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FRP/CM2021.No.6
炭纤维增强水泥复合材料的制备及力学性能研究
郑争旗1
,余洋1
,闫曦
2
(1.新疆创越投资有限责任公司,新疆乌鲁木齐
830011;2.中科院山西煤炭化学研究所,山西太原
030001
摘要:本文采用羧甲基纤维素钠(SodiumCarbonxymethylCellulose,CMC与硅微粉(FineSilicaFumes,SF作为复合分散
剂对PAN基炭纤维进行协同分散来制备炭纤维增强水泥复合材料(CarbonFiberReinforcedCementComposites,CFRCC,研究了炭纤维用量、分散剂配比及水灰比对其强度的影响。试验结果表明,此法对纤维具有良好的分散效果。经过对各个掺量进行优选发现,在炭纤维为水泥掺量的1%,CMC和SF的分别为0.05%和15%,水灰比为0.30~0.32时效果最好,所得CFRCC7d(7天的抗折和抗压强度分别提高了31.22%和41.25%。
关键词:炭纤维;增强水泥;制备;力学性能
中图分类号:TB332文献标识码:A文章编号:
1003-0999(202106-0031-04
收稿日期:20210701
本文作者还有史景利和郭全贵。
作者简介:郑争旗,男,助理工程师,主要从事碳纤维的开发及其应用研究。
炭纤维增强水泥复合材料(CarbonFiberReinforcedCementComposites,CFRCC是70年代末期逐渐发展起来的一类新型水泥基复合材料,这类材料以高比强度、高比模量、良好的抗弯、抗拉、抗冲击强度以及纤维的化学稳定性等优点而倍受人们青睐
[1~3]
。CFRCC在很多国家的建筑、桥梁,石油钻井等领域都有
应用。日本鹿岛建设公司于1982年最先将沥青基炭纤维制成的CFRCC板用于伊拉克的AlShehee纪念馆的外部,1986年又利用CFRCC为幕墙板建成了KasakaKoppong区的一座办公大楼,总面积达32000㎡,与普通混凝土相比,重量减轻50%,强度增加5~10倍,钢材减少20%。1988年在东京兴建的几座大楼又采用这种幕墙,引起了社会的广泛反响
[4,5]
。目前,有关
CFRCC的制备、性能及应用研究已经成为一个热门领域,吸引了国内外众多科技工作者的注意。其中,以美国纽约Buffalo大学的D.D.L.Chung、X.Fu及PW.Chen、哈尔滨工业大学的欧进萍、同济大学的吴科如及武汉工业大学的沈大荣、李卓球等人的研究最具代表性,他们在这一领域进行了系统而深入地研究。现已成功地研制出具有温度自监控、自修复、自适应、自调节、损伤自诊断和反射与吸收电磁波等功能的智能型混凝土
[6~15]
。
虽然国内外在CFRCC制备方面取得了许多成
就,但由于炭纤维的表面疏水性,在CFRCC制备方面还存在着炭纤维的均匀分散问题。目前,国内外解决这种问题的主要方法是加入分散剂和纤维表面处理两种方法[16~18]
。其中表面处理法由于工艺复杂很少被采用,而用分散剂分散纤维虽然可以很好
地改善纤维在CFRCC中的分散性,但是分散剂加量太小时,分散效果不明显,而加量太大又会向
CFRCC中引入大量缺陷,另外,分散剂还具有增稠作用、缓凝作用和价格昂贵等缺点[19]
,因此,单一用
分散剂来分散纤维已经不是经济可行的好方法了。
有文献报道
[20]
,含有活性成份的外掺粉料(如硅微
粉、粉煤灰、珍珠粉砂等对纤维也有较好的分散作用,而且这些外掺粉料具有提高CFRCC的密实度,增加其力学性能等作用。因此本文拟采用羧甲基纤维素钠(SodiumCarbonxymethylCellulose,CMC与硅微粉(FineSilicaFumes,SF作为复合分散剂对PAN基炭纤维进行协同分散,同时考察了复合分散剂、炭纤维用量及水灰比对CFRCC力学性能的影响。
1实验原料及制备工艺
11实验原料
高效减水剂FDNA(萘磺酸盐甲醛缩合
物,山东汶河化工提供、硅微粉(800目、PAN基炭纤维(T300、消泡剂(磷酸三丁酯、羧甲基纤维素钠(CMC、水泥:PS325级水泥。
表1PAN基炭纤维的物理性能参数
Table1ThephysicalparametersofPANbasedcarbonfiber
直径/m密度/gcm-3
拉伸强度/GPa弹性模量/GPa长度/mm7
1.76
3.53
230
2~3
12试样制备
(1将称量好的CMC缓慢加入占试验总用水量约25%的水中,搅拌均匀后,加入PAN炭纤维和
SF继续搅拌至纤维成单丝状态;
(2将一定比例的减水剂和水泥倒入烧杯混合,分出一部分后,将剩余水加入烧杯搅拌均匀,然后将(1中的纤维加入并充分搅拌