涂層改性碳纖維摻量增強(qiáng)混凝土性能的研究

黃汝廣

摘 要：為提升工程建筑中碳纖維增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能，在水泥基復(fù)合材料中摻入了不同長度和不同摻量的碳纖維和涂層改性碳纖維，研究碳纖維/涂層改性碳纖維長度和摻量對(duì)纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響。結(jié)果表明：在不同碳纖維/涂層改性碳纖維長度下，隨著碳纖維/涂層改性碳纖維摻量逐漸增加，碳纖維/涂層改性碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度整體呈現(xiàn)逐漸增大的特征；在相同碳纖維/涂層改性碳纖維摻量下，碳纖維/涂層改性碳纖維長度越大則對(duì)應(yīng)碳纖維/涂層改性碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度越高；在不同碳纖維/涂層改性碳纖維長度下，碳纖維/涂層改性碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度隨著碳纖維/涂層改性碳纖維摻量逐漸增加先增后減；在碳纖維/涂層改性碳纖維摻量為0.6%時(shí)取得抗壓強(qiáng)度最大值。適宜的碳纖維/涂層改性碳纖維摻量為0.6%。

關(guān)鍵詞：碳纖維；涂層改性碳纖維；水泥基復(fù)合材料；抗折強(qiáng)度；抗壓強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：TU528.45；TQ342+.742

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5922（2023）07-0171-04

Study on performance improvement of carbon fiber reinforced concrete with coating modified carbon fiber

HUANG Ruguang

（Hezhou University，Hezhou 542800，Guangxi China

）

Abstract：In order to improve the mechanical properties of carbon fiber reinforced concrete in engineering construction，different lengths and dosages of carbon fiber and coating modified carbon fiber were added to cement-based composite materials.The effects of the length and dosages of carbon fiber/coating modified carbon fiber on the flexural and compressive strength of fiber-reinforced cement-based composite materials were studied.The results indicate that under different lengths of carbon fibers/coating modified carbon fibers，as the content of carbon fibers/coating modified carbon fibers gradually increases，the overall flexural strength of carbon fibers/coating modified carbon fibers reinforced cement-based composites shows a gradually increasing feature.At the same content of carbon fibers/coating modified carbon fibers，the longer the length of carbon fiber/coating modified carbon fiber，the higher the flexural strength of the carbon fiber/coating modified carbon fiber reinforced cement-based composite material.Under different lengths of carbon fiber/coating modified carbon fiber，as the content of carbon fiber/coating modified carbon fiber gradually increases，the overall compressive strength of carbon fiber/coating modified carbon fiber reinforced cement-based composites first increases and then decreases.The maximum compressive strength is achieved when the content of carbon fiber/coating modified carbon fiber is 0.6%.The appropriate carbon fiber/coating modified carbon fiber content is 0.6%.

Key words：carbon fiber;coating modified carbon fiber;cement based composite materials;flexural strength;compressive strength

工程建筑中多以水泥混凝土材料為主，這主要是因?yàn)槠渚哂惺┕し奖恪⒖箟簭?qiáng)度高等特性［1-2］，但是隨著現(xiàn)代工程建筑向著大跨度、復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用需求，水泥混凝土材料的脆性自重大、抗折強(qiáng)度低等特點(diǎn)在一定程度上限制了其更廣泛的應(yīng)用［3］。近年來研究熱點(diǎn)是將碳纖維加人到水泥基體中制成碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料，使其同時(shí)具有碳纖維的高碳纖維、輕質(zhì)等特性以及水泥基復(fù)合材料的施工方便、抗壓強(qiáng)度高等特性［4-6］，在現(xiàn)代化工程建筑中具有良好的應(yīng)用前景，且工程建筑中碳纖維增強(qiáng)混凝土與傳統(tǒng)混凝土相比，還具有質(zhì)輕、強(qiáng)度高、流動(dòng)性好、擴(kuò)散性強(qiáng)等特點(diǎn)［7-10］。為了提升工程建筑中碳纖維增強(qiáng)混凝土的力學(xué)性能，本文在傳統(tǒng)水泥混凝土中摻入了不同長度和不同摻量的碳纖維和涂層改性碳纖維，研究了碳纖維/涂層改性碳纖維長度和摻量對(duì)纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的影響，結(jié)果有助于高性能工程建筑用碳纖維增強(qiáng)混凝土的開發(fā)，并推動(dòng)其在工程建筑中應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)原料包括短切碳纖維（絲數(shù)3 000、直徑7 μm、密度1.78 g/cm3、拉伸強(qiáng)度3 540 MPa、拉伸模量228 GPa），碳纖維改性用堿性硅溶膠（5 mol/L）和無水乙醇（99.6%），52.5R普通硅酸鹽水泥、微硅粉、細(xì)骨料（平均粒徑1.2 mm）、FDN-B型減水劑、DX-F型消泡劑和油性脫模劑。

