程健強,王文廣,韓 杰
(1.遼寧石油化工大學土木工程學院,遼寧撫順113001;2.遼寧石油化工大學機械工程學院,遼寧撫順113001;3.中國科學院金屬研究所,遼寧沈陽110016)
傳統(tǒng)意義上的砂漿和混凝土等水泥基復合材料在抗壓強度、耐火、耐水和耐腐蝕性能等方面有著優(yōu)異表現(xiàn)[1?3],但由于功能相對單一,脆性大,抗裂、抗變形、抗?jié)B性能等都較差[4?5],同時其低抗拉強度、抗彎強度和斷裂韌性等也都很大程度上限制了其在特殊領域中的應用[6?8]。隨著社會的日益進步,人們對建筑設計的外觀、可靠性、安全性等都提出了更高的要求,超高強度[9?10]、自感知[11?12]等新型功能混凝土,智能監(jiān)測混凝土[13?15]成為目前研究的重點。
碳纖維(Carbon Fibers,CFs)作為增強相具有諸多優(yōu)點,其密度低,彈性模量、拉伸和抗壓強度高,具有導熱、導電及耐腐蝕等特性[16?17]。目前,纖維增強復合材料應用廣泛,通常將其與水泥、金屬或樹脂等基體材料復合制備功能各異的結構復合材 料[18?22]。
CFRC 是將短切CFs 作為增強相加入水泥凈漿、水泥砂漿或混凝土等水泥基體后組合成的復合材料。CFs 隨機分布于水泥基體中,起到阻裂和增韌作用[23],延緩水泥基體中微裂縫擴展,橋接裂縫并抵消一定的拉應力,提高水泥基體的抗拉、抗彎強度和斷裂韌性[24?26]。CFRC 不但具備優(yōu)異的力學性能,還在諸如導電性、壓敏性、機電性能、電磁屏蔽性、相對化學惰性等方面有著突出表現(xiàn)[27?29]。
制約CFs 在水泥基復合材料中充分發(fā)揮效能的主要原因仍然是其在水泥基體中的分散性和相容性。由于CFs 直徑小、密度低且單絲間黏結緊密,過度的機械攪拌還會造成損傷,因此CFs 在水泥基體中難以混合均勻。盡管CFs 本身的強度要遠高于水泥基質(zhì)及骨料的強度,但CFs 團聚嚴重時會導致其與水泥基復合材料之間的結合不佳,往往分散最差的斷面會產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象,在受力時會首先被破壞,降低CFRC 的力學性能。同時,CFs 團聚使復合材料結構中不能形成良好的導電網(wǎng)絡,嚴重制約CFRC 的導電性??傊?,CFRC 中CFs 分散性越差,其力學與導電性能也越差。目前,國內(nèi)外對于CFs如何均勻分散在水泥基復合材料中已有一些研究,主要通過摻入分散劑、表面活性劑、發(fā)泡劑對碳纖維表面改性處理和改善攪拌工藝等實現(xiàn)。
1.1.1 摻入分散劑 CFs 在水泥基體中團聚主要是因為其表面的疏水性,添加表面活性劑可有效改善CFs 表面疏水性,提高潤濕能力。L.F.Xu 等[30]將分散劑甲基纖維素(MC)摻入水泥漿體中,改善了CFs 的分散性。MC 能夠很好地潤濕CFs,降低表面張力,使CFs 束充分打開成均勻分散的單絲狀物,還可在CFs 表面包裹一層穩(wěn)定且均勻的膜,避免分散良好的CFs 單絲狀物重新聚集形成抱團或者成束。添加MC 可以改善CFs 的分散性,降低水泥基體的表面能。由于摻入一定量MC 會導致水泥漿體黏度的增加,在水泥漿體攪拌過程中不可避免地會產(chǎn)生一些氣泡,這些氣泡很難徹底消除,嚴重制約了復合材料的性能。C.A.Wang 等[31]采用多步驟預先分散CFs,通過超聲波振動使CFs 在羥乙基纖維素(HEC)分散劑溶液中分散開,再加入一定量的消泡劑提高漿體的流動性并減少氣泡量,最終制備的試塊與未摻入CFs 時相比,彈性模量增加26.8%,抗壓和抗拉強度分別提高20%和140%,抗彎強度降低12.9%。對于抗彎強度的減少,分析認為是在經(jīng)過機械攪拌HEC 分散液后會形成一定量的氣泡,導致試塊養(yǎng)護齡到期以后結構中會形成小孔洞,這些孔洞使CFRC 的微觀顆粒黏結不夠緊密,導致整體強度下降。盡管加入消泡劑,但氣泡很難徹底消除。HEC 含量過高會導致氣泡增多;含量過少則CFs 不能分散均勻。所以,合理的HEC 溶液質(zhì)量分數(shù)為1.56%~1.77%。C.A.Wang 等[31]對三種常用分散劑的分散效果進行了比較,發(fā)現(xiàn)分散液溫度和CFs摻量不變時,分散性評價結果為HEC>CMC>MC。當HEC 的摻量占水泥0.6%~0.8%(即分散液質(zhì)量分數(shù)為1.65%~1.80%)時,CFs 在水泥基復合材料中的分散性最好。
