碳纖維水泥基復合材料的研究進展

黃嘉星 萬菲 閆培會 馮超

（青島理工大學土木工程學院，山東 青島 266033）

水泥基材料作為一種傳統(tǒng)的建筑材料，因其成本低廉、工藝簡單等優(yōu)點在土木工程領域有著極為廣泛的應用。但隨著科學技術的進一步發(fā)展，傳統(tǒng)水泥基材料已經不能滿足社會發(fā)展帶來的日新月異的需求，智能結構材料這一概念被提出，國內外很多學者投入水泥基材料智能改性的研究[1-3]。一般來說，對于傳統(tǒng)水泥基材料的改性主要通過添加其他具有特殊性質的組分來實現(xiàn)。碳纖維是有機纖維在惰性氣體中經高溫碳化制成的一種特種纖維，具有質輕高強、導電性能優(yōu)異和彈性模量高等諸多特點，在諸多領域受到國內外研究學者的青睞。碳纖維水泥基復合材料是指以水泥基材料作為基材，添加碳纖維或其改性材料制成的一種復合材料。因碳纖維本身的優(yōu)異性質，與同條件下的普通水泥基復合材料相比，碳纖維水泥基復合材料具有更加優(yōu)異的物理性能，其抗壓強度、抗拉強度、抗折強度以及抗?jié)B性能都有顯著提升。普通水泥基材料的電阻率一般在105-109Ω·m之間，基本不導電，碳纖維加入水泥基材料能夠顯著改善水泥基材料的導電性能，使其電阻率大大降低，變成一種導電材料。這使得碳纖維水泥基復合材料不僅可以作為一種建筑結構承載材料，還可以作為一種智能結構材料應用于更多其他領域，例如道路、橋梁、樓房等大型水泥基結構的無損檢測；實驗室、研究院等大型設備儀器的電磁屏蔽；道路、機場等的寒冷天氣下的融雪化冰等。

1 碳纖維水泥基復合材料的增強機理

1.1 力學性能增強機理

碳纖維具有很高的力學強度，將其摻入水泥基材料中會對水泥基材料的力學性能產生強烈的增強作用。其增強機理主要為纖維阻裂機理，當碳纖維水泥基復合材料受到外加應力作用時，其內部會產生一定量的裂紋，而裂紋兩端的碳纖維因其高抗拉強度并不會馬上斷裂，這就對裂縫施加了一個對抗裂縫持續(xù)變大的應力，使得碳纖維水泥基復合材料的力學性能提高。

1.2 導電性能增強機理

碳纖維自身的導電性能優(yōu)異，當它作為增強相摻入水泥基材料中時，會在水泥基材料內部形成導電網絡，按照滲流理論[4]，碳纖維分布在水泥基材料內部，形成一個個很小的導電團簇，當其摻量變高超過某一閾值時，這些微小的導電團簇會相互連接，形成一個大型的導電滲流基團，在微觀上顯示為碳纖維單元相互搭接，形成完整的導電通路，電子能夠自由轉移，使得碳纖維水泥基復合材料具有導電性能。還有一種理論稱為隧道效應[5]，當碳纖維導電單元之間距離足夠近（10nm以下）時，相鄰的碳纖維之間會發(fā)生電子躍遷，通電時會在兩個導體之間產生隧道電流。壓敏性能以及電熱效應都來自對導電性能更加深入的研究與應用。

1.3 電磁屏蔽性能增強機理

材料的電磁屏蔽性能主要表現(xiàn)為兩個方面[6]：第一種是對電磁波的反射，當材料對電磁波的反射能力較強時，電磁波無法透過或者透過極少；第二種是對電磁波的吸收能力，入射的電磁波基本被材料吸收且能夠很快被消磨在材料內部。碳纖維主要作為一種電磁損耗介質存在，當電磁波輻射在碳纖維水泥基復合材料表面時，會形成一個磁場，連續(xù)碳纖維在磁場作用下會形成連續(xù)傳導電流，對電磁波的反射作用較強，宏觀上表現(xiàn)為對電磁波的反射；而短切碳纖維在磁場作用下相當于電偶極子，當碳纖維長度接近入射電磁波半波長時，碳纖維會產生強烈的諧振效應，產生的諧振電流會對入射電磁波造成大量損耗，宏觀上表現(xiàn)為對電磁波的吸收。

