崔晨華

（咸陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西咸陽(yáng)712046）

碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料是一種將碳纖維或石墨纖維摻入水泥漿而成的纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料,由于在水泥中加入了纖維增強(qiáng)體,水泥基復(fù)合材料的綜合性能得到了明顯提高,使其同時(shí)兼具水泥基和纖維的材料特性[1],具有密度輕、強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)小、耐腐蝕性好等特點(diǎn),在建筑施工中具有較為廣泛的應(yīng)用前景。然而,實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中,碳纖維在水泥基復(fù)合材料中較難彌散分布,通常會(huì)發(fā)生團(tuán)聚而影響碳纖維/基體結(jié)合力,且碳纖維與水泥基的相容性較差,粘接強(qiáng)度較低而影響綜合力學(xué)性能[2],需要從改善原材料、增加施工工藝等方面來(lái)彌補(bǔ)缺陷,相應(yīng)的施工造價(jià)成本也會(huì)上升。為了降低施工造價(jià)成本,需要對(duì)碳纖維預(yù)水泥基界面結(jié)合力差等問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn),較為可行的方法是對(duì)碳纖維進(jìn)行表面改性處理[3]。雖然采用化學(xué)鍍、氣相沉積等方法制備的碳纖維氧化涂層可以一定程度上改善碳纖維的界面結(jié)合力等問(wèn)題,但是同時(shí)存在沉積溫度高、周期長(zhǎng)、較難大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用等問(wèn)題[4-5],在此基礎(chǔ)上,本文采用操作簡(jiǎn)單的Sol-gel法在碳纖維表面制備了SiO2涂層,并對(duì)比了摻量和長(zhǎng)度對(duì)復(fù)合材料抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響,以期開(kāi)發(fā)出有利于控制施工造價(jià)的高性能碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

日本東麗公司生產(chǎn)的T700型短切碳纖維(絲數(shù)3000、抗拉強(qiáng)度3530MPa、拉伸模量225GPa、斷后伸長(zhǎng)率1.5%、纖維直徑7μm、密度1.79g/cm3)；純度99.5%的無(wú)水乙醇,濃度6mol/L的堿性硅溶膠,52.5R型普通硅酸鹽水泥,純度94%的微硅粉,平均粒徑0.68mm的細(xì)骨料,FDN-B型減水劑,摻量占凝膠材料0.2%(wt.)的DX-4型消泡劑。

1.2 試樣制備

采用Sol-gel法將碳纖維進(jìn)行SiO2涂層改性處理：將堿性硅溶膠用無(wú)水乙醇稀釋成0.3mol/L的SiO2膠粒為主的溶膠,在超聲波清洗機(jī)中震動(dòng)10min,然后取出碳纖維去除過(guò)多溶膠,轉(zhuǎn)入干燥箱中進(jìn)行烘干,并分別進(jìn)行345℃/2h和685℃/2h的高溫?zé)Y(jié),得到SiO2涂層改性碳纖維。根據(jù)GB/T 17671水泥膠砂強(qiáng)度測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定了水泥基復(fù)合材料的配合比：水泥405g、硅微粉45g、標(biāo)準(zhǔn)砂1350g、消泡劑0.9g、水225g、水膠比0.5、減水劑摻量為1.2%(wt.),碳纖維和SiO2涂層改性碳纖維的摻量介于0～1 %。在J-180型行星水泥膠砂攪拌機(jī)中制備水泥基復(fù)合材料,混合均勻后裝入固定模具(150mm×50mm×50mm)中,振搗密實(shí)后置于養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行25℃、相對(duì)濕度97%、時(shí)間為24d的養(yǎng)護(hù)處理,然后在25℃養(yǎng)護(hù)池中養(yǎng)護(hù)28d,取出后進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測(cè)試。

1.3 測(cè)試方法

采用三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)試水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度[6],整個(gè)加載過(guò)程中的速率為25N/s,結(jié)果取三組試樣的平均值；采用中心加荷法測(cè)試水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度[7],受壓面積為1600mm2,結(jié)果取6組試樣的平均值。表面形貌和斷口形貌采用SU8010型掃描電子顯微鏡進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1為碳纖維摻量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）對(duì)水泥基復(fù)合材料抗折強(qiáng)度的影響,分別列出了碳纖維長(zhǎng)度為1mm、3mm、5mm、7mm和10mm時(shí)水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度。對(duì)比分析可知,不同碳纖維長(zhǎng)度的水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度都隨著碳纖維摻量的增加而增大,且在相同碳纖維摻量下,碳纖維長(zhǎng)度越大則對(duì)應(yīng)的抗折強(qiáng)度越大,當(dāng)碳纖維長(zhǎng)度為10mm、碳纖維摻量為1%時(shí),水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度達(dá)到12.3MPa,而相同碳纖維摻量下碳纖維長(zhǎng)度為1mm的水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度為11.0MPa?？梢?jiàn),碳纖維摻量相同條件下,碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料中的碳纖維長(zhǎng)度越大則抗折強(qiáng)度越大,但是相對(duì)而言,當(dāng)碳纖維摻量達(dá)到0.6%及以上時(shí),水泥基復(fù)合材料抗折強(qiáng)度的增加幅度變緩。

