涂层改性碳纤维掺量增强混凝土性能的研究

黄汝广

摘 要：为提升工程建筑中碳纤维增强混凝土的力学性能，在水泥基复合材料中掺入了不同长度和不同掺量的碳纤维和涂层改性碳纤维，研究碳纤维/涂层改性碳纤维长度和掺量对纤维增强水泥基复合材料抗折强度和抗压强度的影响。结果表明：在不同碳纤维/涂层改性碳纤维长度下，随着碳纤维/涂层改性碳纤维掺量逐渐增加，碳纤维/涂层改性碳纤维增强水泥基复合材料的抗折强度整体呈现逐渐增大的特征；在相同碳纤维/涂层改性碳纤维掺量下，碳纤维/涂层改性碳纤维长度越大则对应碳纤维/涂层改性碳纤维增强水泥基复合材料的抗折强度越高；在不同碳纤维/涂层改性碳纤维长度下，碳纤维/涂层改性碳纤维增强水泥基复合材料的抗压强度随着碳纤维/涂层改性碳纤维掺量逐渐增加先增后减；在碳纤维/涂层改性碳纤维掺量为0.6%时取得抗压强度最大值。适宜的碳纤维/涂层改性碳纤维掺量为0.6%。

关键词：碳纤维；涂层改性碳纤维；水泥基复合材料；抗折强度；抗压強度

中图分类号：TU528.45；TQ342+.742

文献标志码：A

文章编号：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为主，这主要是因为其具有施工方便、抗压强度高等特性［1-2］，但是随着现代工程建筑向着大跨度、复杂环境中的应用需求，水泥混凝土材料的脆性自重大、抗折强度低等特点在一定程度上限制了其更广泛的应用［3］。近年来研究热点是将碳纤维加人到水泥基体中制成碳纤维增强水泥基复合材料，使其同时具有碳纤维的高碳纤维、轻质等特性以及水泥基复合材料的施工方便、抗压强度高等特性［4-6］，在现代化工程建筑中具有良好的应用前景，且工程建筑中碳纤维增强混凝土与传统混凝土相比，还具有质轻、强度高、流动性好、扩散性强等特点［7-10］。为了提升工程建筑中碳纤维增强混凝土的力学性能，本文在传统水泥混凝土中掺入了不同长度和不同掺量的碳纤维和涂层改性碳纤维，研究了碳纤维/涂层改性碳纤维长度和掺量对纤维增强水泥基复合材料抗折强度和抗压强度的影响，结果有助于高性能工程建筑用碳纤维增强混凝土的开发，并推动其在工程建筑中应用。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验原料包括短切碳纤维（丝数3 000、直径7 μm、密度1.78 g/cm3、拉伸强度3 540 MPa、拉伸模量228 GPa），碳纤维改性用碱性硅溶胶（5 mol/L）和无水乙醇（99.6%），52.5R普通硅酸盐水泥、微硅粉、细骨料（平均粒径1.2 mm）、FDN-B型减水剂、DX-F型消泡剂和油性脱模剂。

1.2 试样制备

根据GB/T 17671标准制备水泥基复合材料，基础配比为：405 g水泥、45 g微硅粉、细骨料砂1 350 g、消泡剂0.8 g、水230 g、水胶比控制在0.5。采用相同的搅拌方式制备碳纤维增强水泥基复合材料（CFRC）和涂层改性碳纤维增强水泥基复合材料（CMCFRC）。预先将碳纤维原料置于箱式热处理炉中进行除胶，温度为350 ℃、時间为2 h，空冷后得到除胶后碳纤维，在水泥和骨料中掺入除胶后碳纤维，制备碳纤维增强水泥基复合材料（CFRC）；采用}法在碳纤维表面制备改性二氧化硅涂层，然后将改性涂层掺入水泥和骨料中制备涂层改性碳纤维增强水泥基复合材料（CMCFRC）。将碳纤维复合材料置于养护箱中进行标准养护处理，温度为室温、相对湿度97%，养护时间为28 d。

1.3 测试方法

采用SU8010型扫描电子显微镜观察碳纤维和改性碳纤维的显微形貌；碳纤维增强水泥基复合材料的抗折强度采用三点弯曲法测试［11］，结果取3根试样的平均值；采用中心加荷法测试碳纤维增强水泥基复合材料的抗压强度［12］，结果取3根试样的平均值。

2 结果与讨论

2.1 显微形貌

图1为除胶后碳纤维的表面形貌。

由图2可见，在除胶处理后，碳纤维表面可见纵向沟槽，这是由于碳纤维制备过程中残留的加工痕迹，这些沟槽较浅，有助于增加碳纤维表面积和粗糙度，以利于后续进行表面改性［13-14］。

2.2 力学性能

图2为碳纤维增强水泥基复合材料的抗折强度与碳纤维掺量的关系曲线，短切碳纤维长度分别为1、3、5、7和10 mm。

由图3可见，在不同碳纤维长度下，随着碳纤维掺量逐渐增加，碳纤维增强水泥基复合材料的抗压强度整体先增大后减小，在碳纤维掺量为0.6%时取得抗压强度最大值；在相同碳纤维掺量下，碳纤维长度越大则对应碳纤维增强水泥基复合材料的抗压强度越高。此外，通过对比分析可知，在不同长度的碳纤维掺入时，碳纤维增强水泥基复合材料的抗压强度随着碳纤维掺量的增长率有明显不同，其中，10 mm碳纤维掺入时碳纤维增强水泥基复合材料的抗压强度增长最快，当碳纤维长度为1 mm时抗压强度增长较慢。整体而言，在碳纤维掺量为0.6%时，碳纤维增强水泥基复合材料的抗压强度最高。

