炭纤维增强水泥复合材料的制备及力学性能研究.pdf

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1、玻 璃 钢/复 合 材 料FRP/CM?2009.No.6炭纤维增强水泥复合材料的制备及力学性能研究郑争旗1,余?洋1,闫?曦2(1.新疆创越投资有限责任公司,新疆乌鲁木齐830011;2.中科院山西煤炭化学研究所,山西太原030001)摘要:本文采用羧甲基纤维素钠(Sodium Carbonxy methylCellulose,CMC)与硅微粉(Fine Silica Fumes,SF)作为复合分散剂对 PAN基炭纤维进行协同分散来制备炭纤维增强水泥复合材料(Carbon Fiber Reinforced Ce mentComposites,CFRCC),研究了炭纤维用量、分散剂配比及水灰比

2、对其强度的影响。试验结果表明,此法对纤维具有良好的分散效果。经过对各个掺量进行优选发现,在炭纤维为水泥掺量的 1%,CMC和 SF的分别为 0.05%和 15%,水灰比为 0.30 0.32时效果最好,所得 CFRCC7d(7天)的抗折和抗压强度分别提高了 31.22%和 41.25%。关键词:炭纤维;增强水泥;制备;力学性能中图分类号:TB332?文献标识码:A?文章编号:1003-0999(2009)06-0031-04收稿日期:2008?07?01本文作者还有史景利和郭全贵。作者简介:郑争旗,男,助理工程师,主要从事碳纤维的开发及其应用研究。?炭纤维增强水泥复合材料(Carbon Fib

3、er Rein?forcedCement Composites,CFRCC)是 70年代末期逐渐发展起来的一类新型水泥基复合材料,这类材料以高比强度、高比模量、良好的抗弯、抗拉、抗冲击强度以及纤维的化学稳定性等优点而倍受人们青睐 1 3。CFRCC在很多国家的建筑、桥梁,石油钻井等领域都有应用。日本鹿岛建设公司于 1982年最先将沥青基炭纤维制成的 CFRCC板用于伊拉克的 Al?Shehee纪念馆的外部,1986年又利用 CFRCC为幕墙板建成了 Kasaka?Koppong区的一座办公大楼,总面积达 32000,与普通混凝土相比,重量减轻 50%,强度增加 5 10倍,钢材减少 20%。1

4、988年在东京兴建的几座大楼又采用这种幕墙,引起了社会的广泛反响 4,5。目前,有关CFRCC的制备、性能及应用研究已经成为一个热门领域,吸引了国内外众多科技工作者的注意。其中,以美国纽约 Buffalo大学的 D.D.L.Chung、X.Fu 及PW.Chen、哈尔滨工业大学的欧进萍、同济大学的吴科如及武汉工业大学的沈大荣、李卓球等人的研究最具代表性,他们在这一领域进行了系统而深入地研究。现已成功地研制出具有温度自监控、自修复、自适应、自调节、损伤自诊断和反射与吸收电磁波等功能的智能型混凝土 6 15。虽然国内外在 CFRCC制备方面取得了许多成就,但由于炭纤维的表面疏水性,在 CFRCC制

5、备方面还存在着炭纤维的均匀分散问题。目前,国内外解决这种问题的主要方法是加入分散剂和纤维表面处理两种方法 16 18。其中表面处理法由于工艺复杂很少被采用,而用分散剂分散纤维虽然可以很好地改善纤维在 CFRCC中的分散性,但是分散剂加量太小时,分 散效果 不明显,而 加量太 大又 会向CFRCC中引入大量缺陷,另外,分散剂还具有增稠作用、缓凝作用和价格昂贵等缺点 19,因此,单一用分散剂来分散纤维已经不是经济可行的好方法了。有文献报道 20,含有活性成份的外掺粉料(如硅微粉、粉煤灰、珍珠粉砂等)对纤维也有较好的分散作用,而且这些外掺粉料具有提高 CFRCC的密实度,增加其力学性能等作用。因此本

6、文拟采用羧甲基纤维素钠(Sodiu m Carbonxymethyl Cellulose,CMC)与硅微粉(Fine Silica Fumes,SF)作为复合分散剂对 PAN基炭纤维进行协同分散,同时考察了复合分散剂、炭纤维用量及水灰比对 CFRCC力学性能的影响。1?实验原料及制备工艺1?1?实验原料高效减水剂 FDN?A(?萘磺酸盐甲醛缩合物,山东汶河化工有限公司提供)、硅微粉(800目)、PAN基炭纤维(T300)、消泡剂(磷酸三丁酯)、羧甲基纤维素钠(CMC)、水泥:PS 325级水泥。表 1?PAN基炭纤维的物理性能参数Table 1?The physical parameters

