碳纤维增强水泥基复合材料的力学性能研究进展

程健强，王文广，韩 杰

（1.辽宁石油化工大学土木工程学院，辽宁抚顺113001；2.辽宁石油化工大学机械工程学院，辽宁抚顺113001；3.中国科学院金属研究所，辽宁沈阳110016）

传统意义上的砂浆和混凝土等水泥基复合材料在抗压强度、耐火、耐水和耐腐蚀性能等方面有着优异表现[1⁃3]，但由于功能相对单一，脆性大,抗裂、抗变形、抗渗性能等都较差[4⁃5]，同时其低抗拉强度、抗弯强度和断裂韧性等也都很大程度上限制了其在特殊领域中的应用[6⁃8]。随着社会的日益进步，人们对建筑设计的外观、可靠性、安全性等都提出了更高的要求，超高强度[9⁃10]、自感知[11⁃12]等新型功能混凝土，智能监测混凝土[13⁃15]成为目前研究的重点。

碳纤维(Carbon Fibers,CFs)作为增强相具有诸多优点，其密度低，弹性模量、拉伸和抗压强度高，具有导热、导电及耐腐蚀等特性[16⁃17]。目前，纤维增强复合材料应用广泛，通常将其与水泥、金属或树脂等基体材料复合制备功能各异的结构复合材 料[18⁃22]。

CFRC 是将短切CFs 作为增强相加入水泥净浆、水泥砂浆或混凝土等水泥基体后组合成的复合材料。CFs 随机分布于水泥基体中，起到阻裂和增韧作用[23]，延缓水泥基体中微裂缝扩展，桥接裂缝并抵消一定的拉应力，提高水泥基体的抗拉、抗弯强度和断裂韧性[24⁃26]。CFRC 不但具备优异的力学性能，还在诸如导电性、压敏性、机电性能、电磁屏蔽性、相对化学惰性等方面有着突出表现[27⁃29]。

1 水泥基体中CFs 的分散性

制约CFs 在水泥基复合材料中充分发挥效能的主要原因仍然是其在水泥基体中的分散性和相容性。由于CFs 直径小、密度低且单丝间黏结紧密，过度的机械搅拌还会造成损伤，因此CFs 在水泥基体中难以混合均匀。尽管CFs 本身的强度要远高于水泥基质及骨料的强度，但CFs 团聚严重时会导致其与水泥基复合材料之间的结合不佳，往往分散最差的断面会产生应力集中现象，在受力时会首先被破坏，降低CFRC 的力学性能。同时，CFs 团聚使复合材料结构中不能形成良好的导电网络，严重制约CFRC 的导电性。总之，CFRC 中CFs 分散性越差，其力学与导电性能也越差。目前，国内外对于CFs如何均匀分散在水泥基复合材料中已有一些研究，主要通过掺入分散剂、表面活性剂、发泡剂对碳纤维表面改性处理和改善搅拌工艺等实现。

1.1 CFs 的分散方式

1.1.1 掺入分散剂 CFs 在水泥基体中团聚主要是因为其表面的疏水性，添加表面活性剂可有效改善CFs 表面疏水性，提高润湿能力。L.F.Xu 等[30]将分散剂甲基纤维素(MC)掺入水泥浆体中，改善了CFs 的分散性。MC 能够很好地润湿CFs，降低表面张力，使CFs 束充分打开成均匀分散的单丝状物，还可在CFs 表面包裹一层稳定且均匀的膜，避免分散良好的CFs 单丝状物重新聚集形成抱团或者成束。添加MC 可以改善CFs 的分散性，降低水泥基体的表面能。由于掺入一定量MC 会导致水泥浆体黏度的增加，在水泥浆体搅拌过程中不可避免地会产生一些气泡，这些气泡很难彻底消除，严重制约了复合材料的性能。C.A.Wang 等[31]采用多步骤预先分散CFs，通过超声波振动使CFs 在羟乙基纤维素（HEC）分散剂溶液中分散开，再加入一定量的消泡剂提高浆体的流动性并减少气泡量，最终制备的试块与未掺入CFs 时相比，弹性模量增加26.8%，抗压和抗拉强度分别提高20%和140%，抗弯强度降低12.9%。对于抗弯强度的减少，分析认为是在经过机械搅拌HEC 分散液后会形成一定量的气泡，导致试块养护龄到期以后结构中会形成小孔洞，这些孔洞使CFRC 的微观颗粒黏结不够紧密，导致整体强度下降。尽管加入消泡剂，但气泡很难彻底消除。HEC 含量过高会导致气泡增多；含量过少则CFs 不能分散均匀。所以，合理的HEC 溶液质量分数为1.56%～1.77%。C.A.Wang 等[31]对三种常用分散剂的分散效果进行了比较，发现分散液温度和CFs掺量不变时，分散性评价结果为HEC＞CMC＞MC。当HEC 的掺量占水泥0.6%～0.8%（即分散液质量分数为1.65%～1.80%）时，CFs 在水泥基复合材料中的分散性最好。

