碳纤维增强水泥基复合材料的研究_王闯.pdf

水泥与混凝土

碳纤维增强水泥基复合材料的研究

Studyofcarbon-fiber-reinforcedcement-basedcomposites

王闯张修身(陕西铁路工程职业技术学院,陕西渭南714000)

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(CFRC),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
Abstract:Cementconcretematerialshaveplayedanimportantroleinhuman’sconstructionhistoryforitshighcompres-
sivestrengthandeasyoperationduringconstruction.However,itsapplicationinsomespecialfieldisgreatlyrestrictedowing
toitssinglefunction,brittleness,heavyself-weight,poorstrengthagainsttensionandbending.Carbonfibersareregardedas
goodreinforcementformanymaterialsduetotheirhighelasticity,highmodulus,lessdensity,resistancetocorrosion,and
harmlessnesstohumanbeingsanddomesticanimals.Carbon-fiber-reinforcedcement-basedcomposites(CFRC)thatare
achievedbyaddingcarbonfibersintocementexhibithighflexuralstrength,hightensilestrength,highflexuraltoughness
andhightensileductility.Thusnotonlythemechanicalpropertiesofcementareimproved,butfunctionalmaterialsCFRC
areobtainedthatareabletosensetheinteriortemperature,stressanddamageaswellastoshieldoffelectromagneticwaves.
Keywords:Carbonfibers;Cementmatrix;Composites
中图分类号:TQ172.7文献标识码:A文章编号:1003-8965(2007)05-0005-05

性,增强变形能力的重要措施。此外,碳纤维还具有
1前言震动阻尼特性,可吸收震动波,使防地震能力和抗
弯强度提高十几倍[2,3]。更为可贵的是,碳纤维具有
20世纪60年代以来,碳纤维作为新一代复合导电性,将其加入到水泥基体中可赋于其智能性,
材料的补强纤维,以其高强度比、高模量比、低密极大地扩大了它的应用范围。CFRC复合材料在承
度、低X光吸收率、抗腐蚀、耐烧蚀、抗疲劳、耐热冲受载荷时表面不产生龟裂,其抗拉强度和抗弯强
击、导电导热性能好、传热系数小、膨胀系数小和自度、断裂韧性比不增强的高几倍到十几倍,其冲击
润滑等优异性能而在航天、航空、航海、建筑、轻工韧性也相当可观。短切碳纤维增强水泥所用碳纤维
等领域中获得了广泛的应用。将碳纤维加入到水泥的长度一般为3～6mm,直径为7～20μm,抗拉强
基体中即制成碳纤维增强水泥基复合材料度范围在0.5～0.8GPa。普通水泥的强度通常为
(CFRC),也称纤维增强混凝土[1-4]。在水泥基体中11.76MPa,若按重量掺入15%的碳纤维,其强度
掺入高强碳纤维是提高水泥复合材料抗裂、抗渗、可达到245MPa;若掺入量为20%时,强度可高达
抗剪强度和弹性模量,控制裂纹发展,提高耐强碱548.8MPa[2]。此外,与普通混凝土相比,CFRC具有

5
水泥与混凝土

质轻、强度高、流动性好、扩散性强、成型后表面质面结合力,认为高强度和高模量碳纤维的加入,有
量高等优点,将其用作隔墙时,重量比普通混凝土效阻止了裂纹的扩展,在复合材料受载时,基体通
制作