碳纤维增强水泥基复合材料的研究_王闯.pdf
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1、1前言2 0世纪6 0年代以来,碳纤维作为新一代复合材料的补强纤维,以其高强度比、高模量比、低密度、低X光吸收率、抗腐蚀、耐烧蚀、抗疲劳、耐热冲击、导电导热性能好、传热系数小、膨胀系数小和自润滑等优异性能而在航天、航空、航海、建筑、轻工等领域中获得了广泛的应用。将碳纤维加入到水泥基 体 中 即 制 成 碳 纤 维 增 强 水 泥 基 复 合 材 料(C F R C),也称纤维增强混凝土 1-4。在水泥基体中掺入高强碳纤维是提高水泥复合材料抗裂、抗渗、抗剪强度和弹性模量,控制裂纹发展,提高耐强碱性,增强变形能力的重要措施。此外,碳纤维还具有震动阻尼特性,可吸收震动波,使防地震能力和抗弯强度提高十
2、几倍 2,3。更为可贵的是,碳纤维具有导电性,将其加入到水泥基体中可赋于其智能性,极大地扩大了它的应用范围。C F R C复合材料在承受载荷时表面不产生龟裂,其抗拉强度和抗弯强度、断裂韧性比不增强的高几倍到十几倍,其冲击韧性也相当可观。短切碳纤维增强水泥所用碳纤维的长度一般为3 6 mm,直径为7 2 0 m,抗拉强度范围在0.5 0.8 G P a。普通水泥的强度通常为1 1.7 6 MP a,若按重量掺入1 5%的碳纤维,其强度可达到2 4 5 MP a;若掺入量为2 0%时,强度可高达5 4 8.8 MP a 2。此外,与普通混凝土相比,C F R C具有碳纤维增强水泥基复合材料的研究S
3、 t u d yo f c a r b o n-f i b e r-r e i n f o r c e dc e me n t-b a s e dc o mp o s i t e s王 闯 张修身(陕西铁路工程职业技术学院,陕西 渭南7 1 4 0 0 0)摘 要:水泥混凝土材料以其抗压强度高、施工方便等优点在人类建筑史上发挥了重要作用,但由于其功能单一、脆性大、自重大、抗拉强度和抗弯强度低等缺点,在特殊领域中的用途受到了很大限制。碳纤维具有高弹性、高模量、比重小、耐腐蚀、对人畜无害等优异性能被视为许多材料的优良增强体。将其加入到水泥基体中,制成碳纤维增强水泥基复合材料(C F R C),不仅
4、可改善水泥自身力学性能的缺陷,使其具有高强度、高模量、高韧性,更重要的是把普通的水泥建筑材料变成了具有自感知内部温度、应力和损伤及一系列电磁屏蔽性能的功能材料。关键词:碳纤维;水泥基;复合材料A b s t r a c t:C e m e n t c o n c r e t em a t e r i a l s h a v ep l a y e da ni m p o r t a n t r o l ei nh u m a ns c o n s t r u c t i o nh i s t o r yf o r i t s h i g hc o m p r e s-s i v e s t r
5、e n g t ha n de a s y o p e r a t i o nd u r i n g c o n s t r u c t i o n.H o w e v e r,i t s a p p l i c a t i o ni ns o m e s p e c i a l f i e l di s g r e a t l y r e s t r i c t e do w i n gt oi t s s i n g l e f u n c t i o n,b r i t t l e n e s s,h e a v ys e l f-w e i g h t,p o o r s t r e
6、n g t ha g a i n s t t e n s i o na n db e n d i n g.C a r b o nf i b e r s a r e r e g a r d e da sg o o dr e i n f o r c e m e n t f o r m a n ym a t e r i a l s d u et ot h e i r h i g he l a s t i c i t y,h i g hm o d u l u s,l e s s d e n s i t y,r e s i s t a n c et oc o r r o s i o n,a n dh a
7、 r m l e s s n e s s t oh u m a nb e i n g s a n dd o m e s t i c a n i m a l s.C a r b o n-f i b e r-r e i n f o r c e dc e m e n t-b a s e dc o m p o s i t e s(C F R C)t h a t a r ea c h i e v e db ya d d i n gc a r b o nf i b e r s i n t oc e m e n t e x h i b i t h i g hf l e x u r a l s t r e n