1.1.2 掺入硅粉 研究表明，在CFRC 中掺入一定量的硅粉（通常为水泥质量的15%）也能够提高CFs 的分散性。硅粉可以很好地填充在水泥基质、骨料以及CFs 单丝之间的空隙中，使复合材料形成良好的分布状态且受力更为合理，改善力学性能。P.Stynoski 等[32]研究了含有硅粉、碳纳米管和CFs的波特兰水泥砂浆，掺入混合碳纳米管和CFs 增强了水泥砂浆的断裂性能。H.K.Kim 等[33]通过往碳纳米管增强水泥基复合材料中掺入硅粉来研究其对力学和导电性能的影响，虽没有使用CFs 作为增强材料，但仍有借鉴作用。掺入硅粉可以改善碳纳米管的分散性，提高碳纳米管增强水泥基复合材料的力学和导电性能，而仅添加碳纳米管只会对复合材料的力学和导电性能产生不利的影响。

1.1.3 CFs 表面处理 CFs 表面处理不但可以改善其表面的疏水性和润湿性，提高碳纤维与基材间的黏结强度，同时对CFs 的分散也有帮助。X.L.Fu等[34]采用臭氧处理CFs 表面，提高了CFs 与水泥基体间的黏结强度。X.L.Fu 等[35]同样采用臭氧处理CFs 表面，改善了CFs 增强水泥的应变传感能力。W.Lu 等[36]臭氧处理 CFs 表面后，CFs 能够完全润湿，润湿角为 0。Y.S.Xu 等[37]采用硅烷处理 CFs 和硅粉，减少了水泥砂浆中的孔隙，增加了密实度，使水泥砂浆的弹性模量和拉伸强度分别提高39%和56%。关新春等[38]探讨了CFs 增强水泥砂浆中掺入活性剂、对CFs 表面处理以及改善搅拌工艺等提高CFs 分散性能的方法。王大鹏等[39]采用气液双效法对CFs 表面进行预处理，使CFs 的抗拉强度和其与基材间的层间剪切强度都显著提高。

1.1.4 物理研磨 物理研磨是在不使用任何分散剂的情况下，利用球磨机辅助CFs 剥离使其分散均匀的方法，研磨过程对CFs 会造成一定的损害，可通过改变球磨时间（MT）、平均粒径（APS）、球粉比（BPR）和浆粉比（SMPR）等来改善分散效果。T.S.K.Raunija 等[40]发现，随着增加 MT 和 BPR 以及降低SMPR 可以改善CFs 的分散性，当SMPR 为35 mL/cm3时起球严重。物理研磨时的APS 高度依赖于SMPR，且随着MT 和BPR 的增加逐渐降低。

