碳纤维增强水泥基复合材料的发展与研究.pdf

碳纤维增强水泥基复合材料的发展与研究李克智等

碳纤维增强水泥基复合材料的发展与研究‘
李克智,王闯,李贺军,石振海

西北工业大学材料学院,西安

摘要传统的水泥混凝土材料由于功能单一、脆性大、自重大、杭拉强度和杭弯强度差,在一些特殊领域中的应
用受到了很大限制。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优良增强体。将破纤维加入到水泥基体中,制成破纤维增强水泥基复
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,更重要的是能把普通的水泥建筑材
料变成对温度和应力敏感、具有自感知内部应力和损伤及一系列电磁屏蔽性能的智能材料。
关健词碳纤维水泥基复合材料性能综述

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土相比,具有质轻、强度高、流动性好、扩散性强、成型后

前言,,
表面质量高等优点将其用作隔墙时比普通混凝土制作的隔墙
世纪年代以来,碳纤维作为新一代复合材料的增强薄,重量减轻一。有多种规格,其中短
纤维,以其高强度比、高模量比、低密度、低光吸收率、抗腐切碳纤维增强混凝土主要用在屋面、外墙、内墙、地面、天棚等方
蚀、耐烧蚀、抗疲劳、耐热冲击、导电导热性能好、传热系数小、膨面长纤维混凝土用在承重构件方面,由它制成的构件尺寸稳
胀系数小和自润滑等优异性能而在航天航空、航海、建筑、轻工定,同时还具有防静电性、耐磨耗、耐腐蚀等性能,因此,
等领域中获得了广泛的应用。将碳纤维加人到水泥基体中即制性能的研究近年来发展迅猛。
成碳纤维增强水泥基复合材料
,,。的性能特点及应用
简称二也称纤维增强混凝土川在水
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、抗的制备
剪强度和弹性模量,控制裂纹扩展,提高耐强碱性,增强变形能的制备一般由混料、成型、养护步组成。将碳纤维

。
力的重要措施此外,碳纤维还具有震动阻尼特性,可吸收震动预混水泥与砂子、石子、水、外加剂等均匀混合,然后按照浇注

,。,
波使防地震能力和抗弯强度提高十几倍,〕更为可贵的是法、挤出法、压制法、压制脱水法或振动法之一使混合料成型,成
碳纤维具有导电性,将其加入到水泥基体中,赋于水泥基体智能型后的试件放人到水或养护箱中养护,干后即成复合材

。
性,极大地扩大了混凝土的应用范围复合材料在承受料,通常有水泥砂浆和水泥混凝土两种类型,后者更具有实用

、
负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性。制备过程中,最关键的问题是如何使碳纤维均匀分
增强的高几倍到十几倍,其冲击韧性也相当可观。短切碳纤维散到水泥基体中,这是决定复合材料性能的重要因素。
增强水泥所用碳纤维的长度一般为一,直径为一脚,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
抗拉强度范围在一。普通水泥的强度通常为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,
,若按重量掺人的碳纤维,其强度可达到若搅拌,人模、振动成型、后脱模、养生后一种方法是将
掺人量为师时,强度可高达甲护〕。此外,与普通混凝部分水、碳纤维、水泥、砂子和外加剂混合搅拌后,再加人

,国家自然科学基金项目
李克智男,年生,教授,博士生导师,主要从事碳纤维增强复合材料的研究侧于理拓例,二己让
材料导报年月第卷第期

分散剂梭甲基纤维素和硅灰搅拌,最后再加人剩余通过电阻率的变化可以测定中安全、损伤和失效个工
水搅拌而、入模、振动成型、后脱模、养生。搅拌工艺也十作阶段。由于既具有热电效应,又具有电热效应,因此
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

,。
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断根据诊断结果实现混凝土结构的温度自适应国外已将碳
纤维在溶有分散剂的水中分散后加入水泥搅拌,最后加人纤维温敏混凝土用于机场道路及桥梁路面的自适应融雪和融
,
标准砂再继续搅拌。碳纤维在制备好的试件中呈三维乱冰利用通电后产生的热量能有效地清除路面冰
·’〕。〕,
向分布,由于受纤维排列方式和长度的影响,短切碳纤维的增强雪唐祖全等对的电热效应进行了大量研究并
。,
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。对其融雪化冰功能进行了尝试当与电源连通后导电
,,,
力学性能混凝土产生热量使路面温度升高当温度升到℃以上后路
,
水泥是脆性材料,但只要加人的碳纤维就可以完全面上的冰雪就会自动融化成水而流走从而保障了道路畅通和
。
改变它的脆断特性其模量可增加倍,强度提高倍。如果定行车安全
·
,咖川以
向加入则加人的中强碳纤维便可使水泥的强度从毛起熠