1.2 試樣制備

根據(jù)GB/T 17671標(biāo)準(zhǔn)制備水泥基復(fù)合材料，基礎(chǔ)配比為：405 g水泥、45 g微硅粉、細(xì)骨料砂1 350 g、消泡劑0.8 g、水230 g、水膠比控制在0.5。采用相同的攪拌方式制備碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（CFRC）和涂層改性碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（CMCFRC）。預(yù)先將碳纖維原料置于箱式熱處理爐中進(jìn)行除膠，溫度為350 ℃、時(shí)間為2 h，空冷后得到除膠后碳纖維，在水泥和骨料中摻入除膠后碳纖維，制備碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（CFRC）；采用}法在碳纖維表面制備改性二氧化硅涂層，然后將改性涂層摻入水泥和骨料中制備涂層改性碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料（CMCFRC）。將碳纖維復(fù)合材料置于養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)處理，溫度為室溫、相對(duì)濕度97%，養(yǎng)護(hù)時(shí)間為28 d。

1.3 測試方法

采用SU8010型掃描電子顯微鏡觀察碳纖維和改性碳纖維的顯微形貌；碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度采用三點(diǎn)彎曲法測試［11］，結(jié)果取3根試樣的平均值；采用中心加荷法測試碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度［12］，結(jié)果取3根試樣的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微形貌

圖1為除膠后碳纖維的表面形貌。

由圖2可見，在除膠處理后，碳纖維表面可見縱向溝槽，這是由于碳纖維制備過程中殘留的加工痕跡，這些溝槽較淺，有助于增加碳纖維表面積和粗糙度，以利于后續(xù)進(jìn)行表面改性［13-14］。

2.2 力學(xué)性能

圖2為碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度與碳纖維摻量的關(guān)系曲線，短切碳纖維長度分別為1、3、5、7和10 mm。

由圖3可見，在不同碳纖維長度下，隨著碳纖維摻量逐漸增加，碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度整體先增大后減小，在碳纖維摻量為0.6%時(shí)取得抗壓強(qiáng)度最大值；在相同碳纖維摻量下，碳纖維長度越大則對(duì)應(yīng)碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度越高。此外，通過對(duì)比分析可知，在不同長度的碳纖維摻入時(shí)，碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度隨著碳纖維摻量的增長率有明顯不同，其中，10 mm碳纖維摻入時(shí)碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度增長最快，當(dāng)碳纖維長度為1 mm時(shí)抗壓強(qiáng)度增長較慢。整體而言，在碳纖維摻量為0.6%時(shí)，碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度最高。

圖4為涂層改性碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度與碳纖維摻量的關(guān)系曲線，短切碳纖維長度分別為1、3、5、7和10 mm。

由圖4可見，在不同碳纖維長度下，隨著涂層改性碳纖維摻量逐漸增加，涂層改性碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度整體呈現(xiàn)逐漸增大的特征；在相同涂層改性碳纖維摻量下，涂層改性碳纖維長度越大則對(duì)應(yīng)涂層改性碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度越高。此外，通過對(duì)比分析可知，在不同長度的涂層改性碳纖維摻入時(shí)，涂層改性碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度隨著碳纖維摻量的增長率有明顯不同，其中，10 mm涂層改性碳纖維摻入時(shí)涂層改性碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度增長最快，而涂層改性碳纖維為1 mm時(shí)抗折強(qiáng)度增長較慢。通過圖4還可知，涂層改性碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度隨涂層改性碳纖維長度/摻量的變化趨勢與碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度與碳纖維長度/摻量變化趨勢相同。