7、ofPAN based carbon fiber直径/?m密度/g cm-3拉伸强度/GPa弹性模量/GPa长度/mm71.763.532302 31?2?试样制备(1)将称量好的 CMC缓慢加入占试验总用水量约 25%的水中,搅拌均匀后,加入 PAN炭纤维和312009年第 6期炭纤维增强水泥复合材料的制备及力学性能研究FRP/C M?2009.No.6SF继续搅拌至纤维成单丝状态;(2)将一定比例的减水剂和水泥倒入烧杯混合,分出一部分后,将剩余水加入烧杯搅拌均匀,然后将(1)中的纤维加入并充分搅拌使纤维分散均匀;最后,将分出的水泥倒入烧杯滴入几滴消泡剂继续搅拌;(3)将(2)中配制的水泥浆

8、倒入涂有脱模剂的模具中捣实,并将表面用刮刀抹平,24h后脱模,放入恒温水泥砼养护箱中养护(湿度!95%,温度为20 1#)。1?3?性能测试(1)采用数码相机(Nikon L3)观察炭纤维在复合分散剂中的预分散效果和 CFRCC的断面形貌;(2)在深圳新三思公司生产的 CMT4303微机控制电子万能试验机上分别测试 3 d(3天)和 7d(7天)的抗折和抗压强度,测试速率为 0.1 mm/m in。2?结果与讨论2?1?炭纤维掺量对 CFRCC力学性能的影响表 2?PAN基炭纤维掺量对 CFRCC 3d、7d的抗折和抗压强度的影响Table 2?Influence of content ofP

9、AN based carbon fiberon the CFRCC s flexural strength and co mpressivestrength in 3 days and 7daysPAN 炭纤维掺量抗折强度/MPa抗压强度/M Pa/w t%3d7d3d7d08.279.9336.7639.830.69.6710.4932.7736.730.89.8811.3341.8854.251.011.4412.4948.0756.261.210.0312.0338.9653.88?表 2所示为 CFRCC 3d、7d的抗折、抗压强度与炭纤维掺量的关系。从表 2中可以看出,在其它条件相同

10、的情况下,随着炭纤维掺量的增加,CFRCC3d和 7d的抗压和抗折强度均增大,炭纤维的掺量在 1%时,抗压和抗折强度均达到最大值,随后,CFRCC的强度反而随着炭纤维掺量的增加而降低。纤维对 CFRCC的增强机理可解释为:水泥基材料中大量的微裂纹在试件受载后会产生扩展,损害水泥基体及各组分间的界面。纤维加入后,一方面抑制了裂纹的扩展;另一方面又利用自身的高强度,在被拔出或拔断地过程中消耗一定的能量,实现了复合体综合力学性能的提高。在轴向受压状态下,复合体要发生横向变形,由于纤维的存在,加大了这种变形的难度,并阻止了纵向裂纹的扩张,最终发挥了纤维的高强抗拉特性,使 CFRCC的性能得以提高。随着

11、炭纤维掺量的增加,纤维在水泥基体中形成的三维网络分布越密集,纤维的增强作用越大;但掺量太大时,炭纤维易发生集束团聚,导致材料内部发生应力集中,使材料的抗折和抗压强度降低,从而影响纤维的作用发挥。因此,为了保证炭纤维较为均匀地分散于水泥基体中,炭纤维的掺量不宜过大。2?2?SF与 CMC复合分散剂对 CFRCC力学性能的影响?炭纤维是疏水性物质,在水中不易分散,故常需采用分散剂。CMC、HEC、MC等常用作纤维的分散剂 21。这些物质对纤维具有分散性是因为他们中所含有的极性官能团(羟基和羰基)能与 H2O分子之间形成氢键,增强纤维的表面亲水性,使纤维在水中的分散性得到改善。因 CMC价格相对低廉