1.2 CFs 的分散性评估

Z.J.Wang 等[41]采用光学显微镜观察X 射线扫描图像，引入色散系数来比较CFs 的分散程度。色散系数值越高，CFs 的分布越均匀。色散系数的取值为84%～94%。通过计算变异系数比较具有相同色散系数的扫描切片。变异系数越小，CFs 的分布越均匀。J.Gao 等[42]采用先混合法（搅拌水泥之前添加CFs）和后混合法（搅拌水泥之后添加CFs）来制备CFRC。通过先混合法得到的CFs 均匀分散的区域平均面积大于通过后混合法得到的CFs 均匀分散的区域平均面积，分散效果优于后混合法；通过先混合法制备的样品中CFs 束的体积分数低于后混合法制备的CFs 束的体积分数。L.Y.Woo 等[43]基于交流电阻抗谱（3D AC⁃IS）利用导电率来表征CFs 色散程度，使用点探针技术和色散因子综合分析CFs 在水泥基体中的方向、整体偏析（即重力沉降或混合不良导致的分散不均匀）和局部团聚（即基体中碳纤维局部大量聚集），此法可以直观地评估短切CFs 在CFRC 中的分散性。

2 涂层改性CFs 的制备方法

CFs 表面涂层改性处理能够改善其与水泥基质和骨料间的相容性，提高其与水泥基体间的黏结强度，提高界面结合能力，增强材料的力学性能。实现CF 化合物涂层有很多方法，本文对一些常用的CFs 表面涂层的制备方法进行了系统评述。

2.1 溶胶⁃凝胶法

溶胶⁃凝胶法（Sol⁃Gel，SG）在制备 CFs 改性涂层时，将金属醇盐、无机物溶于水溶液或有机溶剂中使其发生水解和缩合反应并形成稳定的悬浮状类似胶体的溶胶，再将CFs 置于溶胶中充分结合并发生陈化聚合反应，在表面形成空间三维网状结构物。进一步经过干燥、烧结固化等过程可制备得到高纯度的CFs氧化物或其他固体化合物改性涂层。

此法工艺简单，涂层厚度均匀且表面平整，但涂层与基体间的结合相对较弱，容易开裂和剥落。采用溶胶⁃凝胶法制备的SiO2涂层改性CFs 的表面形貌如图 1 所示。由图 1（a）可以看出，经过450 ℃真空加热2 h 表面除胶后，增大了CFs 表面的粗糙度，提高表面积，对后续改性有利。由图1（b）可以看出，表面改性SiO2涂层处理后的CFs，表面涂覆了一层SiO2薄层。

图1 溶胶⁃凝胶法制备的SiO2涂层改性CFs 的表面形貌

K.D.Xia 等[44]采用溶胶⁃凝胶法，将乙烯基三乙氧基硅烷作为前驱体在CFs 表面制备了均匀且平整的SiC/SiO2涂层。与未涂层的CFs 相比，当溶胶质量分数为4%、热处理温度为1 500 ℃时，SiC/SiO2涂层CFs 的氧化活化能提高约23%，这时抗氧化性能最好。J.J.Wang 等[45]采用溶胶⁃凝胶法通过600 ℃热处理在CFs 表面制备了SiO2涂层，与未涂覆SiO2的CFs 相比，SiO2涂层改性CFs 的抗氧化性能提高程度随着CFs 浸泡时间增加而增大。

2.2 化学气相沉积法

化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition,CVD）制备CFs 表面涂层是指加热的CFs 基体表面与气态化合物接触后发生热分解或化学反应，形成稳定的固态反应物涂层的一种方法，其原理主要是将两种或多种的气态原材料通入密闭的反应容器后产生化学反应，形成化合物涂层沉积到CFs 表面上。化学气相沉积原理如图2 所示。CVD 工艺制备CFs 表面涂层时，可以调节工艺参数控制表面形态和涂层结构。制备的涂层类型包括陶瓷化合物和金属涂层等，但制备成本高且沉积温度高、制备耗时，不利于大规模生产。

