预应力混凝土具有抗裂性较好、刚度大的优点。但是，预应力混凝土中钢绞线的锈蚀导致其承载力降低，破坏模式发生变化[1-2]，改善预应力混凝土的力学性能、腐蚀性能和抗冻性能等至关重要[3]。纳米碳纤维是介于普通碳纤维和碳纳米管之间的一维碳材料，直径在10~500 nm，长度为0.5~100 μm[4]。纳米碳纤维作为一种经过高温碳化的材料，具有高强度、抗腐蚀、抗冻等优势[5-9]。近些年，纳米碳纤维被广泛用于改善建筑材料的力学性能、抗腐蚀性能及抗冻性能等方面[10-14]。国内对纳米碳纤维材料应用于水泥基复合材料方面的研究相对较少[15-16]。周美容等[17]研究表明，当纳米碳纤维掺量为0.6%时，改性混凝土的形貌结构最佳，力学性能和抗冻性能均都得到明显改善。李亚楠[18]研究表明，掺入纳米碳纤维能够降低养护初期混凝土的微裂纹汇集和干缩破坏，增强混凝土的密实度和抗腐蚀性。王丽霖等[19]发现，掺入0.3%的纳米碳纤维，能够改善混凝土内部形成立体网状结构。目前用于改性水泥基复合物的纳米材料大多数为纳米二氧化硅、二氧化钛及碳酸钙等材料，纳米碳纤维用于提升水泥基复合材料性能方面还有很大的潜力。预应力混凝土内部钢材发生腐蚀对结构产生的影响与普通钢筋混凝土结构不同，实际工程中梁内钢材均会受到不同程度的氯盐侵蚀，而目前对纳米碳纤维增强预应力混凝土耐腐蚀性能鲜有报道，因此对纳米碳纤维在预应力混凝土材料中增强作用的研究至关重要。本实验选择纳米碳纤维为填料，分析纳米碳纤维掺量对预应力混凝土的增强作用，为预应力混凝土的改性研究及纳米碳纤维的应用提供参考。1实验部分1.1主要原料普通硅酸盐水泥，P.O 42.5，济南鑫资源化工有限公司；纳米碳纤维，纯度99.9%，长度为10~25 μm，直径为150~200 nm，中科金研科技有限公司；减水剂，密度为1.20 g/cm3，河南桐旭化工有限公司；天然河砂，比重2.66，粒度为2.8~3.3 mm，石家庄德泽矿石有限公司；消泡剂，BYK-345，广东昇晖消泡剂厂。1.2仪器与设备碳化箱，TH-B，天津市港源试验仪器厂；混凝土磨耗试验机，TMS-04，河北大宏试验仪器有限公司；浸水天平，MP51001，沭阳县市政工程仪器厂；电液伺服抗压试验机，YAW4306，万测试验设备有限公司；抗折试验机，QJYL872，上海倾技仪器仪表科技有限公司；落锤试验机，INSTRON-9350，美国英斯特朗公司。1.3样品制备本实验采用先张法制备预应力混凝土，控制应力为558 MPa。表1为纳米碳纤维增强预应力混凝土配比。按表1配方将不同掺量的纳米碳纤维与预应力混凝土进行混合，纳米碳纤维掺量的质量分数分别为0.1%、0.2%、0.3%和0.5%，将未添加纳米碳纤维的样品设为空白对照组。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.011.T001表1纳米碳纤维增强预应力混凝土配比Tab.1Carbon nanofibers reinforced prestressed concrete ratio编号水泥/kg碎石/kg砂子/kg水/kg粉煤灰/kg减水剂/%纳米碳纤维/%1#49510086721801300.602#49510086721801300.60.13#49510086721801300.60.24#49510086721801300.60.35#49510086721801300.60.51.4性能测试与表征孔隙率测试：利用浸水质量法测定试样孔隙率。力学性能测试：按GB/T 50081—2019[20]对预应力混凝土的抗压强度、抗折强度、劈裂强度进行测试。采用落锤试验机冲击性能，冲击速度为2.43 m/s，落锤质量为30.52 kg。磨损性能测试：按JTG 3420—2020进行测试。2结果与讨论2.1孔隙率分析图1为纳米碳纤维掺量对预应力混凝土材料孔隙率的影响。从图1可以看出，随着纳米碳纤维掺量的增加，预应力混凝土结构的孔隙率呈现先下降后上升的趋势。当纳米碳纤维掺量为0.3%时，预应力混凝土材料的孔隙率达到最低，较未添加纳米碳纤维的预应力混凝土材料减少了12.63%。这主要是由于纳米碳纤维的添加能够促进预应力混凝土的水化反应，提升预应力混凝土结构的致密性[21]，从而降低预应力混凝土孔隙率。当纳米碳纤维产量超过0.3%时，预应力混凝土材料的孔隙率出现小幅上升，这主要是由于过量的纳米碳纤维在预应力混凝土材料中发生的团聚现象，影响了纳米碳纤维在预应力混凝土中的分散性[22]，导致预应力混凝土孔隙率有所增加。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.011.F001图1纳米碳纤维掺量对预应力混凝土材料孔隙率的影响Fig.1Effect of carbon nanofiber content on the porosity of prestressed concrete materials2.2力学性能分析图2为纳米碳纤维对预应力混凝土材料力学性能的影响。