碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的性能與應(yīng)用展望

王曉杰

（南京凱盛國(guó)際工程有限公司，江蘇 南京 210036）

0 引言

碳纖維是一種強(qiáng)度高、模量大、力學(xué)性能優(yōu)良的新型材料。其中的碳含量超過(guò)95%，這是通過(guò)有機(jī)纖維碳化和石墨化得到的微晶石墨材料。碳纖維具有許多優(yōu)良的性能，它的比重小于鋼的1/4，但它的強(qiáng)度高于鋼，并且它具有耐腐蝕、高模塊化的特點(diǎn)，在非氧化環(huán)境中具有不易蠕變、高溫和耐疲勞的良好性能。復(fù)合材料是一種具有兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，包括物理或化學(xué)方法構(gòu)成的組成的具有新性能的材料，碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料作為一種以增強(qiáng)材料和聚合物基體組成的材料，近年來(lái)發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械、電子、化工等領(lǐng)域。

1 纖維水泥基復(fù)合材料的相關(guān)概念

1.1 纖維水泥基復(fù)合材料

纖維水泥基復(fù)合材料就是指以水泥砂漿、水泥漿或混凝土為粘結(jié)劑，以間歇短纖維或連續(xù)長(zhǎng)纖維為增強(qiáng)材料的水泥基復(fù)合材料。在水泥砂漿中加進(jìn)去一定量的纖維不僅能夠提升混凝土的剛度和韌性，同時(shí)對(duì)于水泥基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和韌性也有一定的幫助，此外還能夠有效抑制裂紋擴(kuò)展，提高非成形材料的流動(dòng)性，是改善其性能的最有效途徑。

1.2 纖維摻入水泥基復(fù)合材料的作用

將纖維摻入水泥基復(fù)合材料具備以下三種作用：1.能夠有效地增加水泥的基體的應(yīng)力，促使水泥基體可以承受更大的外部壓力。2.在一定程度上能夠?qū)λ嗷w韌性和沖擊強(qiáng)度有所幫助，纖維基質(zhì)的改善比水泥基體韌性的改善效果更加明顯。3.它可以有效地阻止裂紋的擴(kuò)展或改變裂紋的方向，減小裂紋的寬度和平均裂縫面積。

1.3 碳纖維水泥基復(fù)合材料

碳纖維水泥基復(fù)合材料是將碳纖維材料合金化成水泥基復(fù)合材料而制成的復(fù)合材料，具有抗裂、耐腐蝕、抗靜電、耐磨、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。碳纖維材料對(duì)水泥基復(fù)合材料的改善主要是由于其優(yōu)異的力學(xué)性能和兩種材料的協(xié)同作用，以提高其整體力學(xué)性能。碳纖維材料與水泥基復(fù)合材料的物理、力學(xué)和各種物理化學(xué)性能差異很大，特別是對(duì)于水泥基復(fù)合材料，由于水泥漿體-集料界面過(guò)渡區(qū)等原因，導(dǎo)致材料表面粘結(jié)強(qiáng)度低，從而使得界面分層破壞，碳纖維材料的加入顯著改善了這種情況。碳纖維材料改性水泥基復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐壓、抗拉強(qiáng)度和抗沖擊性能，這也使得碳纖維水泥基復(fù)合材料在許多方面的應(yīng)用效果良好。

2 碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的性能

2.1 碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的制備

碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的生產(chǎn)需要的材料有很多，其中最為主要的原材料如下：水泥、礦物細(xì)粒度的添加劑、細(xì)骨料、表面活性劑、瀝青基粉、水和減水劑。將上述材料準(zhǔn)備齊全后可以轉(zhuǎn)化為碳纖維水泥混合物料，之后在通過(guò)直接澆鑄、壓制、擠壓等方式形成CFRC。在振動(dòng)過(guò)程中，直接澆鑄法應(yīng)控制振動(dòng)時(shí)間。CFRC 產(chǎn)品成型后的固化一般包括空氣固化、蒸汽固化和熱水固化，如果想縮短CFRC 固化過(guò)程，可以使用蒸汽固化。在制備碳纖維水泥混合物的過(guò)程中，因?yàn)槔w維不容易分散均勻，一個(gè)特殊的攪拌機(jī)就顯得十分必要。借助攪拌機(jī)能夠使得纖維更容易分散均勻，破壞的程度也會(huì)降低，而混合拌合的同時(shí)還存在一定程度的揉捏，促使該混合物準(zhǔn)備具有適當(dāng)?shù)恼吵矶?。如果在制備過(guò)程中沒(méi)有攪拌機(jī)，那么應(yīng)該在同一時(shí)間添加細(xì)礦物混合物和表面活性劑，借助這兩種材料的的協(xié)同作用可使纖維均勻分布。

