碳纤维在混凝土中的应用_陈丽红

碳纤维的化学性能与碳很相似，它除能被强氧化剂氧化 外，对一般酸碱是惰性的。在不接触空气或氧气时，碳纤维具有 突出的耐热性能，与其他材料比较碳纤维温度要高于 １５００℃ 时，强度才开始下降，碳纤维还具有良好的耐低温性能。碳纤维 重量轻且有特殊的强度，弹性模量高，尺寸稳定，抗疲劳，阻尼 特性好，耐高温，耐腐蚀，有导电性。由于碳纤维具有高的比强 度和高模量而受到重视，被大量用做复合材料的增强材料。用 碳纤维制成的树脂基复合材料比模量比钢和铝合金高 ５ 倍，比 强度也高 ３ 倍以上，同时耐腐蚀、耐热冲击、耐烧蚀性能均优 越。
维乱向增强，由于纤维分布的乱向性，对抗震结构因地震波的 随机性，使得纤维在三个方向上都有可能发挥增强作用。
目前我国高强度混凝土裂缝问题较突出，可研究尝试采用 碳纤维来改善高强度混凝土性能。在硬化后的水泥混凝土中由 于收缩而引起微小裂缝，在水泥混合料中加入碳纤维成为碳纤 维水泥混合料后，若碳纤维嵌入长度小于拔出长度，裂缝瞬间 完成破坏；若纤维嵌入长度大于拔出长度但小于临界长度，纤 维拔出开始时，水泥混凝土裂缝逐渐延伸，最后到达纤维末端； 若纤维嵌入长度大于临界长度，水泥混凝土的破坏属于纤维折 断，这就由碳纤维强度决定了，因此加入碳纤维后，收缩引起的 微小裂缝将会减少，大大地改进材料性能。碳纤维混凝土的抗 弯曲强度是原水泥混合物基质的 ５～７ 倍，使之成为用于薄板 的好材料，可用于建筑幕墙或预制楼板。受弯构件的破坏往往是 受拉区裂缝展开扩散的结果。在构件断裂过程中，碳纤维能阻 止裂缝扩展展开，碳纤维在垂直于裂缝方向由于泊桑作用和对 裂缝能量的吸收，可阻断裂缝发展。
碳纤维的缺点之一是冲击韧性较低，此外，当 ６００℃以上时 会过早地分解氧化，限制了它在高温环境下地使用；在价格方 面与同样强度的芳纶、高密度聚乙烯纤维相比仍高。
３ 碳纤维在混凝土中的作用
在混凝土中引入不同的第六组分，将赋予新型混凝土的特 殊功能。如在混凝土中掺入不同品质的碳纤维，可以分别配制 出具有导电、屏蔽磁场、屏蔽电磁辐射和应力、应变自检测以及 温度自测等多功能的水泥基复合材料。由于它是高弹模、高强 度纤维增强的水泥基，因而具有高抗拉、高抗弯、高断裂能、低 干缩率、低热膨胀系数、耐高温与高阻燃能力、高耐久、耐老化、 抗腐蚀、高抗渗等并与老混凝土、金属的接触电阻低和由良好 的电磁屏蔽效应而且能减轻结构自重，故碳纤维增强水泥基复 合材料将有可能制成智能材料。
碳纤维的密度在 １．５～２．０ｇ／ｃｍ３ 之间，碳纤维的强度、热膨 胀系数与其它类型纤维不同，它有各向异性的特点，外力平行 于碳纤维的层状结构时，其抗拉强度高，而垂直于层状结构施 加拉力时，则抗拉强度低。同样，平行于纤维方向的热膨胀系数 是负值（ －０．７２～－０．９０）×１０－６℃－１，而垂直于纤维方向是正 值（ ３２～２２）×１０－６℃－１；碳纤维的比热一般是 ７．１２×１０－６ｋＪ／ （ｋｇ·℃），导热率随温度升高而下降。碳纤维的比电阻与纤维的 类型有关，在 ２５℃时，高模量碳纤维为 ７７５μΩ／ｃｍ，高强度碳 纤维为 １５００μΩ／ｃｍ。碳纤维的电动势为正值，所以与负电动势 的材料组合时会发生化学腐蚀。
在碳纤维水泥基复合材料中，分散在基体中的导电材料形 成网络，并通过隧道效应连同网络间的绝缘而传导。碳纤维属 于过渡形式碳，其微观结构类似于石墨。由苯环稠组成平面网， 构成一个无限大的 π 电子轨道体系，π 电子可在整个网的大 π 体系中离域，从而导电。碳纤维分散在水泥基体中，受绝缘的 水泥基体阻隔，形成势垒。当碳纤维水泥试块的温度升高时，由 于升温使电子受热激发而获得能量，使更多电子能克服水泥基 体阻隔形成的势垒，导致电阻率下降。利用其电阻率对温度具 有较强的敏感性，可将碳纤维混凝土制作成温度传感器，适用 于机场跑道等混凝土路面结构的温度自诊断检测。
３．２ 增强混凝土的导电性
碳纤维的比电阻与纤维的类型有关，在 ２５℃时，高模量纤 维为 ７５５μΩ·ｃｍ，高强度碳纤维为 １５００μΩ·ｃｍ。碳纤维的电 动势为正值，在碳纤维混凝土中，粗骨料与碳纤维杂乱地分散 于水泥浆体中，据研究，碳纤维和水泥浆体的导电率胶粗集料 大几个数量级，因此电流在碳纤维混凝土中的传输可以认为按 三种途径（：１）通过碳纤维和水泥浆体（；２）通过互相搭接的碳 纤维（；３）直接通过水泥浆体。
２０ 世纪 ７０ 年代，英国首先用聚丙烯腈基（ ＰＡＮ）碳纤维研制碳纤 小，以提高碳纤维的弹性模量和获得更高的强度。
维增强水泥基材料（ＣＦＲＣ）板材，使用于伊拉克 Ａｌ－Ｓｈａｋｅｅｄ 纪