8、 g t h,h i g ht e n s i l es t r e n g t h,h i g hf l e x u r a l t o u g h n e s sa n dh i g ht e n s i l e d u c t i l i t y.T h u s n o t o n l yt h e m e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c e m e n t a r e i m p r o v e d,b u t f u n c t i o n a l m a t e r i a l s C F R Ca r e o b t a i n
9、 e dt h a t a r e a b l e t os e n s e t h e i n t e r i o r t e m p e r a t u r e,s t r e s s a n dd a m a g e a s w e l l a s t os h i e l do f f e l e c t r o m a g n e t i c w a v e s.K e y w o r d s:C a r b o nf i b e r s;C e m e n t m a t r i x;C o m p o s i t e s中图分类号:T Q1 7 2.7文献标识码:A文章编号:1
10、0 0 3-8 9 6 5(2 0 0 7)0 5-0 0 0 5-0 5水泥与混凝土5质轻、强度高、流动性好、扩散性强、成型后表面质量高等优点,将其用作隔墙时,重量比普通混凝土制作的隔墙薄1/2 1/3,重量减轻1/2 1/3。因此,C F R C性能的研究近年来发展迅猛。2 C F R C的性能特点及应用2.1 C F R C的制备C F R C的制备一般由混料、成型、养护3步组成。利用分散剂将碳纤维预先分散开来,再与水泥、砂子、石子、外加剂等均匀混合,然后采用浇注法、挤出法、压制法、压制脱水法或振动法之一使混合料成型,成型后的试件放入到水或养护箱中养护,干后即成C F R C复合材料,通
11、常有水泥砂浆和水泥混凝土两种类型,后者更具有实用性。制备C F R C过程中,如何使碳纤维均匀分散到水泥基体中,是决定C F R C复合材料性能好坏的关键。常用的拌合方法有两种:干拌法和湿拌法。前一种方法是先将碳纤维和水泥混合搅拌均匀后,再加入砂子、水和其他外加剂;后一种方法是将碳纤维预先分散在部分水中,再与水泥、砂子、硅灰和外加剂混合搅拌。搅拌工艺也十分讲究,一般采用间歇式自动控制搅拌仪。碳纤维水泥浆体的理想搅拌工艺为先拌制水泥和碳纤维,再加入拌合水或先将碳纤维在溶有分散剂的水中分散后加入水泥搅拌3 0秒钟,最后加入标准砂再继续搅拌。碳纤维在制备好的C F R C试件中呈三维乱向分布,由于受
12、纤维排列方式和长度的影响,短切碳纤维的增强效果不如单轴连续纤维和两维乱向分散的短纤维增强效果。2.2力学性能水泥是脆性材料,但只要加入3 v o l%的碳纤维就可以完全改变它的脆断特性,其模量可提高2倍,强 度 增 加5倍。如 果 定 向 加 入,则 加 入1 2.3 v o l%的 中 强 碳 纤 维 便 可 使 水 泥 的 强 度 从5 MP a提 高 到1 8 5 MP a,抗 弯 强 度 也 可 达 到1 3 0 MP a 2,4 5。赵稼祥 6 认为,用碳纤维增强水泥可以使抗拉强度和抗弯强度提高5 1 0倍,韧性与延伸率提高2 0 3 0倍,结构质量减轻1/2。郭全贵等人 7 利用单
13、丝拔出试验测定了C F R C复合材料的界面结合力,认为高强度和高模量碳纤维的加入,有效阻止了裂纹的扩展,在复合材料受载时,基体通过界面将载荷传递给碳纤维,从而使碳纤维成为载荷的主要承载者,由于纤维的拔出或断裂吸收了大量的能量,所以复合材料的抗拉强度、抗弯性能、韧性等力学性能均得到了显著改善。2.3压敏性1 9 8 9年美国的D D L.C h u n g研究小组首先发现,在水泥基体中掺入短切碳纤维,可使其具有自感知内部应力、应变和损伤程度的功能 8。随着压应力的变化,C F R C电阻率发生变化的现象称做压敏性,C F R C的主要特性就是压敏性和温敏性。当C F R C试件两端有温差时,会
14、在此两端产生电压差,其冷端为负极,热端为正极,这便是所谓的热电效应。另一方面,当对C F R C施加电场时,会在混凝土中产生热效应,引起所谓的电热效应,这两种效应都是由碳纤维混凝土中空穴性电导运动所致。通过电阻率的变化可以测定C F R C中安全、损伤和失效3个工作阶段。由于C F R C既具有热电效应,又具有电热效应,因此把它“植入”混凝土结构时,可对混凝土结构进行温度分布自诊断,根据诊断结果实现混凝土结构的温度自适应。当C F R C与电源连通后,导电混凝土产生热量,使路面温度升高,当温度升到0 以上后,路面上的冰雪就会自动融化成水蒸发流走,从而保障道路畅通和行车安全,国外已将温敏混凝土用
15、于机场道路及桥梁路面的融雪和融冰中 8,9。2.4屏蔽效应屏蔽是电磁干扰防护控制的最基本方法之一,其目的一是控制内部辐射区域的电磁场,不使其越出某一区域;二是防止外来的辐射进入某一区域。当外来电磁波遇到屏蔽材料时,就会被吸收、反射和多次反射,电磁波能量的继续传递受到削弱。C F R C复合材料中可形成导电网络,从而可产生屏蔽性能,碳纤维的添加量、长度以及成型方法对C F R C的屏蔽性能均有较大的影响。材料的屏蔽效能S E达到3 0 6 0 d B的中等屏蔽值时才认为有效。性能良好的电磁屏蔽材料应具有较高的电导率和磁导率。碳纤维对电磁波有较强的反射性,利用水泥与混凝土6此特性可将碳纤维复合材料
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