2.2 碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的性能

1.抗拉強(qiáng)度

水泥基材料在制造過(guò)程中攪拌不均勻，立式模具振動(dòng)時(shí)間不足，導(dǎo)致成品不均勻，在成品內(nèi)部存在氣孔，所以會(huì)使得最后的水泥基材料抗拉強(qiáng)度低。但是如果在混合過(guò)程中加入適量的短切纖維，可以在攪拌過(guò)程中得到均勻分布的碳纖維溶液，在凝固硬化過(guò)程中，加入切碎的纖維和水泥基材料，形成一個(gè)整體，并承受集體載荷。當(dāng)構(gòu)件發(fā)生裂紋時(shí)，為了提高簡(jiǎn)單水泥基材料的抗彎性能，需要在去除或破壞短切纖維時(shí)吸收能量。

2.抗壓強(qiáng)度

Park 等學(xué)者發(fā)現(xiàn)當(dāng)瀝青基碳纖維中纖維體積分?jǐn)?shù)小于3%時(shí)，抗壓強(qiáng)度不如簡(jiǎn)單水泥基質(zhì)的抗壓強(qiáng)度強(qiáng)。當(dāng)3%時(shí)，抗壓強(qiáng)度降低約15%。Akihima Fung-yun 等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，碳纖維復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度隨纖維體積速度的增加而降低。原因是制備過(guò)程中需要大量的進(jìn)料，進(jìn)料過(guò)程中會(huì)不斷地引入大量的空氣。雖然這降低了抗壓強(qiáng)度，它有利于改善壓縮壓力。

3.抗沖擊性

抗沖擊性能是碳纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料的一項(xiàng)突出力學(xué)性能。碳纖維用量和長(zhǎng)寬比的不同，可以在不同程度上提高材料的抗沖擊性，而不僅僅是具備簡(jiǎn)單的水泥基材料的性能。國(guó)內(nèi)外的抗震效果主要包括擺錘沖擊法和減重法。Banthia 和Ohama 比較了兩種不同長(zhǎng)度(3mm、10mm) CFRC 的抗沖擊性。試樣尺寸為100mm * 100mm * 10mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)分別為3%和5%時(shí)，CFRC 的抗沖擊性能可以提升至3000 倍甚至超過(guò)這個(gè)等級(jí)。

3 碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的應(yīng)用展望

在美國(guó)、日本、英國(guó)、西歐和中國(guó)，CFRC 被用于覆蓋層和路面剝離項(xiàng)目(道路和機(jī)場(chǎng)跑道)、采礦和隧道掘進(jìn)，用于確保斜坡、防水和混凝土維修，同時(shí)也用于工業(yè)地板和各種預(yù)制混凝土產(chǎn)品。合成纖維相對(duì)便宜，因此其發(fā)展前景較為樂(lè)觀。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展和人們對(duì)設(shè)計(jì)質(zhì)量要求的不斷提高，CFRC 必將顯示出其優(yōu)越的優(yōu)勢(shì)。20世紀(jì)70年代國(guó)外就已經(jīng)開(kāi)始對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行了研究，但是我國(guó)在80年代末才開(kāi)始進(jìn)行相關(guān)的研究。如今全球碳纖維制造商率先為首的是日本，其產(chǎn)品已壟斷國(guó)際市場(chǎng)，其次是美國(guó)。然而，中國(guó)在CFRC 復(fù)合材料的研究和應(yīng)用方面還是取得了可喜的進(jìn)展。碳纖維增強(qiáng)水泥是一種新型建筑材料，是新開(kāi)發(fā)的碳纖維材料的主要應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)對(duì)CFRC 復(fù)合材料的力學(xué)性能和一般電學(xué)性能的研究比較集中，對(duì)CFRC 復(fù)合材料的智能化、吸附性能和Seebeck效應(yīng)及其應(yīng)用的研究均落后于美國(guó)的DDL 小組；影響碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能和電學(xué)性能的主要部件之間的關(guān)系還沒(méi)有被準(zhǔn)確地描述和確定；CFRC 復(fù)合材料中纖維與基體之間的界面特征對(duì)其宏觀性能的影響還有待探索。

4 結(jié)論

綜上所述，近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，碳纖維的質(zhì)量有了顯著的提高，成本也有了顯著的降低，這就大大增加了市場(chǎng)對(duì)碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的需求。由于碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料與其他材料相比具有優(yōu)越的性能，將在土木工程等民用領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用。