炭纤维增强水泥复合材料的制备及力学性能研究.docx

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炭纤维增强水泥复合材料的制备及力学性能研究

FRP/CM2009.No.6

炭纤维增强水泥复合材料的制备及力学性能研究

郑争旗1

余洋1

闫曦

2

（1.新疆创越投资有限责任公司,新疆乌鲁木齐

830011;2.中科院山西煤炭化学研究所,山西太原

030001

摘要:

本文采用羧甲基纤维素钠（SodiumCarbonxymethylCellulose,CMC与硅微粉（FineSilicaFumes,SF作为复合分散

剂对PAN基炭纤维进行协同分散来制备炭纤维增强水泥复合材料（CarbonFiberReinforcedCementComposites,CFRCC,研究了炭纤维用量、分散剂配比及水灰比对其强度的影响。

试验结果表明,此法对纤维具有良好的分散效果。

经过对各个掺量进行优选发现,在炭纤维为水泥掺量的1%,CMC和SF的分别为0.05%和15%,水灰比为0.30~0.32时效果最好,所得CFRCC7d（7天的抗折和抗压强度分别提高了31.22%和41.25%。

关键词:

炭纤维;增强水泥;制备;力学性能

中图分类号:

TB332文献标识码:

A文章编号:

1003-0999（200906-0031-04

收稿日期:

20080701

本文作者还有史景利和郭全贵。

作者简介:

郑争旗,男,助理工程师,主要从事碳纤维的开发及其应用研究。

炭纤维增强水泥复合材料（CarbonFiberReinforcedCementComposites,CFRCC是70年代末期逐渐发展起来的一类新型水泥基复合材料,这类材料以高比强度、高比模量、良好的抗弯、抗拉、抗冲击强度以及纤维的化学稳定性等优点而倍受人们青睐

[1~3]

。

CFRCC在很多国家的建筑、桥梁,石油钻井等领域都有

应用。

日本鹿岛建设公司于1982年最先将沥青基炭纤维制成的CFRCC板用于伊拉克的AlShehee纪念馆的外部,1986年又利用CFRCC为幕墙板建成了KasakaKoppong区的一座办公大楼,总面积达32000㎡,与普通混凝土相比,重量减轻50%,强度增加5~10倍,钢材减少20%。

1988年在东京兴建的几座大楼又采用这种幕墙,引起了社会的广泛反响

[4,5]

。

目前,有关

CFRCC的制备、性能及应用研究已经成为一个热门领域,吸引了国内外众多科技工作者的注意。

其中,以美国纽约Buffalo大学的D.D.L.Chung、X.Fu及PW.Chen、哈尔滨工业大学的欧进萍、同济大学的吴科如及武汉工业大学的沈大荣、李卓球等人的研究最具代表性,他们在这一领域进行了系统而深入地研究。

现已成功地研制出具有温度自监控、自修复、自适应、自调节、损伤自诊断和反射与吸收电磁波等功能的智能型混凝土

[6~15]

。

虽然国内外在CFRCC制备方面取得了许多成

就,但由于炭纤维的表面疏水性,在CFRCC制备方面还存在着炭纤维的均匀分散问题。

目前,国内外解决这种问题的主要方法是加入分散剂和纤维表面处理两种方法[16~18]

。

其中表面处理法由于工艺复杂很少被采用,而用分散剂分散纤维虽然可以很好

地改善纤维在CFRCC中的分散性,但是分散剂加量太小时,分散效果不明显,而加量太大又会向

CFRCC中引入大量缺陷,另外,分散剂还具有增稠作用、缓凝作用和价格昂贵等缺点[19]

因此,单一用

分散剂来分散纤维已经不是经济可行的好方法了。

有文献报道

[20]