图4为涂层改性碳纤维增强水泥基复合材料的抗折强度与碳纤维掺量的关系曲线，短切碳纤维长度分别为1、3、5、7和10 mm。

由图4可见，在不同碳纤维长度下，随着涂层改性碳纤维掺量逐渐增加，涂层改性碳纤维增强水泥基复合材料的抗折强度整体呈现逐渐增大的特征；在相同涂层改性碳纤维掺量下，涂层改性碳纤维长度越大则对应涂层改性碳纤维增强水泥基复合材料的抗折强度越高。此外，通过对比分析可知，在不同长度的涂层改性碳纤维掺入时，涂层改性碳纤维增强水泥基复合材料的抗折强度随着碳纤维掺量的增长率有明显不同，其中，10 mm涂层改性碳纤维掺入时涂层改性碳纤维增强水泥基复合材料的抗折强度增长最快，而涂层改性碳纤维为1 mm时抗折强度增长较慢。通过图4还可知，涂层改性碳纤维增强水泥基复合材料的抗折强度随涂层改性碳纤维长度/掺量的变化趋势与碳纤维增强水泥基复合材料的抗折强度与碳纤维长度/掺量变化趋势相同。

图5为涂层改性碳纤维增强水泥基复合材料的抗压强度与碳纤维掺量的关系曲线，涂层改性短切碳纤维长度分别为1、3、5、7和10 mm。

由图5可见，在不同涂层改性碳纤维长度下，随着涂层改性碳纤维掺量逐渐增加，涂层改性碳纤维增强水泥基复合材料的抗压强度整体先增大后减小，在涂层改性碳纤维掺量为0.6%时取得抗压强度最大值；在相同涂层改性碳纤维掺量下，碳纤维长度越大则对应涂层改性碳纤维增强水泥基复合材料的抗压强度越高。此外，通过对比分析可知，在不同长度的碳纤维掺入时，涂层改性碳纤维增强水泥基复合材料的抗压强度随着涂层改性碳纤维掺量的增长率有明显不同，其中，10 mm涂层改性碳纤维掺入时涂层改性碳纤维增强水泥基复合材料的抗压强度增长最快；而涂层改性碳纤维长度为1 mm时抗压强度增长较慢。整体而言，涂层改性碳纤维掺量为0.6%时涂层改性碳纤维增强水泥基复合材料的抗压强度最高。涂层改性碳纤维增强水泥基复合材料的抗压强度随涂层改性碳纤维长度/掺量的变化趋势与碳纤维增强水泥基复合材料的抗压强度与碳纤维长度/掺量变化趋势相同。

从工程建筑中碳纤维增强混凝土的抗折强度和抗压强度随着碳纤维长度、碳纤维掺量的变化曲线可知，不同碳纤维/涂层改性碳纤维长度下，随着碳纤维/涂层改性碳纤维掺量逐渐增加，碳纤维/涂层改性碳纤维增强水泥基复合材料的抗折强度整体呈现逐渐增大的特征，在相同碳纤维/涂层改性碳纤维掺量下，碳纤维/涂层改性碳纤维长度越大则对应碳纤维/涂层改性碳纤维增强水泥基复合材料的抗折强度越高。不同碳纤维/涂层改性碳纤维长度下，碳纤维/涂层改性碳纤维增强水泥基复合材料的抗压强度随着碳纤维/涂层改性碳纤维掺量逐渐增加先增后减，在碳纤维/涂层改性碳纤维掺量为0.6%时取得抗压强度最大值。这主要是因为碳纤维/涂层改性碳纤维增强水泥基复合材料中碳纤维/涂层改性碳纤维可以均匀分布在水泥基体中［15］，在受外力作用时，碳纤维/涂层改性碳纤维可以相互搭接，与水泥基体形成骨架结构，共同抵抗外力，抑制裂纹扩展［16-18］，可以起到增强和增韧作用；且在相同掺量时，碳纤维/涂层改性碳纤维长度越长，抑制裂纹扩展的能力相对较强［19］，抗折和抗压时的强度会更高，且由于涂层改性碳纤维与水泥的界面结合能力更好［20］，在相同碳纤维长度和碳纤维掺量时，涂层改性碳纤维增强水泥基复合材料的抗折强度和抗压强度更高。

3 结语

（1）在除胶处理后，碳纤维表面可见纵向沟槽；涂层改性碳纤维表面基本被均匀、连续的二氧化硅涂层所覆盖，没有出现异常凸起或者开裂等现象；

（2）在不同碳纤维长度下，随着碳纤维掺量逐渐增加，碳纤维增强水泥基复合材料的抗折强度整体呈现逐渐增大的特征，在相同碳纤维掺量下，碳纤维长度越大则对应碳纤维增强水泥基复合材料的抗折强度越高。不同碳纤维长度下，随着碳纤维掺量逐渐增加，碳纤维增强水泥基复合材料的抗压强度整体先增大后减小，在碳纤维掺量为0.6%时取得抗压强度最大值；

（3）在不同碳纤维长度下，随着涂层改性碳纤维掺量逐渐增加，涂层改性碳纤维增强水泥基复合材料的抗折强度整体呈现逐渐增大的特征，在相同涂层改性碳纤维掺量下，涂层改性碳纤维长度越大则对应涂层改性碳纤维增强水泥基复合材料的抗折强度越高。不同涂层改性碳纤维长度下，涂层改性碳纤维增强水泥基复合材料的抗压强度随着涂层改性碳纤维掺量逐渐增加先增后减，在涂层改性碳纤维掺量为0.6%时取得抗压强度最大值。

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