图2 化学气相沉积原理

Y.S.Liu 等[46]通 过 LPCVD 工 艺 通 入 BCl3⁃CH4⁃H2⁃Ar 混合气体合成无定形碳化硼（a⁃BC）涂层。在三维 CFs/SiC 复合材料上涂覆 SiC/a⁃BC/SiC 的多层结构提高了复合材料的抗氧化性，即便在氧化之后，复合材料的强度保留率也较高。Y.C.Zhu 等[47]在二维CFs 增强碳⁃碳复合材料中注入硼离子，然后在1 550 ℃的氩气气氛中退火得到涂覆50 nm 的CVD⁃SiC 涂层，SiC 涂层改性 CFs 增强碳⁃碳复合材料的抗氧化性显著提高。

2.3 原位反应法

原位反应法（In⁃situ Reaction Synthesis)制备CFs 改性涂层是将一定比例的CFs 与涂层所需的单质元素组成的粉末放置在反应装置中并通入惰性气体，高温使单质粉末熔化并与CFs 表面的碳原子反应形成改性涂层。该法能够制备润湿性好、界面清洁的涂层，但均匀性难以保证且制备成本较高，不适合规模化生产。

P.C.Kang 等[48]在1 450 ℃下用磨碎的硅粉和碳粉进行原位反应烧结，在T700 和M40 型CFs 表面上制备了均匀、完整且无裂纹纳米SiC 涂层。通过对涂层进行表征发现，与T700 型CFs 相比，单质粉末熔化后更易于黏附在M40 型CFs 的表面。当SiC涂层厚度约30 nm 时，CFs 具有良好的柔韧性。高朋召等[49]采用原位反应法，在三维编织CFs 表面严格控制反应条件，制备了结合牢固的SiC 涂层。涂层改性三维编织CFs 的抗氧化性能随着涂层厚度增加而增强。

2.4 电镀法

电镀法（Electroplating）制备CFs 表面改性涂层是将CFs 基体作为阴极，欲镀金属作为阳极，通入外电流后镀液中的CFs 发生电解，电解质镀液中欲镀金属的阳离子在CFs 表面沉积，还原形成金属涂层。利用电镀法在CFs 表面涂层的原理如图3 所示。电镀法制备涂层成本低，沉积速度快，涂层的厚度可以进行有效控制，但由于CFs 单丝数量多且不易分散，自身表面积大且电阻高容易导致CFs 单丝表面涂层厚度不均匀。

图3 利用电镀法在CFs 表面涂层的原理

G.Y.Yang 等[50]采用复合电镀法在CFs 表面制备了均匀的 SiC⁃ZrO⁃MoSi2/Ni 涂层。尽管 CFs 涂层的力学性能略微减弱，但是CFs 增强酚醛树脂复合材料的抗氧化性能明显提高。高嵩等[51]将CuSO4·5H2O、H2SO4、KNO3和光亮剂按一定比例混合作为镀液，在CFs 表面得到平整且致密的铜镀层。表面镀层CFs 的黏结强度从270 kPa 提高到450 kPa。 J. Andreska 等[52]利 用 NiSO4、NiCl2、H3BO3、C12H25SO4Na 配制电镀液，加入表面活性剂后，采用电镀法在CFs 表面制备了致密的镍涂层。CFs 镀镍涂层可以显著提高复合材料的使用寿命和抗腐蚀性。吕晓轩等[53]将硫酸镍作为主盐，十二烷基硫酸钠作为分散剂，采用电镀法在CFs 表面制备了高纯度的镀镍涂层。镍涂层提高了CFs 的抗氧化性，将CFs 起始氧化温度提高100 ℃。镍涂层提高了CFs 的导电性，使CFs 的电阻率降到0.74×10-6Ω·m。

2.5 化学镀

化学镀(Electroless Plating)制备CFs 改性涂层过程中不使用外部电源，所以也称自催化镀或无电解镀。其原理是将合适的还原剂加入镀液中，发生氧化还原反应后镀液中的金属离子被还原成金属，沉积在CFs 表面形成涂层。该法不需要通入用电装置，工艺简单，成本相对较低且涂层厚度均匀。