12、,本试验选用它作为分散剂。此外,含有活性成份的外掺粉料(如硅微粉、粉煤灰、珍珠粉砂等)对纤维也有较好的分散作用,这是因为这些极细的球状外掺粉料在水泥基体中的%滚珠效应&可以大大提高纤维在基体中的分散程度。有试验研究表明,炭纤维含量较低时,采用 SF可以有效提高炭纤维的分散性;而炭纤维含量较高时,只要搅拌均匀,也可使炭纤维在整个体积内分布均匀。另外 SF 又具有填充水泥与纤维间缝隙的作用,使试件致密,同时其中的活性成份 Si O2与水泥水化产物 Ca(OH)2发生反应,生成 C?S?H(CaO?Si O2?H2O)凝胶,使本来界面上较富余的 Ca(OH)2转变为 C?S?H 凝胶,提高了界面粘结

13、强度及复合材料性能 20,22。因此本实验用%SF+CMC&作为复合分散剂研究其对 CFRCC力学性能的影响,图 1为 SF 与 CMC复合分散剂对炭纤维的分散效果图,从图 1(a)、1(b)可以看出炭纤维在复合分散剂及 CFRCC中分布非常均匀。表 3和表 4分别为 CMC和 SF 掺量对 CFRCC的抗折和抗压强度的影响。表 3?CMC掺量对 CFRCC的 7d抗折、抗压强度的影响Table 3?Influence of contents ofCMC on the CFRCC s flexuralstrength and co mpressive strength in 7 daysSF+

14、CMC掺量/%15+0.215+0.15 15+0.115+0.057d抗折强度/M Pa6.937.328.248.557d抗压强度/M Pa26.4128.6930.6935.36?从表 3可以看出,在纤维掺量一定时,随着CMC掺量的减少,CFRCC 7d的抗折和抗压强度均增大。这是因为 CMC虽然对炭纤维具有良好的分322009年 9月玻 璃 钢/复 合 材 料FRP/CM?2009.No.6图 1?%SF+CMC&复合分散剂对 PAN基炭纤维的分散F ig.1?Photo of PAN based carbon fiber dispersedin composite dispersan

15、t and CFRCC散作用,但是过多加入 C MC后会产生引气作用,在基体材料中形成许多气泡,影响 CFRCC 的力学性能,磷酸三丁酯等物质具有消除气泡的作用,加入后可有效消除水泥浆体中的气泡,但由于其具有酸性,而水泥的水化反应又是在碱性环境中进行的,所以消泡剂的加量必须适中。同时 C MC过多加入后会极大增加水泥浆体的黏度,影响浆体的流动性,甚至会导致已经预分散开的纤维重新团聚。通过对CFRCC断面观察可以看出,0.05%的 C MC足以使实验所用纤维在基体中分散良好,因此本文选用水泥质量的 0.05%作为 CMC的最佳掺量。表 4?SF掺量对的 CFRCC 3d、7d的抗折和抗压强度影响

16、Table 4?Influences of contents of silica fumes on the CFRCC sflexural strength and co mpressive strength in 3 days and 7 daysCMC+SF掺量/wt%抗折强度/MPa抗压强度/M Pa3d7d3d7d0.05+108.9511.0137.1544.610.05+12.511.0911.873941.880.05+1511.4412.4948.0756.26?从表 4中可以看出,随 SF加量的增加,炭纤维水泥浆体的抗折和抗压强度均呈现上升趋势,在 SF掺量为 15%时达到最

17、大值。SF掺量较大时,其与CMC对纤维的协同分散作用增强。此外,SF掺量的增加使基体更加密实,减少了复合材料中的孔隙,同时纤维与基体的粘结强度增加。因而有利于CFRCC性能的提高。2?3?水灰比对 CFRCC力学性能的影响表 5?水灰比对 CFRCC 3d、7d的抗折和抗压强度的影响Table 5?Influences ofwater cement ratio on the CFRCC sflexural strength and compressive strength in 3 days and 7 days水灰比抗折强度抗压强度3d7d3d7d0.2810.4512.5039.9442.

18、960.3011.4412.4948.0756.260.3211.5313.0337.5950.210.3411.9812.3936.4139.290.3612.0112.2732.3534.80?表 5所示为水灰比对 CFRCC力学性能的影响。从表 5中可以看出,在纤维掺量、CMC 和硅灰掺量一定时,CFRCC 3d的抗压强度以及 7d的抗折、抗压强度均为先增大后减少,在水灰比最优时,CFRCC7d的抗折和抗压强度分别提高了 31.22%和 41.25%。这是因为水灰比太小时,虽然纤维与基体间的粘结力较好,纤维的作用发挥充分,但水灰比太小时,浆体的黏度很大,流动性差,搅拌困难,很难将纤维和水