2 碳纖維水泥基復合材料的研究

2.1 壓敏效應

壓敏效應指材料的電阻率隨著應變而變化的一種性質。碳纖維水泥基復合材料的壓敏性最早由D D L Chung在1993年提出[1]，通過在水泥基材料中添加短切碳纖維，制備了碳纖維水泥基復合材料，研究了復合材料在循環(huán)載荷試驗下電阻率的變化，空白的水泥基材料在循環(huán)載荷的周期內，電阻率保持恒定不變，而碳纖維水泥基復合材料的體積電阻率隨著外加載荷的變化呈可逆的線性變化，這是因為復合水泥基材料在受到載荷作用時，其內部微裂紋的閉合與擴展導致了電阻率的降低和增大。Chung提出，碳纖維水泥基材料可以作為一種智能結構材料用于水泥基材料的無損檢測。在此之后，他們又進行了更加深入的研究[2]，研究了碳纖維的不同表面處理方法對復合材料壓敏性能靈敏度與穩(wěn)定性的影響，通過硅烷、臭氧、重鉻酸鉀的處理，提高了碳纖維與水泥基體之間的粘結強度，其中硅烷處理的碳纖維制成的水泥基復合材料表現(xiàn)最好，水泥基材料的抗拉強度提高了56%，模量和延展性提高了39%。

毛起炤等[3]通過對碳纖維水泥基復合材料受壓時電阻變化的研究發(fā)現(xiàn)，可以將其變化過程分為三個階段：可逆感應區(qū)、平衡區(qū)和劇增區(qū)，對應著試塊受壓時內部原有的孔隙和裂紋的張開和閉合、進一步受壓后新裂紋的產生以及裂紋最后的擴展破壞等，表明了碳纖維水泥基復合材料能感知自身受壓后從彈性階段到破壞階段的演變全過程，闡明了碳纖維水泥基材料壓敏性能的微觀動態(tài)機理。在此之后，越來越多的學者也投入到碳纖維水泥基復合材料的研究中來。

鄧友生等[7]將碳纖維水泥基復合材料制成應變傳感器，對混凝土梁預制件進行三點彎曲試驗，研究混凝土梁的平均應變與外加荷載的關系。結果表明，碳纖維水泥基復合材料傳感器對混凝土梁的應變具有靈敏的感知，且應變與外加荷載線性相關。

趙曉華等[8]研究了含水率對碳纖維水泥基復合材料壓阻效應的影響，結果顯示，在連續(xù)烘干和單向加載條件下，碳纖維水泥基復合材料的壓阻性能隨著含水量的變化而改變，在含水量較高時，壓阻效應為正，材料的電阻率隨著壓應變單調減少；隨著含水量的降低，壓阻效應轉變?yōu)樨摚c正壓阻效應相比，負壓阻效應變化幅度更大，更加直觀明顯，說明在低含水量時，碳纖維水泥基復合材料的壓阻性能更加靈敏。

2.2 電熱效應

碳纖維水泥基材料具有良好的導電性能，電熱效應指導電材料在電場作用下因其自身的電阻會產生熱量的性質，這一特性可以應用于很多方面。李卓球等[9]制備了用于道路融雪的碳纖維水泥基復合材料，成功地進行了室內和室外的試驗，研究了在不同溫度、不同結冰厚度、不同降雪量情況下所需的發(fā)熱功率，確定了除冰時所需的最小功率。結果表明，碳纖維水泥基復合材料通電后產生的熱量可以有效清除道路上的積雪。

Liu等[10]研制出了一種碳纖維/碳納米纖維協(xié)同增強水泥基復合材料，可用于某些超低溫環(huán)境下水化中止的水泥基材料的修復和加固。利用碳纖維/碳納米纖維的電熱效應使得復合水泥基材料在低溫下提高結構強度，在-20℃條件下進行30w功率加熱養(yǎng)護，可保持穩(wěn)定溫度40-50℃兩天以上，通電兩天后，試塊的抗壓強度為49.2MPa，抗折強度為11.5MPa。

Manuel等[11]提出碳纖維水泥基復合材料可作為智能地板采暖材料，研究了碳纖維的規(guī)格、摻雜量對房間和墻壁加熱效果的影響，結果表明，碳纖維水泥基復合材料在使用長徑比約400（直徑7μm，長度3mm）的碳纖維時，表現(xiàn)出最佳的導電性能（也是地板加熱材料的最佳性能），在以60℃的溫度持續(xù)加熱28d的條件下，其抗彎強度基本保持不變。為碳纖維水泥基復合材料提供了另一種應用思路。

