碳纤维增强水泥基复合材料的性能与应用展望

时间：2024-07-28

王晓杰

（南京凯盛国际工程有限公司，江苏南京 210036）

0 引言

碳纤维是一种强度高、模量大、力学性能优良的新型材料。其中的碳含量超过95%，这是通过有机纤维碳化和石墨化得到的微晶石墨材料。碳纤维具有许多优良的性能，它的比重小于钢的1/4，但它的强度高于钢，并且它具有耐腐蚀、高模块化的特点，在非氧化环境中具有不易蠕变、高温和耐疲劳的良好性能。复合材料是一种具有两种或两种以上不同性质的材料，包括物理或化学方法构成的组成的具有新性能的材料，碳纤维增强水泥基复合材料作为一种以增强材料和聚合物基体组成的材料，近年来发展迅速，广泛应用于航空航天、机械、电子、化工等领域。

1 纤维水泥基复合材料的相关概念

1.1 纤维水泥基复合材料

纤维水泥基复合材料就是指以水泥砂浆、水泥浆或混凝土为粘结剂，以间歇短纤维或连续长纤维为增强材料的水泥基复合材料。在水泥砂浆中加进去一定量的纤维不仅能够提升混凝土的刚度和韧性，同时对于水泥基复合材料的抗拉强度、抗弯强度和韧性也有一定的帮助，此外还能够有效抑制裂纹扩展，提高非成形材料的流动性，是改善其性能的最有效途径。

1.2 纤维掺入水泥基复合材料的作用

将纤维掺入水泥基复合材料具备以下三种作用：1.能够有效地增加水泥的基体的应力，促使水泥基体可以承受更大的外部压力。2.在一定程度上能够对水泥基体韧性和冲击强度有所帮助，纤维基质的改善比水泥基体韧性的改善效果更加明显。3.它可以有效地阻止裂纹的扩展或改变裂纹的方向，减小裂纹的宽度和平均裂缝面积。

1.3 碳纤维水泥基复合材料

碳纤维水泥基复合材料是将碳纤维材料合金化成水泥基复合材料而制成的复合材料，具有抗裂、耐腐蚀、抗静电、耐磨、重量轻等优点。碳纤维材料对水泥基复合材料的改善主要是由于其优异的力学性能和两种材料的协同作用，以提高其整体力学性能。碳纤维材料与水泥基复合材料的物理、力学和各种物理化学性能差异很大，特别是对于水泥基复合材料，由于水泥浆体-集料界面过渡区等原因，导致材料表面粘结强度低，从而使得界面分层破坏，碳纤维材料的加入显著改善了这种情况。碳纤维材料改性水泥基复合材料具有优异的耐压、抗拉强度和抗冲击性能，这也使得碳纤维水泥基复合材料在许多方面的应用效果良好。

2 碳纤维增强水泥基复合材料的性能

2.1 碳纤维增强水泥基复合材料的制备

碳纤维增强水泥基复合材料的生产需要的材料有很多，其中最为主要的原材料如下：水泥、矿物细粒度的添加剂、细骨料、表面活性剂、沥青基粉、水和减水剂。将上述材料准备齐全后可以转化为碳纤维水泥混合物料，之后在通过直接浇铸、压制、挤压等方式形成CFRC。在振动过程中，直接浇铸法应控制振动时间。CFRC 产品成型后的固化一般包括空气固化、蒸汽固化和热水固化，如果想缩短CFRC 固化过程，可以使用蒸汽固化。在制备碳纤维水泥混合物的过程中，因为纤维不容易分散均匀，一个特殊的搅拌机就显得十分必要。借助搅拌机能够使得纤维更容易分散均匀，破坏的程度也会降低，而混合拌合的同时还存在一定程度的揉捏，促使该混合物准备具有适当的粘稠度。如果在制备过程中没有搅拌机，那么应该在同一时间添加细矿物混合物和表面活性剂，借助这两种材料的的协同作用可使纤维均匀分布。

2.2 碳纤维增强水泥基复合材料的性能

1.抗拉强度

水泥基材料在制造过程中搅拌不均匀，立式模具振动时间不足，导致成品不均匀，在成品内部存在气孔，所以会使得最后的水泥基材料抗拉强度低。但是如果在混合过程中加入适量的短切纤维，可以在搅拌过程中得到均匀分布的碳纤维溶液，在凝固硬化过程中，加入切碎的纤维和水泥基材料，形成一个整体，并承受集体载荷。当构件发生裂纹时，为了提高简单水泥基材料的抗弯性能，需要在去除或破坏短切纤维时吸收能量。

2.抗压强度

Park 等学者发现当沥青基碳纤维中纤维体积分数小于3%时，抗压强度不如简单水泥基质的抗压强度强。当3%时，抗压强度降低约15%。Akihima Fung-yun 等人的实验结果表明，碳纤维复合材料的抗压强度随纤维体积速度的增加而降低。原因是制备过程中需要大量的进料，进料过程中会不断地引入大量的空气。虽然这降低了抗压强度，它有利于改善压缩压力。

3.抗冲击性

抗冲击性能是碳纤维增强水泥复合材料的一项突出力学性能。碳纤维用量和长宽比的不同，可以在不同程度上提高材料的抗冲击性，而不仅仅是具备简单的水泥基材料的性能。国内外的抗震效果主要包括摆锤冲击法和减重法。Banthia 和Ohama 比较了两种不同长度(3mm、10mm) CFRC 的抗冲击性。试样尺寸为100mm * 100mm * 10mm。实验结果表明，当体积分数分别为3%和5%时，CFRC 的抗冲击性能可以提升至3000 倍甚至超过这个等级。

3 碳纤维增强水泥基复合材料的应用展望

在美国、日本、英国、西欧和中国，CFRC 被用于覆盖层和路面剥离项目(道路和机场跑道)、采矿和隧道掘进，用于确保斜坡、防水和混凝土维修，同时也用于工业地板和各种预制混凝土产品。合成纤维相对便宜，因此其发展前景较为乐观。随着国民经济建设的不断发展和人们对设计质量要求的不断提高，CFRC 必将显示出其优越的优势。20世纪70年代国外就已经开始对碳纤维复合材料进行了研究，但是我国在80年代末才开始进行相关的研究。如今全球碳纤维制造商率先为首的是日本，其产品已垄断国际市场，其次是美国。然而，中国在CFRC 复合材料的研究和应用方面还是取得了可喜的进展。碳纤维增强水泥是一种新型建筑材料，是新开发的碳纤维材料的主要应用。目前国内对CFRC 复合材料的力学性能和一般电学性能的研究比较集中，对CFRC 复合材料的智能化、吸附性能和Seebeck效应及其应用的研究均落后于美国的DDL 小组；影响碳纤维增强水泥基复合材料力学性能和电学性能的主要部件之间的关系还没有被准确地描述和确定；CFRC 复合材料中纤维与基体之间的界面特征对其宏观性能的影响还有待探索。