碳纤维水泥基复合材料的研究进展

黄嘉星 万菲 闫培会 冯超

（青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛 266033）

水泥基材料作为一种传统的建筑材料，因其成本低廉、工艺简单等优点在土木工程领域有着极为广泛的应用。但随着科学技术的进一步发展，传统水泥基材料已经不能满足社会发展带来的日新月异的需求，智能结构材料这一概念被提出，国内外很多学者投入水泥基材料智能改性的研究[1-3]。一般来说，对于传统水泥基材料的改性主要通过添加其他具有特殊性质的组分来实现。碳纤维是有机纤维在惰性气体中经高温碳化制成的一种特种纤维，具有质轻高强、导电性能优异和弹性模量高等诸多特点，在诸多领域受到国内外研究学者的青睐。碳纤维水泥基复合材料是指以水泥基材料作为基材，添加碳纤维或其改性材料制成的一种复合材料。因碳纤维本身的优异性质，与同条件下的普通水泥基复合材料相比，碳纤维水泥基复合材料具有更加优异的物理性能，其抗压强度、抗拉强度、抗折强度以及抗渗性能都有显著提升。普通水泥基材料的电阻率一般在105-109Ω·m之间，基本不导电，碳纤维加入水泥基材料能够显著改善水泥基材料的导电性能，使其电阻率大大降低，变成一种导电材料。这使得碳纤维水泥基复合材料不仅可以作为一种建筑结构承载材料，还可以作为一种智能结构材料应用于更多其他领域，例如道路、桥梁、楼房等大型水泥基结构的无损检测；实验室、研究院等大型设备仪器的电磁屏蔽；道路、机场等的寒冷天气下的融雪化冰等。

1 碳纤维水泥基复合材料的增强机理

1.1 力学性能增强机理

碳纤维具有很高的力学强度，将其掺入水泥基材料中会对水泥基材料的力学性能产生强烈的增强作用。其增强机理主要为纤维阻裂机理，当碳纤维水泥基复合材料受到外加应力作用时，其内部会产生一定量的裂纹，而裂纹两端的碳纤维因其高抗拉强度并不会马上断裂，这就对裂缝施加了一个对抗裂缝持续变大的应力，使得碳纤维水泥基复合材料的力学性能提高。

1.2 导电性能增强机理

碳纤维自身的导电性能优异，当它作为增强相掺入水泥基材料中时，会在水泥基材料内部形成导电网络，按照渗流理论[4]，碳纤维分布在水泥基材料内部，形成一个个很小的导电团簇，当其掺量变高超过某一阈值时，这些微小的导电团簇会相互连接，形成一个大型的导电渗流基团，在微观上显示为碳纤维单元相互搭接，形成完整的导电通路，电子能够自由转移，使得碳纤维水泥基复合材料具有导电性能。还有一种理论称为隧道效应[5]，当碳纤维导电单元之间距离足够近（10nm以下）时，相邻的碳纤维之间会发生电子跃迁，通电时会在两个导体之间产生隧道电流。压敏性能以及电热效应都来自对导电性能更加深入的研究与应用。

1.3 电磁屏蔽性能增强机理

材料的电磁屏蔽性能主要表现为两个方面[6]：第一种是对电磁波的反射，当材料对电磁波的反射能力较强时，电磁波无法透过或者透过极少；第二种是对电磁波的吸收能力，入射的电磁波基本被材料吸收且能够很快被消磨在材料内部。碳纤维主要作为一种电磁损耗介质存在，当电磁波辐射在碳纤维水泥基复合材料表面时，会形成一个磁场，连续碳纤维在磁场作用下会形成连续传导电流，对电磁波的反射作用较强，宏观上表现为对电磁波的反射；而短切碳纤维在磁场作用下相当于电偶极子，当碳纤维长度接近入射电磁波半波长时，碳纤维会产生强烈的谐振效应，产生的谐振电流会对入射电磁波造成大量损耗，宏观上表现为对电磁波的吸收。