圖5為涂層改性碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度與碳纖維摻量的關(guān)系曲線，涂層改性短切碳纖維長度分別為1、3、5、7和10 mm。

由圖5可見，在不同涂層改性碳纖維長度下，隨著涂層改性碳纖維摻量逐漸增加，涂層改性碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度整體先增大后減小，在涂層改性碳纖維摻量為0.6%時(shí)取得抗壓強(qiáng)度最大值；在相同涂層改性碳纖維摻量下，碳纖維長度越大則對(duì)應(yīng)涂層改性碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度越高。此外，通過對(duì)比分析可知，在不同長度的碳纖維摻入時(shí)，涂層改性碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度隨著涂層改性碳纖維摻量的增長率有明顯不同，其中，10 mm涂層改性碳纖維摻入時(shí)涂層改性碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度增長最快；而涂層改性碳纖維長度為1 mm時(shí)抗壓強(qiáng)度增長較慢。整體而言，涂層改性碳纖維摻量為0.6%時(shí)涂層改性碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度最高。涂層改性碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度隨涂層改性碳纖維長度/摻量的變化趨勢與碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度與碳纖維長度/摻量變化趨勢相同。

從工程建筑中碳纖維增強(qiáng)混凝土的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度隨著碳纖維長度、碳纖維摻量的變化曲線可知，不同碳纖維/涂層改性碳纖維長度下，隨著碳纖維/涂層改性碳纖維摻量逐漸增加，碳纖維/涂層改性碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度整體呈現(xiàn)逐漸增大的特征，在相同碳纖維/涂層改性碳纖維摻量下，碳纖維/涂層改性碳纖維長度越大則對(duì)應(yīng)碳纖維/涂層改性碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度越高。不同碳纖維/涂層改性碳纖維長度下，碳纖維/涂層改性碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度隨著碳纖維/涂層改性碳纖維摻量逐漸增加先增后減，在碳纖維/涂層改性碳纖維摻量為0.6%時(shí)取得抗壓強(qiáng)度最大值。這主要是因?yàn)樘祭w維/涂層改性碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料中碳纖維/涂層改性碳纖維可以均勻分布在水泥基體中［15］，在受外力作用時(shí)，碳纖維/涂層改性碳纖維可以相互搭接，與水泥基體形成骨架結(jié)構(gòu)，共同抵抗外力，抑制裂紋擴(kuò)展［16-18］，可以起到增強(qiáng)和增韌作用；且在相同摻量時(shí)，碳纖維/涂層改性碳纖維長度越長，抑制裂紋擴(kuò)展的能力相對(duì)較強(qiáng)［19］，抗折和抗壓時(shí)的強(qiáng)度會(huì)更高，且由于涂層改性碳纖維與水泥的界面結(jié)合能力更好［20］，在相同碳纖維長度和碳纖維摻量時(shí)，涂層改性碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度更高。

3 結(jié)語

（1）在除膠處理后，碳纖維表面可見縱向溝槽；涂層改性碳纖維表面基本被均勻、連續(xù)的二氧化硅涂層所覆蓋，沒有出現(xiàn)異常凸起或者開裂等現(xiàn)象；

（2）在不同碳纖維長度下，隨著碳纖維摻量逐漸增加，碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度整體呈現(xiàn)逐漸增大的特征，在相同碳纖維摻量下，碳纖維長度越大則對(duì)應(yīng)碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度越高。不同碳纖維長度下，隨著碳纖維摻量逐漸增加，碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度整體先增大后減小，在碳纖維摻量為0.6%時(shí)取得抗壓強(qiáng)度最大值；

（3）在不同碳纖維長度下，隨著涂層改性碳纖維摻量逐漸增加，涂層改性碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度整體呈現(xiàn)逐漸增大的特征，在相同涂層改性碳纖維摻量下，涂層改性碳纖維長度越大則對(duì)應(yīng)涂層改性碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度越高。不同涂層改性碳纖維長度下，涂層改性碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度隨著涂層改性碳纖維摻量逐漸增加先增后減，在涂層改性碳纖維摻量為0.6%時(shí)取得抗壓強(qiáng)度最大值。

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