由沥青和聚合物纤维制备的碳纤维已实现商品化，而含碳
念馆，开始了碳纤维增强混凝土研究与应用的先例。迄今为止， 气体制备的碳纤维尚未进行工业化生产；前者由短纤维和连续
碳元素，改变了原丝纤维的结构，形成了碳纤维。聚丙烯腈经碳 低性能碳纤维：这类碳纤维有耐火碳纤维、碳质碳纤维、石墨碳
化阶段后，碳化产率约为 ４０％～４５％，碳纤维的含碳率在 ９５％ 纤维等。
左右，这是一种由梯形聚合物六元环所连结起来的叠状结构，
按用途不同，碳纤维可分为五个等级（：１）高模量（ ＨＭ）纤
生产技术的改进，大大降低了生产成本。
以聚丙烯腈原丝制备碳纤维为例，制备碳纤维的过程大体 １．２ 碳纤维的种类和等级
分三个阶段：
由于碳纤维所用原料（母材）不同，产品可分为二种：一种
第一阶段是预氧化。在 ２００℃～３００℃的氧化气氛中，在原 是通长的（ ＰＡＮ），多数是从聚丙烯晴纤维获得；另一种为短节
丝受张力的情况下进行，氧化过程是为了提高原料的高温稳定 （ Ｐｉｔｃｈ），系石油或煤焦油熔化制成。这两种纤维的制造工艺相
材料（ 如陶瓷和一些有机聚合物纤维束等）无法比拟的。目前， 成本也比聚合物制备的碳纤维低的多。然而目前市场上用聚合
碳纤维增强混凝土作为智能材料正倍受国内外混凝土专家的 物制备的碳纤维仍占主导地位，因为它们综合了机械性能优良
研究与重视。
和成本合理两方面的优点。由于近年的研究和发展，纤维加工
１．１ 碳纤维的制备
碳纤维在混凝土中的分散并不完全互相孤立，依据渗流理 论，分散相在分散体系中的浓度达到临界点时，互相接触的分 散相构成了无限渗流集团，即在碳纤维混凝土中，随碳纤维掺 量增大，逐渐形成了纤维聚集团族，团族内纤维彼此连接，当碳 纤维掺量大于临界值时，全部团族形成渗流网络，使导电率急 剧上升。同样，利用碳纤维的导电性，制造机敏混凝土用于探测 混凝土在受力时内部微观结构的变化。
国际上已有多幢高层建筑应用了碳纤维增强混凝土板材，取得 纤维两种形式，后者仅以短纤维形式出现。由于沥青和含碳气
了好的效果。美、欧、日及亚洲其他国家包括我国台湾地区和韩 体制备的碳纤维的石墨化程度比由聚合物制备的碳纤维的石
国等都积极研究、开发生产碳纤维产品，其独特的特性是其他 墨化程度高，因而它们的导热率更高、电阻更低，同时原材料的
［文章编号］ １００２－３５５０－（２００６）０４－００２９－０３
Ａ ｐ ｐ ｌｉｃａｔｉｏ ｎ ｏ ｆ ｓｈ ｏ ｒｔ ｃａｒｂ ｏ ｎ ｆｉｂ ｅｒｓ ｉｎ ｃｏ ｎ ｃｒｅｔｅ
ＣＨＥＮＧ Ｌｉ－ｈｏｎｇ ， ＭＥＮＧ Ｈｏｎｇ－ｒｕｉ ， ＸＩ Ｙａ－ｌｉ （Ｓｈａａｎｘｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ； ＨａｎＺｈｏｎｇ ７２３０００， Ｃｈｉｎａ）
Ｋ ｅｙ ｗ ｏ ｒｄ ｓ： ｓｈｏｒｔ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ； ｒｅｉｎｆｏｒｃｅ； ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ； ｃｏｎｃｒｅｔｅ
１ 碳纤维
降。
碳纤维是有机纤维在惰性气氛中经高温碳化而成的纤维
第三阶段是石墨化。石墨化过程的目的主要是使纤维值的
状的碳化合物。它是由沥青纤维、聚合物纤维或含碳气体制成。 结晶碳向石墨晶体取向，使之与纤维轴方向的夹角进一步减
３．１ 增强混凝土的力学性能
碳纤维的应力－应变曲线是一条直线，纤维在断裂前是弹 性体，断裂是瞬间开始和完成的。在水泥中加入少量短碳纤维， 能大大增加混凝土的韧性、抗拉裂性、抗折性和冲击力。由于混 凝土抗拉性能很低，材料呈脆性，易产生裂缝，往往引起脆性断 裂。各国都很重视改善混凝土性能的研究，配上各种不同的纤 维增加混凝土的抗拉能力，纤维增强按纤维的长度分：连续纤 维增强和短纤维增强两大系列。对于短纤维增强中的二维、三
［摘 要］ 本文介绍了碳纤维的制备、碳纤维的结构和性能、碳纤维的分类与等级，重点讨论了碳纤维在混凝土中的增强阻裂作用、导电
性、温度敏感性和压电效应，以及碳纤维增强混凝土（ ＣＦＲＣ）作为智能材料的发展趋势。 ［关键词］ 碳纤维；增强；性能；混凝土
［中图分类号］ ＴＵ５２８．５８２ ［文献标识码 ］ Ａ
