面靠紧夹具定位销，并使夹具对准压力机压板中心。②压力机加荷速度为（2400±200）N/s。

结果计算及处理：(www.xing528.com)

（1）抗折强度测定结果：折强度按下式计算，精确到0.1Mpa。

式中　R1——水泥抗折强度，Mpa；

　　　F1——折断时施加于棱柱体中部的荷载，N；

　　　L——支撑圆柱之间的距离，100mm；

　　　b——棱柱体正方形截面的边长，40mm；

以一组3个棱柱体抗折结果的平均值作为试验结果。当3个强度值中有超出平均值±10%时，应剔除后再取平均值作为抗折强度试验结果。

（2）抗压强度测定结果：

抗压强度按下式计算，精确至0.1Mpa。

式中　Rc——水泥抗压强度，Mpa；

　　　Fc——破坏时的最大荷载，N；

　　　A——受压部分面积，mm2（40mm×40mm=1600 mm2）。

以一组3个棱柱体上得到的6个抗压强度测定值的算术平均值为试验结果。如6个测定值中有一个超出6个平均值的±10%，就应剔出这个结果，而以剩下5个的平均数为结果；如果5个测定值中再有超过它们平均数±10%，则该组结果作废。

对碳纤维混凝土抗压强度的研究从20世纪70年代就已开始，并取得了大量的研究成果［52-53］。在混凝土中加入适量的短切碳纤维，不仅可以提高混凝土的抗拉强度和抗冲击性能；提高新旧混凝土界面间的黏结强度，而且对混凝土的抗压强度有了明显的改善，在工程建设中具有相当大的使用潜力。

本章研究了不同碳纤维掺量对内掺CCCW的CFRC砂浆试块抗压强度的影响。表4-2列出了不同碳纤维掺量下碳纤维水泥砂浆试块在WE-100液压式万能材料试验机下抗压强度的测试结果。

表4-2　碳纤维水泥砂浆试块28d抗压强度测试结果

注：表中碳纤维是相对水泥质量的百分含量，每一种含量的试块为一组，每组3个。

从图4-4可以看出碳纤维含量在0-1.4%范围内，随着碳纤维含量的增加，混凝土的抗压强度逐渐增大。在碳纤维含量大于1.4%时，随着碳纤维含量的增加，混凝土抗压强度开始下降。再随碳纤维掺量的增加，碳纤维水泥砂浆试块的抗压强度出现先增大后减小的趋势。不掺加碳纤维时，试块的抗压强度为36.7MPa；当碳纤维掺量为0.6%时，抗压强度为48.5MPa，其抗压强度增加了32.2%；当碳纤维掺量为1.4%时，抗压强度增加了61%；此时再增加碳纤维掺量为2.0%时，抗压强度明显下降，且与碳纤维掺量为1.4%时的抗压强度相比较下降了5.4%。试验结果表明，碳纤维掺量为水泥质量分数的1.4%时，碳纤维水泥砂浆试块的抗压强度达到最大值59.1MPa。造成这种现象可以用以下个原因来解释碳纤维含量较多搅拌不均匀，造成碳纤维结团现象碳纤维含量较多在混合时会引入大量气泡，从而使碳纤维混凝土气孔率增加。

图4-4　碳纤维水泥砂浆试块的抗压强度与碳纤维掺量的关系