矫海霞等[54]将二甲基胺硼烷作为还原剂，采用化学镀法，在CFs 表面还原了连续且均匀的Ni⁃Co⁃B 合金涂层，显著增强了复合材料的磁性。祝儒飞等[55]将甲醛作为还原剂，采用化学镀铜法在CFs 表面制备了纳米CFs/Cu 复合材料，CFs 表面Cu 镀层由约50 nm 的铜颗粒紧密排列组成，厚度达350 nm。赵璐等[56]将联氨作为还原剂，银氨作为活化液，采用化学镀法在CFs 表面还原了致密且均匀的镍镀层，提高了介电损耗，改善了复合材料的抗电磁性能。

2.6 等离子喷涂法

等离子喷涂法（VPS）制备CFs 表面改性涂层是利用高温等离子体使陶瓷、金属、合金等融化或半融化，借助高速气体喷向表面预处理后的CFs，形成附着牢固的涂层。等离子喷涂法制备CFs 涂层可提高复合材料的抗高温氧化性，改善耐磨、防腐、隔热和防辐射等性能。

T.Hirai 等[57]采用真空等离子喷涂技术在CFs增强复合材料上制备了厚200 μm 的钨涂层。VPS⁃W 涂层在功率密度 0.33 GW/m2、持续时间 1 ms 的脉冲作用下逐层破坏。在持续时间更长的单脉冲作用下，表面温度高于2 700 ℃时涂层被破坏。赵岩等[58]将CFs 与Al2O3粉末混合，通过高温等离子体使Al2O3粉末在CFs 表面融化沉积形成了质量分数为4%的Al2O3涂层。与Al2O3涂层相比，掺入CFs使Al2O3涂层和基体间的耐磨性和黏结强度分别提高约64%和38%，摩擦因数降低50%。

2.7 前驱体转化法

前驱体转化法（Precursor Infiltration Pyrolysis，PIP）制备CFs 涂层，首先将CFs 浸渍于先驱体溶液中，慢慢地CFs 表面会包覆一层聚合物，然后在固化交联和高温下裂解使其转化成改性涂层。该方法成本低、涂层纯度高，但高温裂解会使部分小分子逸出，基体收缩造成裂纹和气孔，一般需多次浸渍裂解才能致密。

X.Ma 等[59]采用化学气相沉积热解碳（PyC）修饰两种纤维增强材料的表面结构，随后将聚碳硅烷（PCS）作为前驱体，通过前驱体渗透和热解工艺，制备了T300 和T700 两种平纹CFs 纤维布增强的二维C/SiC 复合材料，经过PyC 修饰的T700 纤维布二维C/SiC 复合材料的力学性能最佳。其中，弯曲强度、弯曲模量和剪切强度分别达到（425±23）MPa、（37±3）GPa 和（24±2）MPa。邱显星等[60]采用前驱体转化法，将聚硼硅氮烷作为前驱体在CFs表面制备了均匀包覆的SiBNC 涂层。当温度在400～800 ℃时，CFs 表面的碳原子和氧原子间的反应减慢，增加了氧化活化能，SiBNC 涂层改性CFs的抗氧化性显著提高。陈钢军等[61]将质量分数为10%的聚碳硅烷(PCS)作为先驱体溶液循环浸渍三次，制备得到完整均匀的SiC 涂层，其抗氧化性能最好。

3 影响CFRC 力学性能的因素

国内外大量研究表明，影响CFRC 力学性能的因素包括水灰比、养护龄期、成型工艺、硅粉含量、外加剂、碳纤维含量和碳纤维长度等。

CFs 均匀分布在水泥基复合材料中可以起到阻裂和增韧的作用[23]。因为CFs 可以在微观上优化水泥基质与骨料间的内部结构，延缓裂缝的开展，提高复合材料的力学性能和耐久性；从宏观角度，CFs作为增强相，当材料受力发生破坏时，CFs 拔出使裂缝在扩散时发生偏转和受阻，在水泥基复合材料破坏前增加能量耗散，提高复合材料的韧性。