圖1 碳纖維摻量對(duì)水泥基復(fù)合材料抗折強(qiáng)度的影響Fig. 1 Effect of carbon fiber content on flexural strength of cement-based composites

圖2為碳纖維摻量對(duì)水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度的影響,分別列出了碳纖維長(zhǎng)度為1mm、3mm、5mm、7mm和10mm時(shí)水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度。對(duì)比分析可知,不同碳纖維長(zhǎng)度的水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度都隨著碳纖維摻量的增加先增加后減小,在碳纖維摻量為0.6%時(shí)取得最大值（碳纖維長(zhǎng)度10mm時(shí)為95.7MPa）；在相同碳纖維摻量下,碳纖維長(zhǎng)度越大則對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度越大,當(dāng)碳纖維長(zhǎng)度為10mm、碳纖維摻量為1%時(shí),水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度為93.2MPa,而相同碳纖維摻量下碳纖維長(zhǎng)度為1mm的水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度為89.6MPa。綜上,當(dāng)碳纖維摻量達(dá)到0.6%時(shí),碳纖維長(zhǎng)度為1mm、3mm、5mm、7mm和10mm時(shí)水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度都達(dá)到最大值。

圖2 碳纖維摻量對(duì)水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度的影響Fig. 2 Effect of carbon fiber content on compressive strength of cement-based composites

圖3為SiO2涂層改性碳纖維的表面形貌?？梢?jiàn),對(duì)碳纖維進(jìn)行表面改性處理后,SiO2涂層改性碳纖維表面出現(xiàn)了致密、厚度均勻的SiO2涂層。且涂層表面未見(jiàn)明顯開(kāi)裂或者起皮等現(xiàn)象。這些SiO2涂層是碳纖維表面先驅(qū)體溶膠在高溫下脫水形成[8]。

圖3 SiO2涂層改性碳纖維的表面形貌:(a)500倍; (b)2000倍; (c)5000倍Fig. 3 Surface morphology of carbon fiber modified by SiO2 coating

圖4為SiO2涂層改性碳纖維摻量對(duì)水泥基復(fù)合材料抗折強(qiáng)度的影響,分別列出了碳纖維長(zhǎng)度為1mm、3mm、5mm、7mm和10mm時(shí)水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度。對(duì)比分析可知,不同碳纖維長(zhǎng)度的水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度都隨著SiO2涂層改性碳纖維摻量的增加逐漸增加,且在相同SiO2涂層改性碳纖維摻量下,碳纖維長(zhǎng)度越大則對(duì)應(yīng)的抗折強(qiáng)度越大,當(dāng)碳纖維長(zhǎng)度為10mm、SiO2涂層改性碳纖維摻量為1%時(shí),水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度達(dá)到13.8MPa,而相同SiO2涂層改性碳纖維摻量下碳纖維長(zhǎng)度為1mm的水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度為12.3MPa?？梢?jiàn),SiO2涂層改性碳纖維摻量相同條件下,碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料中的碳纖維長(zhǎng)度越大則抗折強(qiáng)度越大,但是相對(duì)而言,當(dāng)SiO2涂層改性碳纖維摻量達(dá)到0.6%及以上時(shí),水泥基復(fù)合材料抗折強(qiáng)度的增加幅度變緩。這種水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度隨著SiO2涂層改性碳纖維摻量的變化趨勢(shì)與碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料相同。此外,對(duì)比分析可知,相同摻量和相同長(zhǎng)度前提下,SiO2涂層改性碳纖維對(duì)水泥基復(fù)合材料抗折強(qiáng)度的改善效果優(yōu)于未改性的碳纖維。

圖4 SiO2涂層改性碳纖維摻量對(duì)水泥基復(fù)合材料抗折強(qiáng)度的影響Fig. 4 Effect of SiO2 coating modified carbon fiber content on flexural strength of cement-based composites