含有活性成份的外掺粉料（如硅微

粉、粉煤灰、珍珠粉砂等对纤维也有较好的分散作用,而且这些外掺粉料具有提高CFRCC的密实度,增加其力学性能等作用。

因此本文拟采用羧甲基纤维素钠（SodiumCarbonxymethylCellulose,CMC与硅微粉（FineSilicaFumes,SF作为复合分散剂对PAN基炭纤维进行协同分散,同时考察了复合分散剂、炭纤维用量及水灰比对CFRCC力学性能的影响。

1实验原料及制备工艺

11实验原料

高效减水剂FDNA（萘磺酸盐甲醛缩合

物,山东汶河化工有限公司提供、硅微粉（800目、PAN基炭纤维（T300、消泡剂（磷酸三丁酯、羧甲基纤维素钠（CMC、水泥:

PS325级水泥。

表1PAN基炭纤维的物理性能参数

Table1ThephysicalparametersofPANbasedcarbonfiber

直径/m密度/gcm-3

拉伸强度/GPa弹性模量/GPa长度/mm7

1.76

3.53

230

2~3

12试样制备

（1将称量好的CMC缓慢加入占试验总用水量约25%的水中,搅拌均匀后,加入PAN炭纤维和

SF继续搅拌至纤维成单丝状态;

（2将一定比例的减水剂和水泥倒入烧杯混合,分出一部分后,将剩余水加入烧杯搅拌均匀,然后将（1中的纤维加入并充分搅拌使纤维分散均匀;最后,将分出的水泥倒入烧杯滴入几滴消泡剂继续搅拌;

（3将（2中配制的水泥浆倒入涂有脱模剂的模具中捣实,并将表面用刮刀抹平,24h后脱模,放入恒温水泥砼养护箱中养护（湿度!

95%,温度为20∀1#。

13性能测试

（1采用数码相机（NikonL3观察炭纤维在复合分散剂中的预分散效果和CFRCC的断面形貌;

（2在深圳新三思公司生产的CMT4303微机控制电子万能试验机上分别测试3d（3天和7d（7天的抗折和抗压强度,测试速率为0.1mm/min。

2结果与讨论

21炭纤维掺量对CFRCC力学性能的影响

表2PAN基炭纤维掺量对CFRCC3d、7d的抗折

和抗压强度的影响

Table2InfluenceofcontentofPANbasedcarbonfiberontheCFRCC∃sflexuralstrengthandcompressive

strengthin3daysand7days

PAN炭纤维掺量抗折强度/MPa抗压强度/MPa/wt%3d7d3d7d

3.88

表2所示为CFRCC3d、7d的抗折、抗压强度与炭纤维掺量的关系。

从表2中可以看出,在其它条件相同的情况下,随着炭纤维掺量的增加,CFRCC3d和7d的抗压和抗折强度均增大,炭纤维的掺量在1%时,抗压和抗折强度均达到最大值,随后,CFRCC的强度反而随着炭纤维掺量的增加而降低。

纤维对CFRCC的增强机理可解释为:

水泥基材料中大量的微裂纹在试件受载后会产生扩展,损害水泥基体及各组分间的界面。

纤维加入后,一方面抑制了裂纹的扩展;另一方面又利用自身的高强度,在被拔出或拔断地过程中消耗一定的能量,实现了复合体综合力学性能的提高。

在轴向受压状态下,复合体要发生横向变形,由于纤维的存在,加大了这种变形的难度,并阻止了纵向裂纹的扩张,最终发挥了纤维的高强抗拉特性,使CFRCC的性能得以提高。

随着炭纤维掺量的增加,纤维在水泥基体中形成的三维网络分布越密集,纤维的增强作用越大;但掺量太大时,炭纤维易发生集束团聚,导致材料内部发生应力集中,使材料的抗折和抗压强度降低,从而影响纤维的作用发挥。