2 碳纤维水泥基复合材料的研究

2.1 压敏效应

压敏效应指材料的电阻率随着应变而变化的一种性质。碳纤维水泥基复合材料的压敏性最早由D D L Chung在1993年提出[1]，通过在水泥基材料中添加短切碳纤维，制备了碳纤维水泥基复合材料，研究了复合材料在循环载荷试验下电阻率的变化，空白的水泥基材料在循环载荷的周期内，电阻率保持恒定不变，而碳纤维水泥基复合材料的体积电阻率随着外加载荷的变化呈可逆的线性变化，这是因为复合水泥基材料在受到载荷作用时，其内部微裂纹的闭合与扩展导致了电阻率的降低和增大。Chung提出，碳纤维水泥基材料可以作为一种智能结构材料用于水泥基材料的无损检测。在此之后，他们又进行了更加深入的研究[2]，研究了碳纤维的不同表面处理方法对复合材料压敏性能灵敏度与稳定性的影响，通过硅烷、臭氧、重铬酸钾的处理，提高了碳纤维与水泥基体之间的粘结强度，其中硅烷处理的碳纤维制成的水泥基复合材料表现最好，水泥基材料的抗拉强度提高了56%，模量和延展性提高了39%。

毛起炤等[3]通过对碳纤维水泥基复合材料受压时电阻变化的研究发现，可以将其变化过程分为三个阶段：可逆感应区、平衡区和剧增区，对应着试块受压时内部原有的孔隙和裂纹的张开和闭合、进一步受压后新裂纹的产生以及裂纹最后的扩展破坏等，表明了碳纤维水泥基复合材料能感知自身受压后从弹性阶段到破坏阶段的演变全过程，阐明了碳纤维水泥基材料压敏性能的微观动态机理。在此之后，越来越多的学者也投入到碳纤维水泥基复合材料的研究中来。

邓友生等[7]将碳纤维水泥基复合材料制成应变传感器，对混凝土梁预制件进行三点弯曲试验，研究混凝土梁的平均应变与外加荷载的关系。结果表明，碳纤维水泥基复合材料传感器对混凝土梁的应变具有灵敏的感知，且应变与外加荷载线性相关。

赵晓华等[8]研究了含水率对碳纤维水泥基复合材料压阻效应的影响，结果显示，在连续烘干和单向加载条件下，碳纤维水泥基复合材料的压阻性能随着含水量的变化而改变，在含水量较高时，压阻效应为正，材料的电阻率随着压应变单调减少；随着含水量的降低，压阻效应转变为负，与正压阻效应相比，负压阻效应变化幅度更大，更加直观明显，说明在低含水量时，碳纤维水泥基复合材料的压阻性能更加灵敏。

2.2 电热效应

碳纤维水泥基材料具有良好的导电性能，电热效应指导电材料在电场作用下因其自身的电阻会产生热量的性质，这一特性可以应用于很多方面。李卓球等[9]制备了用于道路融雪的碳纤维水泥基复合材料，成功地进行了室内和室外的试验，研究了在不同温度、不同结冰厚度、不同降雪量情况下所需的发热功率，确定了除冰时所需的最小功率。结果表明，碳纤维水泥基复合材料通电后产生的热量可以有效清除道路上的积雪。

Liu等[10]研制出了一种碳纤维/碳纳米纤维协同增强水泥基复合材料，可用于某些超低温环境下水化中止的水泥基材料的修复和加固。利用碳纤维/碳纳米纤维的电热效应使得复合水泥基材料在低温下提高结构强度，在-20℃条件下进行30w功率加热养护，可保持稳定温度40-50℃两天以上，通电两天后，试块的抗压强度为49.2MPa，抗折强度为11.5MPa。

Manuel等[11]提出碳纤维水泥基复合材料可作为智能地板采暖材料，研究了碳纤维的规格、掺杂量对房间和墙壁加热效果的影响，结果表明，碳纤维水泥基复合材料在使用长径比约400（直径7μm，长度3mm）的碳纤维时，表现出最佳的导电性能（也是地板加热材料的最佳性能），在以60℃的温度持续加热28d的条件下，其抗弯强度基本保持不变。为碳纤维水泥基复合材料提供了另一种应用思路。