从图2可以看出，随着纳米碳纤维掺量的增加，预应力混凝土的抗压强度和抗折强度均呈现先上升后小幅降低的趋势。当碳纳米掺量达到0.3%时，预应力混凝土的抗压强度和抗折强度均达到最高。纳米碳纤维掺量为0.1%、0.2%、0.3%和0.5%时，预应力混凝土的抗压强度较未添加纳米碳纤维的混凝土提高6.38%、12.76%、17.02%和14.89%；预应力混凝土的抗折强度较未添加纳米碳纤维的混凝土提高10.34%、20.68%、25.86%和13.79%。这主要是由于纳米碳纤维属于中空管道，具有较强的弹性，能够提升预应力混凝土的应力，防止裂纹产生[23-24]。但是，当纳米碳纤维掺量过多时，预应力混凝土的抗压强度和抗折强度小幅降低，这可能是由于加入过量的纳米碳纤维，导致预应力混凝土的流动性降低[25]。因此，控制预应力混凝土和纳米碳纤维的配比至关重要。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.011.F002图2纳米碳纤维掺量对预应力混凝土材料力学性能的影响Fig.2Effect of carbon nanofiber content on the mechanical properties of prestressed concrete materials随着纳米碳纤维掺量的增加，预应力混凝土的劈裂抗拉强度呈现先上升后下降的趋势。当纳米碳纤维掺量为0.3%时，预应力混凝土的劈裂抗拉强度达到最高，为4.32 MPa，较未添加纳米碳纤维的预应力混凝土提升了34.58%。当纳米碳纤维掺量超过0.3%时，预应力混凝土复合材料的劈裂抗拉强度小幅降低，仍然比未添加纳米碳纤维的预应力混凝土增加了24.92%。由此表明，适量掺入纳米碳纤维可以改善预应力混凝土的劈裂抗拉强度，而掺入过量则降低预应力混凝土的劈裂抗拉强度。2.3磨损性能分析图3为纳米碳纤维掺量对预应力混凝土材料磨损性能的影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.011.F003图3纳米碳纤维掺量对预应力混凝土材料磨损性能的影响Fig.3Effect of carbon nanofiber content on the wear performance of prestressed concrete materials从图3可以看出，随着纳米碳纤维掺量的增加，预应力混凝土的磨损量呈现先下降后上升的趋势。当纳米碳纤维掺量为0.3%时，预应力混凝土的磨损量达到最低，为1.2 kg/m2，相比未添加纳米碳纤维的预应力混凝土的磨损量降低了53.85%。这主要是由于预应力混凝土材料中的磨损消耗主要来源于砂浆的磨损，而纳米碳纤维的加入有效增加了砂浆和其他粗集料之间的结合力，增加了预应力混凝土结构的紧凑性，从而增强了预应力混凝土材料的耐磨性能。但是，当纳米碳纤维掺量超过0.3%时，预应力混凝土的磨损量略微上升。这主要可能是由于纳米碳纤维的长径比较大[26]，当纳米碳纤维材料掺量过大时，其在预应力混凝土中发生团聚现象，影响了纤维的均匀分散性，预应力混凝土的局部结构产生较大的空隙，从而增加了混凝土的磨损量。2.4破坏形貌分析为进一步分析纳米碳纤维改性预应力混凝土的效果，观察低速冲击试验后的未添加纳米碳纤维和掺入0.3%纳米碳纤维的预应力混凝土试件的上表面裂纹形貌，图4为具体结果。从图4a可以看出，未添加纳米碳纤维时，预应力混凝土破坏后上表面出现蛛网开裂，试件整体呈现弯曲破坏。从图4b可以看出，相比未添加纳米碳纤维预应力混凝土试样，掺入0.3%纳米碳纤维的预应力混凝土试样经低速冲击试验，其表面的裂纹更细，裂纹宽度大幅度减小。图4预应力混凝土试样的破坏形貌Fig.4Damage morphology of prestressed concrete specimens10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.011.F4a110.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.011.F4a23结论适量掺入纳米碳纤维可有效降低预应力混凝土结构的孔隙率，增加结构致密性。当纳米碳纤维掺量为0.3%时，预应力混凝土孔隙率为26.23%。随着纳米碳纤维掺量的增加，预应力混凝土的抗压强度、抗折强度和抗裂劈拉强度呈现先上升后小幅降低的趋势，纳米碳纤维掺量超过0.3%时，预应力混凝土的力学性能小幅降低。适量掺入纳米碳纤维可有效降低预应力混凝土结构的磨损量，当纳米碳纤维掺量为0.3%时，预应力混凝土的磨损量达到最低，为1.2 kg/m2，相比未掺纳米碳纤维预应力混凝土的磨损量降低了53.85%。综合分析，当纳米碳纤维掺量为0.3%时，对预应力混凝土的增强效果最佳。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2023.12.011.F005