碳纤维混凝土研究及发展概论

碳纤维混凝土研究及发展探析

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摘要：碳纤维材料具有高强度、高模量、耐高温、耐磨、耐腐蚀、抗疲劳、抗蠕变、导电、导热和远红外辐射等诸多优异性能。它的出现和广泛运用将会改变我们的生活方式和提高我们的生活质量。本文从碳纤维复合材料的优异性能、加固原理、施工工艺等方面论述了碳纤维材料在土木工程中的应用，具有一定的推广意义。

关键词：碳纤维；混凝土；加固

1．碳纤维混凝土加固技术研究的意义

2.1碳纤维混凝土加固技术现状及发展趋势

长期以来，水泥、钢铁和木材一直是土木工程中广泛使用的三大建筑材料。

由水泥和砂石骨料所组成的混凝土具有较高的抗压强度,而且耐水、耐火、耐腐蚀，加之近几十年来的科学研究和工艺改进，混凝土制备技术已较为成熟，因此作为一种成本低、可靠性高的建筑材料，混凝土在21 世纪的建材行业中仍将是人们的首选对象。但混凝土是脆性材料，抗拉强度低、韧性差，无法单独完成大型建筑如大跨度结构的设计要求。用钢筋作为增强材料的钢筋混凝土极大地改善了混凝土的抗拉、抗折性能，使得混凝土的大范围使用延续至今。然而，钢筋不耐腐蚀，在较为恶劣的环境下，锈蚀严重，丧失与混凝土的结合能力，使结构无法达到预定的设计效果。[1、2]

就目前国内外研究状况来看，碳纤维、芳纶纤维、陶瓷纤维等已成为混凝土增强材料的主要研究对象。而碳纤维具有强度高、模量大、耐腐蚀等优点，使其在混凝土增强研究中倍受人们关注,显示出旺盛的生命力。

2.2碳纤维混凝土技术研究的目的、意义

面对建筑材料发展中不断产生的新问题，建材研究工作者不断寻求新的解决方案。纤维增强水泥、纤维增强混凝土这一类复合材料发展很快，用石棉纤维、

钢纤维和玻璃纤维增强混凝土的复合材料在工程中有了广泛的应用。但是由于石棉纤维有害健康，钢纤维易锈蚀，玻璃纤维不耐碱腐蚀的缺点，使人们认识到寻求代替钢筋的新型增强材料仍然任重而道远。[3]

3．碳纤维混凝土加固技术研究的内容

3.1 研究开发内容和重点解决的关键问题

3. 1.1碳纤维及其性能

碳纤维作为先进复合材料中重要的增强材料之一,世界各国对碳纤维都给予了高度的重视，因此近年来碳纤维的制造技术有了显著的进步，其生产量和使用量也与日俱增,可以说碳纤维进入了高速发展的新时期。[4] 碳纤维是一种以碳为主要成分的纤维状材料。天然纤维、再生纤维和合成纤维都可用来制备碳纤维。目前，制作碳纤维的主要原材料有人造丝(粘胶纤维)、聚丙烯腈(PAN)纤维和沥青。

碳纤维常依据原丝类型分成聚丙烯腈( PAN) 基碳纤维、沥青基碳纤维和纤维素基碳纤维三种。[5,6]在水泥基复合材料中通常使用聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维。此外也可按性能和功能进行分类.碳纤维具有密度小、强度高、模量高的特点。与钢铁相比,密度小3～5 倍，而强度则高4～5倍。但碳纤维冲击韧性低,断裂过程在瞬间完成,不发生屈服，是典型的脆性材料。[6] 另外碳纤维还具有良好的导电性,并且耐腐蚀，对人畜无害。由于碳纤维表面存在具有活性的羧基和羟基,经表面氧化处理后，能与含丰富羟基的水泥进行较强的化学结合。用电子显微镜观察，碳纤维的表面很粗糙，这有利于它与水泥的物理结合。有了化学与物理的双重结合作用，为碳纤维在水泥基材料中的复合提供了可行性。[7,8]