因此,为了保证炭纤维较为均匀地分散于水泥基体中,炭纤维的掺量不宜过大。

22SF与CMC复合分散剂对CFRCC力学性能的

影响

炭纤维是疏水性物质,在水中不易分散,故常需采用分散剂。

CMC、HEC、MC等常用作纤维的分散剂[21]。

这些物质对纤维具有分散性是因为他们中所含有的极性官能团（羟基和羰基能与H2O分子之间形成氢键,增强纤维的表面亲水性,使纤维在水中的分散性得到改善。

因CMC价格相对低廉,本试验选用它作为分散剂。

此外,含有活性成份的外掺粉料（如硅微粉、粉煤灰、珍珠粉砂等对纤维也有较好的分散作用,这是因为这些极细的球状外掺粉料在水泥基体中的%滚珠效应&可以大大提高纤维在基体中的分散程度。

有试验研究表明,炭纤维含量较低时,采用SF可以有效提高炭纤维的分散性;而炭纤维含量较高时,只要搅拌均匀,也可使炭纤维在整个体积内分布均匀。

另外SF又具有填充水泥与纤维间缝隙的作用,使试件致密,同时其中的活性成份SiO2与水泥水化产物Ca（OH2发生反应,生成CSH（CaOSiO2H2O凝胶,使本来界面上较富余的Ca（OH2转变为CSH凝胶,提高了界面粘结强度及复合材料性能[20,22]。

因此本实验用%SF+CMC&作为复合分散剂研究其对CFRCC力学性能的影响,图1为SF与CMC复合分散剂对炭纤维的分散效果图,从图1（a、1（b可以看出炭纤维在复合分散剂及CFRCC中分布非常均匀。

表3和表4分别为CMC和SF掺量对CFRCC的抗折和抗压强度的影响。

表3CMC掺量对CFRCC的7d抗折、抗压强度的影响

Table3InfluenceofcontentsofCMContheCFRCC∃sflexuralstrengthandcompressivestrengthin7days

从表3可以看出,在纤维掺量一定时,随着CMC掺量的减少,CFRCC7d的抗折和抗压强度均增大。

这是因为CMC虽然对炭纤维具有良好的分

图1%SF+CMC&复合分散剂对PAN基炭纤维的分散

Fig.1PhotoofPANbasedcarbonfiberdispersed

incompositedispersantandCFRCC

散作用,但是过多加入CMC后会产生引气作用,在基体材料中形成许多气泡,影响CFRCC的力学性能,磷酸三丁酯等物质具有消除气泡的作用,加入后可有效消除水泥浆体中的气泡,但由于其具有酸性,而水泥的水化反应又是在碱性环境中进行的,所以消泡剂的加量必须适中。

同时CMC过多加入后会极大增加水泥浆体的黏度,影响浆体的流动性,甚至会导致已经预分散开的纤维重新团聚。

通过对CFRCC断面观察可以看出,0.05%的CMC足以使实验所用纤维在基体中分散良好,因此本文选用水泥质量的0.05%作为CMC的最佳掺量。

表4SF掺量对的CFRCC3d、7d的抗折和抗压强度影响

Table4InfluencesofcontentsofsilicafumesontheCFRCC∃sflexuralstrengthandcompressivestrengthin3daysand7days

CMC+SF掺量/wt%抗折强度/MPa抗压强度/MPa3d7d3d7d

表5水灰比对CFRCC3d、7d的抗折和抗压强度的影响

Table5InfluencesofwatercementratioontheCFRCC∃s

flexuralstrengthandcompressivestrengthin3daysand7days水灰比

抗折强度抗压强度

3d7d3d7d

3结论

本文采用%CMC+SF&复合分散剂对炭纤维进行分散来制备CFRCC,此法可有效地对炭纤维进行分散,所得CFRCC材料7d的抗折和抗压强度分别提高了31.22%和41.25%,并通过实验对炭纤维掺量、水灰比,CMC和SF的掺量等工艺参数进行优化后得出:

FRP/CM2009.No.6

（1炭纤维的掺量为水泥质量的1%时最好,太低时不能有效阻止裂纹的扩散,太高时纤维又易产生团聚现象