3.1 CFs 掺量和长度

F.Reza 等[62]测试了质量分数在0～0.6%的CFs增强砂浆的抗拉强度。当质量分数为0.6%时，CFs增强砂浆的抗拉强度比未添加CFs 的对照组提高约3 倍。D.Jacopo 等[25]测试了占水泥质量的2%、3%、4%三种掺量的短切CFs 增强水泥基砂浆的力学、导电和自感知性能。掺入CFs 提高了砂浆的抗弯强度，而抗压强度没有改善。总体来看，当CFs良好地分散在CFRC 中时，随着CFs 掺量的增加，CFRC 的抗弯强度通常显示为增加；不同研究显示有些略微降低抗压强度，有些呈现出先增加后减少的状态。对比发现，掺入CFs 适宜的质量分数约为0.6%。CFs 掺量的增加不可避免地在CFRC 中造成一部分团聚，此时会造成受力状态下的应力集中，使CFs 作为增强相的效能不能充分发挥，制约了力学性能的提高，这也呼应了CFRC 在制备时需要注意CFs 的分散性。X.Shu 等[24]测试了包括微米级、毫米级和两者组合的不同尺寸的CFs 对波特兰水泥砂浆力学性能的影响。三种类型的CFs 都提高了砂浆的峰值前荷载能量吸收能力，两种尺寸CFs 混合后的砂浆表现出优异的拉伸性能和抗断裂性能。海然等[63]研究了不同 CFs 质量分数（Wf）下水泥基复合材料的表观密度（ρ）、弹性模量（E）和泊松比（μ）间的相互关系。随着Wf增加，水泥基复合材料的μ增加，ρ和E降低。回归分析显示ρ、E、μ与Wf之间存在函数关系且理论值与实际值一致。B.G.Han 等[23]将经过亲水表面改性的CFs 进行超声波预处理之后掺入水泥砂浆中发现，掺入CFs 降低了水泥砂浆的电阻率，提高了抗压强度。均匀分布的CFs 有助于克服微裂纹的生长，拉拔破坏时增加了能量耗散，提高了力学性能。CFs 掺入量超过1.1%时，3 mm 的CFs 被拔出，临界拔出长度大于实际长度，而6 mm 的CFs 临界拔出长度小于实际长度。3 mm 的CFs 增强水泥砂浆的抗拉伸强度和抗压强度小于6 mm 的CFs 增强水泥砂浆。结果表明，长度在 5～10 mm 的 CFs，随着 CFs 长度的增加，CFRC的抗弯、抗压、抗拉性能一般情况下也增加。当长度小于5 mm 时，由于CFs 长度过短，不能在CFRC中形成良好的搭接网络，不利于受力状态下力的传递；当长度大于10 mm 时，又会导致CFs 之间的分散效果变差，形成团聚。因此，长度选择一般不超过10 mm。

3.2 水灰比和成型工艺

考虑到水泥基复合材料和易性的要求浮动范围较大，通常CFRC 的水灰质量比（水灰比，下同）选择0.20～0.70。不同CFRC 组成成分不同，如水泥净浆、水泥胶砂、水泥砂浆和混凝土，因此所选择的水灰比也不尽相同。张其颖等[64]选择轻骨料质量配合比2∶1、水灰比0.65 的水泥，掺入3.3%长度6 mm 的CFs 制备了性能优异的CFRC。掺入CFs 对CFRC 整体有补强和增韧的作用。另外，掺入外加剂和硅粉进一步提高了CFRC 的强度，采用热水养护促进了水化反应的发生，对CFRC 的强度有利。C.A.Wang 等[31]采用超声波振动实现短切CFs 在分散剂羟乙基纤维素溶液（质量分数1.66%～1.86%）中的均匀分布，加入水泥和骨料制备了CFRC。在CFs 质量分数低于0.6%时，随着CFs 质量分数增加，CFRC 的力学性能也提高。当CFs 质量分数为0.6% 时，弹性模量增加1.29%，抗压强度增加20%，但抗弯强度却减少0.89%。当CFs 长度为7 mm、CFs 质量分数为0.6%、水灰比由0.23 增加到0.30 时，电阻率突然降低；当水灰比由0.30 增加到0.50 时，电阻率缓慢增加；水灰比超过0.50 时，电阻率基本不变。随着水灰比的增加，电阻率先增加后减小。通过边振动边压实制备的CFRC 试样比只振动试样的电阻率降低很多。CFRC 中掺入硅粉不仅对CFs 的分散产生了良好的影响，而且还增加了复合材料的密实度，进一步影响了CFRC 的性能。