3.1.2 碳纤维混凝土研究开发内容

3.1.2.1 短切碳纤维增强混凝土

3.1.2.1.1 短切碳纤维增强混凝土的制备

短切碳纤维增强混凝土的制备技术是影响混凝土材料复合性能的关键。目前，日本已成功研制出碳纤维强化水泥，并且能预拌均匀成袋销售。而在我国，由于实际条件的限制，主要还是以就地均匀搅拌为主，对搅拌设备、投料顺序、搅拌物性能指标也正在进行反复的实验研究。

碳纤维在混凝土中能否均匀分散，将直接影响复合材料的整体性能。搅拌时

采用多排全方位直叶片搅拌机的效果要优于全方位无叶片搅拌机和传统的水泥胶砂搅拌机，而且可以避免纤维上浮成团现象和纤维缠绕叶片而导致纤维损伤的情况[9]。除了选择合适的搅拌设备外，在搅拌过程中加入分散剂是十分必要的。目前通常使用的分散剂有甲基纤维素、胶乳液和硅粉[10,11]。就分散效果而言，研究表明胶乳液要优于甲基纤维素溶液，但甲基纤维素价格便宜，目前研究及使用较为普遍。碳纤维的混合方式一般有干混和湿混两种[10]。湿混用甲基纤维素、胶乳液等表面活性剂水溶液先与碳纤维拌合，再加入水泥、沙子进行搅拌。干混则用碳纤维和水泥直接搅拌，再与水调合。在干拌阶段使用硅粉作为分散剂效果明显。因为硅粉粒径只有几个微米，小于碳纤维的直径，易于分散到纤维中间，但由于硅粉价格昂贵，大量应用受到限制。

碳纤维增强混凝土(CFRC)的制备过程是一个复杂的过程，其制备工艺与普通混凝土的制备工艺有所区别，如外加剂含量、种类的选择及各种工艺参数。这些因素将最终影响CFRC的整体强化性能，例如羧甲基纤维素加入后会降低基体材料拌合物原有指标值。当这种降低超出了拌合物性能控制指标适宜范围时，反而会影响纤维的均匀分散，因此使用时可将甲基纤维素与分散性减水剂混合掺用，提高综合效能[9]。另外，在湿法制备工艺中会产生大量的气泡，对基体性能有影响，需采用适当的消泡剂来消除气泡。常用的消泡剂有胶体1010 等[12]。当碳纤维与混凝土搅拌均匀后,可采用浇注法、挤出法、压制法等方法进行成型加工[12]。

成型后适当的养护尤其重要。通常将制好的样品放入养护箱标准养护28 d 后,再将样品置于空气中自然养护。如果不具备上述条件，也可将样品放入静水养护，到一定龄期后，取出洗净、晾干[12,13]。

3.1.2.1.2 短切碳纤维增强混凝土的力学性能

碳纤维加入混凝土后，能够较显著地改善混凝土的力学性能。

目前普遍认为存在两种机理，即增强机理和增韧机理。由于碳纤维的模量高于混凝土，在复合材料受载后,界面起传递载荷作用。在发生相同应变的情况下，碳纤维将承受较大的载荷，从而分担了基体所承受的载荷，提高了整体的强度。另外由于碳纤维的存在，极大地阻止了水泥基体中裂纹的扩展,从而实现了增韧的效果[14,28]。

a. 抗压强度。混凝土的破坏与内部微裂纹的发展密切相关，由上述机理可知，碳纤维对混凝土的横向变形施加约束，阻止裂纹自由扩展，在一定程度上提高了复合材料的抗压强度。

b. 抗拉和抗弯强度。碳纤维的加入，能够较好地改善混凝土的抗拉、抗弯性能。这已为许多试验所证实[14,15]。加入3 %的沥青基碳纤维可使混凝土的韧性增加，挠曲拉伸强度约提高2倍。