2.3 電磁屏蔽

碳纖維水泥基復合材料對電磁波有很強的電磁屏蔽性能，很多學者對其進行了研究。王闖等[12]測試了碳纖維的不同質量摻量（0.2wt%、0.4wt%、0.6wt%、0.8wt%和1.0wt%）對碳纖維水泥基復合材料在不同頻段下對電磁波的反射率的影響。結果表明，在試驗中用到的所有碳纖維質量摻量梯度內，低頻段的反射率均小于-10dB，復合材料對電磁波具有較強的吸收能力，屬于電磁波的吸收體；而高頻段的反射率隨著碳纖維的摻量提升而升高，在碳纖維質量摻量大于0.4wt%時，反射率才開始大于-10dB，表現(xiàn)出了反射性。

王振軍等[13]利用短切碳纖維，制備了碳纖維水泥砂漿試件，研究了碳纖維摻量、水灰比、減水劑的種類等因素在高頻段（8-18GHz）對碳纖維水泥砂漿試件電磁反射性能的影響。結果表明，碳纖維摻量的提高能有效提升碳纖維水泥砂漿的電磁波反射性能，碳纖維摻量大于0.6wt%時，碳纖維水泥砂漿由電磁波吸收性能轉變?yōu)榉瓷湫阅埽辉谙嗤瑮l件下，水灰比小于0.6時，試件主要表現(xiàn)出反射性，而水灰比大于0.6時，試件開始表現(xiàn)出吸波性能；而減水劑對試件的電磁波反射性能的影響有限，萘系高效減水劑和聚羧酸系高效減水劑的碳纖維水泥砂漿在不同頻段的反射率均大于-8.0dB，略高于未摻雜減水劑的碳纖維水泥砂漿。

Liu等[14]為了提高碳纖維/水泥復合材料的電磁屏蔽性能，引入了Fe3O4納米顆粒。Fe3O4球形納米粒子采用熔熱法制備，平均粒徑約30-50nm。將Fe3O4以不同的質量摻量（0、1wt%、3wt%、5wt%）摻加到碳纖維/水泥基復合材料中，研究Fe3O4對碳纖維/水泥基復合材料電磁屏蔽性能的影響。結果表明，復合材料的電磁屏蔽性能隨著Fe3O4的含量提高而增強，當Fe3O4的摻量為5wt%、碳纖維摻量為0.4wt%時，有著最佳的電磁屏蔽性能，在8.2-12.4GHz頻段達到了29.8dB，比不添加Fe3O4的碳纖維/水泥基復合材料提高了34.4%。

3 結語

碳纖維水泥基復合材料因其能夠顯著提升水泥基材料的各項物理性質，以及賦予傳統(tǒng)水泥基材料所不具備的導電性能，使水泥基材料成為了一種新型的智能材料再次進入人們的視野，并且在某些智能材料領域，例如壓敏材料、電磁屏蔽材料、電熱材料方面得到了廣泛的應用，賦予了水泥基材料新的活力。雖然對于碳纖維水泥基復合材料的研究和應用都取得了一系列成果，但仍然存在以下不足之處。

1）碳纖維在水泥基材料中的分散問題。傳統(tǒng)碳纖維水泥基復合材料的制備方法主要是先通過超聲處理或者分散劑分散的方法將碳纖維進行分散[15]，制成懸濁液，再將其與水泥基材料進行混合，但是這些措施并不一定能保證碳纖維混入水泥基體中均勻分散，而碳纖維在水泥基體中的分散情況恰恰對于碳纖維水泥基材料的各種性能起著至關重要的作用。因此如何保證碳纖維在水泥基體中的分散性是未來研究的重要方向。

2）碳纖維水泥基復合材料的導電性能容易受環(huán)境影響，服役環(huán)境中的溫度、濕度以及試件的澆筑質量都會對測試結果產生很大的影響，如何保證嚴苛的服役條件下測量結果的準確性以及建立一個更加適合實際條件的智能傳感系統(tǒng)，有待更進一步深入研究。

3）碳纖維水泥基復合材料的相容性問題。碳纖維具有強烈的疏水性，很難與水泥基材料本身達到完美的粘結，這就限制了碳纖維對水泥基材料的增強效果，如何提高碳纖維與水泥基材料的相容性也是未來研究中需要解決的問題。

4）碳纖維水泥基材料的成本問題。碳纖維的成本較貴，未來是否可以考慮更加多元的復合，添加一些對復合材料性能有增益且成本較低的材料，以此來降低碳纖維水泥基復合材料的制造成本，達到大規(guī)模應用的目的。

隨著科技的進步，未來這些問題或將一一得到解決，碳纖維水泥基復合材料的前景會更加廣闊。