圖5為SiO2涂層改性碳纖維摻量對(duì)水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度的影響,分別列出了SiO2涂層改性碳纖維長(zhǎng)度為1mm、3mm、5mm、7mm和10mm時(shí)水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度。對(duì)比分析可知,,不同SiO2涂層改性碳纖維長(zhǎng)度的水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度都隨著SiO2涂層改性碳纖維摻量的增加先增加后減小,在SiO2涂層改性碳纖維摻量為0.6%時(shí)取得最大值（碳纖維長(zhǎng)度10mm時(shí)106.6MPa）；在相同SiO2涂層改性碳纖維摻量下,SiO2涂層改性碳纖維長(zhǎng)度越大則對(duì)應(yīng)的抗壓強(qiáng)度越大,當(dāng)SiO2涂層改性碳纖維長(zhǎng)度為10mm、摻量為1%時(shí),水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度為104.1MPa,而相同SiO2涂層改性碳纖維摻量下碳纖維長(zhǎng)度為1mm的水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度為90.4MPa。

圖5 SiO2涂層改性碳纖維摻量對(duì)水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度的影響Fig. 5 Effect of SiO2 coating modified carbon fiber content on compressive strength of cement-based composites

圖6為SiO2涂層改性碳纖維和碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的界面破壞形貌,分別列出了長(zhǎng)度10mm、摻量1%的SiO2涂層改性碳纖維和長(zhǎng)度10mm、摻量1%的碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的斷口形貌。對(duì)比分析可知,長(zhǎng)度10mm、摻量1%的 SiO2涂層改性碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的斷口形貌中可見(jiàn)較多硅酸鈣水合物（C-S-H）凝膠產(chǎn)物[9],且SiO2涂層改性碳纖維的拔出破壞現(xiàn)象相較碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料更加顯著；長(zhǎng)度10mm、摻量1%的碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料中僅可見(jiàn)少量C-S-H凝膠,且碳纖維的拔出破壞現(xiàn)象并不明顯。整體而言,兩種復(fù)合材料的破壞機(jī)制都為斷裂破壞和纖維拔出破壞,但是SiO2涂層改性碳纖維與基體的粘合力更強(qiáng)而造成拔出破壞更為顯著,相應(yīng)地強(qiáng)度會(huì)更高。

圖6 SiO2涂層改性碳纖維和碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的界面破壞形貌Fig. 6 Interface failure morphology of SiO2 coating modified carbon fiber and carbon fiber reinforced cement-based composites

當(dāng)采用SiO2涂層改性碳纖維和碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料時(shí),纖維可以起到增加韌性和抑制裂紋擴(kuò)展的作用,在制備纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料過(guò)程中,碳纖維在水泥基中隨機(jī)分布、相互搭接,可以與水泥基良好結(jié)合而形成骨架結(jié)構(gòu)[10],從而提高了水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度,且碳纖維越長(zhǎng)、含量越高,在受力過(guò)程中抑制裂紋擴(kuò)散的能力越強(qiáng),耗能越大,抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度也越大,但是如果纖維含量過(guò)大,在水泥基復(fù)合材料中也會(huì)形成團(tuán)聚等現(xiàn)象而產(chǎn)生應(yīng)力集中等現(xiàn)象而成為薄弱點(diǎn)[11],相應(yīng)的抗壓強(qiáng)度反而降低。SiO2涂層改性碳纖維和碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的增加韌性和抑制裂紋擴(kuò)散的機(jī)理相似,只是SiO2涂層改性碳纖維可以與水泥基材料中的氫氧化鈣產(chǎn)生界面反應(yīng)而形成了更多的C-S-H凝膠產(chǎn)物,從而改善了纖維與水泥基的界面相容性[12],增加了結(jié)合力的同時(shí)提高了強(qiáng)度。

3 結(jié)論

（1）碳纖維摻量相同條件下,碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料中的碳纖維長(zhǎng)度越大則抗折強(qiáng)度越大,但是相對(duì)而言,當(dāng)碳纖維摻量達(dá)到0.6%及以上時(shí),水泥基復(fù)合材料抗折強(qiáng)度的增加幅度變緩,當(dāng)碳纖維摻量為0.6%時(shí),碳纖維長(zhǎng)度為1mm、3mm、5mm、7mm和10mm時(shí)水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度都達(dá)到最大值。

（2）相同摻量和相同長(zhǎng)度前提下,SiO2涂層改性碳纖維對(duì)水泥基復(fù)合材料的改善效果優(yōu)于未改性的碳纖維。

（3）斷裂破壞和纖維拔出破壞是涂層改性碳纖維和碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的破壞機(jī)制,但是SiO2涂層改性碳纖維與基體的粘合力更強(qiáng)而造成拔出破壞更為顯著。