在水灰比增加时，力学性能通常显示先增加后减少的规律，电阻率则是先增加后减小，最终基本不变。因为，在低水灰比时CFRC 的密实度极差，CFs 不能很好地与水泥基体结合且CFs 单丝之间难以搭接形成导电网络，导致力学性能和导电性差。随着水的掺量增加，CFRC 的流动性增加，使整体结合的更加密实，但过多的水分蒸发后会造成气泡的产生，降低CFRC 的力学性能。综上所述，适宜的水灰比为0.50 左右。当采取不同的成型工艺时，对CFRC 的力学性能也会有很大影响。为了获得更加密实的CFRC 且不能由于过震导致CFRC 产生分层现象，通常在CFRC 成型时边震动边压实的方法，使CFRC 能够充分混合均匀，达到最佳密实状态，获得最佳的力学性能。

3.3 外加剂

C.Wang 等[65]利用超声波使CFs 在羟乙基纤维素分散剂中预分散后制备了CFRC，CFRC 的抗压强度比未掺入CFs 时提高20%，抗拉强度提高0.4%，弹性模量增加26.8%，而抗弯强度减小12.9%。A.Sassani 等[5]评估了CFs 质量分数和长度、粗细骨料体积比（C/F）、CEA（亚硝酸钙基腐蚀抑制剂、电导率增强剂）剂量和FDA（甲基纤维素，分散剂）剂量对导电混凝土的导电率和强度的影响。添加CEA 可以提高混凝土的导电性，同时对强度有积极的影响。C/F 和FDA 剂量是影响混凝土抗弯强度的重要变量。但建明等[66]通过正交实验研究了外加剂对CFs 增强水泥砂浆力学性能的影响，发现掺入外加剂减少了部分气孔，降低了孔隙率，使砂浆更致密，力学性能更好。当硅粉、甲基纤维素、膨胀剂、减水剂、消泡剂掺量分别为12.00%、0.10%、6.00%、0.90%、0.06%时，CFs 增强水泥砂浆获得最佳力学性能。

外加剂通常是分散剂和消泡剂两种，能够对CFRC 力学性能的提高产生极大的帮助。分散剂可以提高CFs 在CFRC 中的分散性，使CFs 作为增强相在CFRC 中分布均匀，搭接良好并形成受力骨架，提高力学性能；消泡剂的加入可以减少CFRC中的气泡，特别是在加入分散剂后，制备CFRC 时因为机械搅拌会产生大量的气泡，而气泡的产生会严重制约CFRC 的力学性能，当消泡剂掺量约为0.1% 时，能够很好地降低气泡的含量，提高力学性能。

3.4 养护龄期

P.Garcés 等[67]研究了不同 CFs 掺量下的增强硅酸盐水泥砂浆的力学性能影响因素。其中，抗压和抗弯强度与CFs 掺量、水胶比、养护龄期和孔隙率等有关。当CFs 掺量为水泥质量的0.5%时，抗弯强度和钢筋中腐蚀电流密度（Icorr）最高。养护龄期达到75 d 后，随着时间的增加，Icorr由高转变为较低的稳定值。养护龄期105 d 时，将样品浸入蒸馏水中，Icorr值突然增加。随着时间的延续，Icorr再次达到稳 定 值 。 C.A.Wang 等[31]研 究 了 CFs 掺 量 在 0～0.6%的CFRC 的导电性，CFRC 的电阻率在28 d 养护龄期之前随时间的增长急剧增加，28 d 后电阻率缓慢增加，84 d 后电阻率保持相对稳定。当CFs 掺量在0.8%～1.0%时，养护龄期在前7 d 时电阻率随时间增长迅速增加，此后缓慢增长，84 d 后电阻率保持相对稳定。