2.3 电磁屏蔽

碳纤维水泥基复合材料对电磁波有很强的电磁屏蔽性能，很多学者对其进行了研究。王闯等[12]测试了碳纤维的不同质量掺量（0.2wt%、0.4wt%、0.6wt%、0.8wt%和1.0wt%）对碳纤维水泥基复合材料在不同频段下对电磁波的反射率的影响。结果表明，在试验中用到的所有碳纤维质量掺量梯度内，低频段的反射率均小于-10dB，复合材料对电磁波具有较强的吸收能力，属于电磁波的吸收体；而高频段的反射率随着碳纤维的掺量提升而升高，在碳纤维质量掺量大于0.4wt%时，反射率才开始大于-10dB，表现出了反射性。

王振军等[13]利用短切碳纤维，制备了碳纤维水泥砂浆试件，研究了碳纤维掺量、水灰比、减水剂的种类等因素在高频段（8-18GHz）对碳纤维水泥砂浆试件电磁反射性能的影响。结果表明，碳纤维掺量的提高能有效提升碳纤维水泥砂浆的电磁波反射性能，碳纤维掺量大于0.6wt%时，碳纤维水泥砂浆由电磁波吸收性能转变为反射性能；在相同条件下，水灰比小于0.6时，试件主要表现出反射性，而水灰比大于0.6时，试件开始表现出吸波性能；而减水剂对试件的电磁波反射性能的影响有限，萘系高效减水剂和聚羧酸系高效减水剂的碳纤维水泥砂浆在不同频段的反射率均大于-8.0dB，略高于未掺杂减水剂的碳纤维水泥砂浆。

Liu等[14]为了提高碳纤维/水泥复合材料的电磁屏蔽性能，引入了Fe3O4纳米颗粒。Fe3O4球形纳米粒子采用熔热法制备，平均粒径约30-50nm。将Fe3O4以不同的质量掺量（0、1wt%、3wt%、5wt%）掺加到碳纤维/水泥基复合材料中，研究Fe3O4对碳纤维/水泥基复合材料电磁屏蔽性能的影响。结果表明，复合材料的电磁屏蔽性能随着Fe3O4的含量提高而增强，当Fe3O4的掺量为5wt%、碳纤维掺量为0.4wt%时，有着最佳的电磁屏蔽性能，在8.2-12.4GHz频段达到了29.8dB，比不添加Fe3O4的碳纤维/水泥基复合材料提高了34.4%。

3 结语

碳纤维水泥基复合材料因其能够显著提升水泥基材料的各项物理性质，以及赋予传统水泥基材料所不具备的导电性能，使水泥基材料成为了一种新型的智能材料再次进入人们的视野，并且在某些智能材料领域，例如压敏材料、电磁屏蔽材料、电热材料方面得到了广泛的应用，赋予了水泥基材料新的活力。虽然对于碳纤维水泥基复合材料的研究和应用都取得了一系列成果，但仍然存在以下不足之处。

1）碳纤维在水泥基材料中的分散问题。传统碳纤维水泥基复合材料的制备方法主要是先通过超声处理或者分散剂分散的方法将碳纤维进行分散[15]，制成悬浊液，再将其与水泥基材料进行混合，但是这些措施并不一定能保证碳纤维混入水泥基体中均匀分散，而碳纤维在水泥基体中的分散情况恰恰对于碳纤维水泥基材料的各种性能起着至关重要的作用。因此如何保证碳纤维在水泥基体中的分散性是未来研究的重要方向。

2）碳纤维水泥基复合材料的导电性能容易受环境影响，服役环境中的温度、湿度以及试件的浇筑质量都会对测试结果产生很大的影响，如何保证严苛的服役条件下测量结果的准确性以及建立一个更加适合实际条件的智能传感系统，有待更进一步深入研究。

3）碳纤维水泥基复合材料的相容性问题。碳纤维具有强烈的疏水性，很难与水泥基材料本身达到完美的粘结，这就限制了碳纤维对水泥基材料的增强效果，如何提高碳纤维与水泥基材料的相容性也是未来研究中需要解决的问题。

4）碳纤维水泥基材料的成本问题。碳纤维的成本较贵，未来是否可以考虑更加多元的复合，添加一些对复合材料性能有增益且成本较低的材料，以此来降低碳纤维水泥基复合材料的制造成本，达到大规模应用的目的。

随着科技的进步，未来这些问题或将一一得到解决，碳纤维水泥基复合材料的前景会更加广阔。