19、泥混合均匀,甚至纤维会产生团聚现象,炭纤维与基体间的粘结力减弱,纤维的作用效果减弱,从而使 CFRCC的强度降低 23。水泥的水化反应其实只需要比较少的水,当水灰比太大时,这些多余的水将会蒸发,复合材料发生收缩,而这些水原来所占据的体积就会成为孔隙,但是水灰比较大时又有利于提高水泥浆体的流动性,从而利于纤维在水泥浆体中的分散。因此水灰比应该控制在一定的范围内,加入减水剂可以改善水泥浆体的流动性,所以加入一定量减水剂可以减少实验用水,从而使材料的力学性能得以提高。从表 5中还可以看出,CFRCC 3d的抗折强度随着水灰比的增加而增大,这是因为,一方面,早期水泥颗粒被实验中加入的分散剂 CMC所包

20、覆,这样阻碍了水泥与水的接触机会,早期水泥的水化反应被延缓;另一方面,C MC在水中的溶解抑制了 Ca(OH2)晶核的生成和长大,延缓了水泥的水化反应 24,25。此外,我们还可以发现,抗压强度随水灰比的增加变化趋势非常明显,而抗折强度变化不大,这说明抗压强度除了与纤维的分散性有关外,还与材料的密实度有关,而水灰比在一定范围时,由于多余水蒸发所产生的孔隙对抗折强度的影响不大。3?结?论本文采用%CMC+SF&复合分散剂对炭纤维进行分散来制备 CFRCC,此法可有效地对炭纤维进行分散,所得 CFRCC材料 7d的抗折和抗压强度分别提高了 31.22%和 41.25%,并通过实验对炭纤维掺量、水灰

21、比,CMC和 SF的掺量等工艺参数进行优化后得出:332009年第 6期炭纤维增强水泥复合材料的制备及力学性能研究FRP/C M?2009.No.6(1)炭纤维的掺量为水泥质量的 1%时最好,太低时不能有效阻止裂纹的扩散,太高时纤维又易产生团聚现象,使其与基体的粘结力减弱,反而降低了炭纤维对 CFRCC的增强作用;(2)C MC 和 SF的加量分别为水泥质量的 0.05%和 15%时效果最好,通过观察 CFRCC的断面可以发现,炭纤维在 CFRCC材料中分散非常均匀;(3)一般在能够保证浆体和易分散性的条件下水灰比越小越好。本文的水灰比在 0.30 0.32时最好。随着水灰比的继续增大抗折强度

22、降低不太明显,而抗压强度下降异常明显。参考文献 1 梅爱华.聚丙烯纤维对砂浆性能的影响 J.玻璃钢/复合材料,2002,166(05):15?16.2 王东阳,王彤,鲁纯.聚丙烯纤维混凝土路面的力学性能 J.纤维复合材料,2006,23(02):19?20.3 于锦生.纤维复合材料在桥梁工程中的应用 J.纤维复合材料,2006,23(1):49?52.4 PW Chen,D D L Chung.Carbon fiber reinforced cement as smartstructure capable of non?destructive flaw detection J.Smartmat

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30、HANICAL PROPERTIES OFCARBON FIBER REINFORCED CEMENT COMPOSITESZHENG Zheng?qi1,YU Yang1,YAN Xi2(1.Xinjiang Chuangyue Invest ment L td.,Co.,Wulumuqi 830011,China;2.Institute ofCoal Chem istry,Chinese Acade my of Science,Taiyuan 030001,China)Abstract:Sodiu m Carbonxy m ethyl Cellulose(CMC)and Fine Sili

31、con Fumes(SF)were used as composite dis?persants of PAN based carbon fiber for fabricating carbon fiber reinforced cement composites(CFRCC)in this paper.The effect of them ixture ratio of composite dispersant on themechanical properties of CFRCC and the relationship be?tweenmechanical properties and

32、 the content of carbon fiber as well as water cement ratio were studied.The resultsshowed that it was a goodway for the dispersion of carbon fiber,itwas found that the flexural strength and compressivestrength ofCFRCC could be m i proved by 31.22%and 41.25%in 7 days respectively,when the content of carbon fiberin ce mentwas 1%,CMC and fine silicon fu meswere 0.05%and 15%,the water?cement ratio was0.3 to 0.32.Key words:carbon fiber;reinforced?ce m en;t preparation;m achanical properties342009年 9月