Ａ ｂ ｓｔｒａｃｔ： Ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ， ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｈｏｒｔ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｔｈｅ ｉｎ－ ｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｓｈｏｒｔ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｔｏ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ａｓ ａｎ ｅｍｐｈａｓｉｓ ｓｕｃｈ ａｓ： ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｃｒａｃｋ， ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ， ｓｅｎ－ ｓｉｔｉｖｉｔｙ ｔｏ ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｒｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ． Ａｔ ｌａｓｔ， ｔｈｅ ｔｅｎｄｅｎｃｙ ｏｆ ｓｈｏｒｔ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｕｓｅｄ ａｓ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｔｏ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎ ｃｏｎ－ ｃｒｅｔｅ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．
３．３ 增强混凝土的温度敏感性
碳纤维的导热性好，碳纤维的热膨胀系数与其他类型纤维 不同，它有各向异性的特点，平行于纤维发方向是负值（ － ０．７２～－０．９０）×１０－６℃－１，而垂直于纤维方向是正值（ ３２～２２） ×１０－６℃－１，碳纤维的比热容一般为 ０．０３ｋＪ／（ｋｇ·℃）～０．７ ｋＪ／ （ｋｇ·℃），热导 率 又 方 向 性 ， 平 行 于 纤 维 轴 方 向 导 热 率 为 １６．７４Ｗ／（ｍ·Ｋ），而垂直于纤维轴方向为 ０．８３７ Ｗ／（ｍ·Ｋ）。热导率 会随着温度升高而下降。
２００６ 年 第 ４ 期 （ 总 第 １９８ 期 ） Ｎｕｍｂｅｒ ４ ｉｎ ２００６（Ｔｏｔａｌ Ｎｏ．１９８）
混
凝
土
Ｃｏｎｃｒｅｔｅ
全国中文核心期刊 Ｔｈｅ Ｃｏｒｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈｉｎａ
碳纤维在混凝土中的应用
陈丽红， 孟宏睿， 惠雅莉 （ 陕西理工学院土木工程与建筑系 陕西 汉中 ７２３０００ ）
Baidu Nhomakorabea
［收稿日期］ ２００６－０２－０７
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＜１ＧＰａ。
２ 碳纤维的结构与性能
材料的性能主要取决于材料的结构。理想的石墨点阵结 构，属于六方晶系，而研究发现，真实的碳纤维结构，并不是理 想的石墨点阵结构，属于乱层石墨结构，但石墨片层乃是最基 本的结构单元。由数张层片组成石墨微晶，由石墨微晶再组成 原纤维，其直径为 ５０ｎｍ，长度为数百纳米。最后由原纤维造成碳 纤维的单丝，直径一般为 ６μｍ～８μｍ。在碳纤维结构中的石墨 微晶，其 ｃ 轴与纤维构成一定的夹角 φ。夹角的大小影响着纤 维模量的高低。
具有很好的拉伸强度，在碳化阶段，随着热处理温度提高，纤维 维，模量 ＞５００ＧＰａ（；２）高强度（ ＨＴ）纤维，强度 ＞３ＧＰａ（；３）中等模
弹性模量也提高，但拉伸强度却在出现一个最大值后逐渐下 量（ ＩＭ）纤 维 ， 模 量 １００ ～５００ＧＰａ（； ４）低 模 量（ ＬＭ）纤 维 ， 模 量
１００～２００ＧＰａ（；５）普通用途（ ＧＰ）短纤维，模量 ＜１００ＧＰａ 和强度
性，能使环化结构在较高温度下择优取向，显著地提高碳纤维 同，通长的纤维直接来自聚合物，而短长纤维是基于熔化制成
的模量。由沥青和含碳气体制备的碳纤维不需要预氧化过程。 的纤维。
第二阶段是碳化。在 ４００℃～１９００℃的惰性气氛中进行。这是碳
根据碳纤维的性能分：Ⅰ 高性能碳纤维：在高性能碳纤维
纤维生成的主要阶段，在该阶段中除去了大量的氮、氢、氧等非 中又分为高强度碳纤维、高模量碳纤维、中模量碳纤维等；Ⅱ