由于随着养护龄期的不断增加，CFRC 内部发生的水化反应先急剧增加后缓慢增加，水化反应最终完成，因而CFRC 的力学性能通常先急剧增加后缓慢增加，最终达到稳定，导电性先急剧下降，然后缓慢降低，最后趋于平缓。

3.5 硅粉掺量

M.Safiuddin 等[4]通过掺入占水泥和硅粉总质量10%的硅粉，选择两种水胶比0.35 和0.40，制备了CFs 体积分数从0～1.00%的10 种沥青基碳纤维水泥基复合材料（CFRSCC）。添加CFs 使CFRSCC的抗压强度降低了36.6%～58.9%，劈裂抗拉强度提高了13.1%～17.0%。当CFs 体积分数为0.25%时，CFs 在水泥基体中分布均匀且CFRSCC 的抗弯强度和韧性分别增加了3.6% 和41.4%。李炳良等[68]通过掺入10%硅粉改善了CFs 在水泥基体中的分散。采用甲基纤维素（MC）和羟丙基甲基纤维素（HPMC）作为分散剂都提高了CFs 的分散性，但MC 的效果不如HPMC。当HPMC 溶液质量分数为0.4%时，水泥基体中的CFs 分散性最好。

掺入硅粉在提高CFRC 的密实度方面有很好的作用，因为硅粉颗粒在水泥颗粒与粗细骨料间的间隙之中可以起到很好的填充效果，降低CFRC 的内部孔洞的产生，使CFRC 的整体性更好、密实度更高，同时硅粉的加入可以提高CFs 的分散性，进一步提高CFRC 的力学性能。适宜的硅粉掺量通常在10%～15%。

4 结 论

目前，国内外对于CFRC 的制备及其性能的研究较多，大多为研究碳纤维的掺量、长度或者改变水泥基体的水灰比、外加剂等变量对CFRC 性能的影响。碳纤维能否在CFRC 中形成均匀分布的网络状结构，是影响CFRC 性能的关键。因此，如何改善碳纤维在CFRC 中的分散以及分散性的评估方式是一大问题。由于CFs 表面各种改性涂层的制备工艺已然成熟，为了扩充CFs 的性能，制备更高性能的CFRC，必须转变思路，因此第二大问题是选择何种涂层改性制备工艺来提高碳纤维的性能，从而为将来制备高性能涂层改性CFRC 做好铺垫。着重综述了碳纤维的分散方式、分散性评估方法和表面改性涂层的制备工艺。影响CFRC 力学性能的主要因素包括水灰比、养护龄期、成型工艺、硅粉含量、外加剂、碳纤维含量和长度等，对国内外的相关研究对比后得到了如下结论：

（1）CFs 的分散方式主要包括掺入分散剂和硅粉、对CFs 表面预处理、物理研磨等。

（2）CFs 分散性的评估方式主要包括X 射线扫面图像分析法和交流电阻抗谱分析法等。

（3）CFs 表面改性涂层制备工艺主要包括溶胶凝胶法、化学气相沉积法、原位反应法、电镀法、化学镀、等离子喷涂法、前驱体转化法等。

（4）影响CFRC 力学性能的因素有很多且有些还互相矛盾，但通常的研究规律表明掺入CFs 的质量分数适宜在0.6%左右，长度适宜在5～10 mm，通常不超过10 mm，水灰比适宜在0.50 左右，采用边震动边压实的成型工艺可以提高CFRC 的性能。掺入不同外加剂对CFRC 的力学性能有着不同影响，掺入分散剂和消泡剂能够提高CFRC 的力学性能；随着养护龄期的增加，CFRC 的力学性能通常先急剧增加后缓慢增加，最终达到稳定；导电性先急剧下降，然后缓慢降低，最后趋于平缓；CFRC 中硅粉掺量的适宜范围在10%～15%。