碳纤维增强水泥材料的性能实验分析
【摘要】碳纤维由于具有高比强度、高比模量、密度小、耐腐蚀、导电性好、对人畜无害等优异性能而颇受材料科学工作者的青睐，被视为许多复合材料的良增强体。将碳纤维加入到水泥基体中，制成碳纤维增强水泥基复合材料，不仅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。通过对水泥基体掺入碳纤维进行研究，得出了复合体抗压强度、劈拉强度与碳纤维掺量的关系。
【关键词】碳纤维 水泥 性能 抗压强度 0前言
将碳纤维加人到水泥基体中即制成碳纤维增强水泥基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Cement Based Composites)简称CFRC，也称纤维增强混凝土。在水泥基材料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， 控制裂纹扩展，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几倍。
近年来国内外学者对碳纤维增强水泥基材料进行了大量的研究，得出了许多宝贵的结论。但碳纤维增强水泥基材料的工程应用依然未见成熟，其性能变化机理还需进一步论证。本研究采用目前国内市场上常见的纤维作为水泥基增强材料来开展，以期为碳纤维增强混凝土的实际推广应用提供更为充分的实验依据。
1 实验
1.1实验用原材料
碳纤维和德兰尼特纤维,其基本力学性能见表1。
表1 两种的纤维的力学性能
纤维名称 直径（μm） 长度（mm） 密度（g/㎥） 抗拉强度（Mpa） 弹性模量（Gpa）
碳纤维 7. 0 5~ 15 1. 75 ＞1950 ＞175
德兰尼特纤维 13. 0 6 1. 18 > 910 > 17. 1
1.2实验材料制备
CFRC的制备一般由混料、成型、养护3步组成。将碳纤维与混水泥与砂子、
石子、水、外加剂等均匀混合, 然后按照浇注法、挤出法、压制法、压制脱水法或振动法之一使混合料成型, 成型后的试件放人到水或养护箱中养护, 干后即成CFRC 复合材料, 通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CFRC过程中, 最关键的问题是如何使碳纤维均匀分散到水泥基体中,这是决定CFRC复合材料性能的重要因素。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, 再加人砂子、水和其他外加剂,搅拌2min后入模、振动成型、24h后脱模、养生；后一种方法是将部分水、碳纤维、水泥、砂子和外加剂混合搅拌2min后,再加人分散剂梭甲基纤维素(CMC )和硅灰搅拌1min,最后再加人剩余水搅拌1min后入模、振动成型、24h后脱模、养生。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,再加人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30s,最后加人标准砂再继续搅拌。碳纤维在制备好的CFRC试件中呈三维乱向分布, 由于受纤维排列方式和长度的影响, 短切碳纤维的增强效果比单轴连续纤维和两维乱向分散的短纤维增强效果差。
成浆体状后注入10cm×10cm×10cm 的立方体试模, 充分振动成型。一天后脱模, 潮湿养护7天后测试其抗压强度和劈拉强度。实验数据按《普通混凝土力学性能试验验方法》( GBJ81- 85) 的要求进行处理。
2 实验结果与分析
2．1 抗压强度
( 1) 碳纤维增强
表2为碳纤维增强水泥的抗压强度随纤维掺量变化的实验数据。其中水灰比0.45, 砂灰比为0.5。碳纤维的掺量以占水泥质量百分比表示,0-%表示未加分散剂( 下同) 。
表2 不同碳纤维掺量下的水泥基体抗压强度MPa
纤维掺量 0-% 0% 0.1% 0.2% 0.3% 0.4% 0.5% 0.6%
抗压强度 14.7 14.6 14.1 15.7 16.4 15.8 16.6 18.7
从表中可以看出在水灰比一定的条件下, 随着碳纤维含量的增加, 复合体的抗压强度逐渐提高。在碳纤维掺量为0.6%时, 表2中复合体强度比纯水泥基体增加约 27%。
( 2) 德兰尼特纤维增强
表3 为水灰比0. 35时, 德兰尼特纤维掺量与水泥基体抗压强度的关系。
表3 德兰尼特纤维掺量与水泥基体抗压强度的关系MPa
水灰比 纤维掺量 0-% 0.5% 1.0%
0.35 抗压强度 27.1 32.7 27.1
从表3中可看出, 在掺量为0. 5%时, 对纯水泥基体增强时抗压强度可提高21%, 对水泥砂浆的增强效果与碳纤维增强时相当, 增加了约11%。掺量继续增大时, 由于纤维分散困难, 抗压强度将降低。
2．2 劈拉强度
( 1) 碳纤维增强
由于混凝土的轴向拉伸试验方法中偏心和局部应力集中不易解决, 目前主要采用劈拉法来间接测定抗拉强度。表4为水灰比0.4 时, 碳纤维掺量与水泥基体劈拉强度的关系。
表4 碳纤维掺量与水泥基体劈拉强度的关系MPa
水灰比 纤维掺量 0-% 0% 0.2% 0.4% 0.6% 0.8%
0.4 劈拉强度 2.12 2.08 1.67 2.57 2.31 2.73
( 2) 德兰尼特纤维增强
表5为水灰比0.4 时, 碳纤维掺量与水泥砂浆基体劈拉强度的关系。
表5 德兰尼特纤维掺量与水泥砂浆基体劈拉强度的关系 MPa
水灰比 砂灰比 纤维掺量 0-% 0.5% 1.0%
0.4 0.5 劈拉强度 1.84 2.53 2.45
3 分析与结论
水泥基材料中分布了大量的微裂纹,受载后裂纹扩展,损害水泥基体及各组分间的界面。在裂纹扩展占优的情况下, 水泥材料的强度与理论值相距甚远,纤维加入后,一方面抑制了裂纹的扩展,一方面又利用自身的较高强度,在被拔出或拔断过程中消耗一定的能量,实现复合体综合力学性能的提高。在轴向受压状态下,复合体要向横向发生变形,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,最终发挥纤维的高强抗拉特性,使得复合体抗压强度有所提高。
碳纤维在水泥基体中的均匀稳定分散决定了复合体力学性能的可靠性。随着碳纤维的掺量增加,浆体的流动度不断减小,其分散也变得较为困难,复合体性能
的不稳定性加大。在本实验研究条件下,碳纤维在水泥基体中的掺入量不应大于1%。实验采用的水灰比在0.3~ 0.5 范围内, 一方面保证了纤维的均匀分散, 另一方面也使基体强度不受过大损失。实验同时证明采用0.5的砂灰比对碳纤维增强混凝土材料来说是合适的。分散剂羧甲基纤维素有引气作用,如果振动不充分,大量气泡残留在基体中将大大降低复合后的强度。
德兰尼特纤维的加入不需要分散剂,易于搅拌,在水灰比较小的情况下,也能够良好的分布于基体中,而且基体强度高,界面粘结好。从对比中发现,目前国内碳纤维的质量还有待提高,作为成品出售的短切碳纤维长度还没法保证统一,变化范围较大,据其他研究文献显示,长度较大的碳纤维会影响分散效果。德兰尼特进口纤维长度基本一致, 密度小,在相同的质量分数下,加入的纤维数目较多,弥补了强度低的缺点。德兰尼特纤维虽然强度低于碳纤维,但由于复合制备工艺简单方便,而且产品价格低廉、质量可靠度较高,综合效果并不逊于碳纤维。
[1] 王茂章,贺福.碳纤维的制造、性质及其应用[M].北京:科学
出版社,1984.
[2] 李克智,王闯,李贺军,等.碳纤维增强水泥基复合材料的发展
与研究[J].材料导报,2006,20(5):85-88.