1.1.2 摻入硅粉 研究表明,在CFRC 中摻入一定量的硅粉(通常為水泥質(zhì)量的15%)也能夠提高CFs 的分散性。硅粉可以很好地填充在水泥基質(zhì)、骨料以及CFs 單絲之間的空隙中,使復合材料形成良好的分布狀態(tài)且受力更為合理,改善力學性能。P.Stynoski 等[32]研究了含有硅粉、碳納米管和CFs的波特蘭水泥砂漿,摻入混合碳納米管和CFs 增強了水泥砂漿的斷裂性能。H.K.Kim 等[33]通過往碳納米管增強水泥基復合材料中摻入硅粉來研究其對力學和導電性能的影響,雖沒有使用CFs 作為增強材料,但仍有借鑒作用。摻入硅粉可以改善碳納米管的分散性,提高碳納米管增強水泥基復合材料的力學和導電性能,而僅添加碳納米管只會對復合材料的力學和導電性能產(chǎn)生不利的影響。
1.1.3 CFs 表面處理 CFs 表面處理不但可以改善其表面的疏水性和潤濕性,提高碳纖維與基材間的黏結強度,同時對CFs 的分散也有幫助。X.L.Fu等[34]采用臭氧處理CFs 表面,提高了CFs 與水泥基體間的黏結強度。X.L.Fu 等[35]同樣采用臭氧處理CFs 表面,改善了CFs 增強水泥的應變傳感能力。W.Lu 等[36]臭氧處理 CFs 表面后,CFs 能夠完全潤濕,潤濕角為 0。Y.S.Xu 等[37]采用硅烷處理 CFs 和硅粉,減少了水泥砂漿中的孔隙,增加了密實度,使水泥砂漿的彈性模量和拉伸強度分別提高39%和56%。關新春等[38]探討了CFs 增強水泥砂漿中摻入活性劑、對CFs 表面處理以及改善攪拌工藝等提高CFs 分散性能的方法。王大鵬等[39]采用氣液雙效法對CFs 表面進行預處理,使CFs 的抗拉強度和其與基材間的層間剪切強度都顯著提高。
1.1.4 物理研磨 物理研磨是在不使用任何分散劑的情況下,利用球磨機輔助CFs 剝離使其分散均勻的方法,研磨過程對CFs 會造成一定的損害,可通過改變球磨時間(MT)、平均粒徑(APS)、球粉比(BPR)和漿粉比(SMPR)等來改善分散效果。T.S.K.Raunija 等[40]發(fā)現(xiàn),隨著增加 MT 和 BPR 以及降低SMPR 可以改善CFs 的分散性,當SMPR 為35 mL/cm3時起球嚴重。物理研磨時的APS 高度依賴于SMPR,且隨著MT 和BPR 的增加逐漸降低。
Z.J.Wang 等[41]采用光學顯微鏡觀察X 射線掃描圖像,引入色散系數(shù)來比較CFs 的分散程度。色散系數(shù)值越高,CFs 的分布越均勻。色散系數(shù)的取值為84%~94%。通過計算變異系數(shù)比較具有相同色散系數(shù)的掃描切片。變異系數(shù)越小,CFs 的分布越均勻。J.Gao 等[42]采用先混合法(攪拌水泥之前添加CFs)和后混合法(攪拌水泥之后添加CFs)來制備CFRC。通過先混合法得到的CFs 均勻分散的區(qū)域平均面積大于通過后混合法得到的CFs 均勻分散的區(qū)域平均面積,分散效果優(yōu)于后混合法;通過先混合法制備的樣品中CFs 束的體積分數(shù)低于后混合法制備的CFs 束的體積分數(shù)。L.Y.Woo 等[43]基于交流電阻抗譜(3D AC?IS)利用導電率來表征CFs 色散程度,使用點探針技術和色散因子綜合分析CFs 在水泥基體中的方向、整體偏析(即重力沉降或混合不良導致的分散不均勻)和局部團聚(即基體中碳纖維局部大量聚集),此法可以直觀地評估短切CFs 在CFRC 中的分散性。
CFs 表面涂層改性處理能夠改善其與水泥基質(zhì)和骨料間的相容性,提高其與水泥基體間的黏結強度,提高界面結合能力,增強材料的力學性能。實現(xiàn)CF 化合物涂層有很多方法,本文對一些常用的CFs 表面涂層的制備方法進行了系統(tǒng)評述。
溶膠?凝膠法(Sol?Gel,SG)在制備 CFs 改性涂層時,將金屬醇鹽、無機物溶于水溶液或有機溶劑中使其發(fā)生水解和縮合反應并形成穩(wěn)定的懸浮狀類似膠體的溶膠,再將CFs 置于溶膠中充分結合并發(fā)生陳化聚合反應,在表面形成空間三維網(wǎng)狀結構物。進一步經(jīng)過干燥、燒結固化等過程可制備得到高純度的CFs氧化物或其他固體化合物改性涂層。
此法工藝簡單,涂層厚度均勻且表面平整,但涂層與基體間的結合相對較弱,容易開裂和剝落。采用溶膠?凝膠法制備的SiO2涂層改性CFs 的表面形貌如圖 1 所示。由圖 1(a)可以看出,經(jīng)過450 ℃真空加熱2 h 表面除膠后,增大了CFs 表面的粗糙度,提高表面積,對后續(xù)改性有利。由圖1(b)可以看出,表面改性SiO2涂層處理后的CFs,表面涂覆了一層SiO2薄層。
圖1 溶膠?凝膠法制備的SiO2涂層改性CFs 的表面形貌
K.D.Xia 等[44]采用溶膠?凝膠法,將乙烯基三乙氧基硅烷作為前驅(qū)體在CFs 表面制備了均勻且平整的SiC/SiO2涂層。與未涂層的CFs 相比,當溶膠質(zhì)量分數(shù)為4%、熱處理溫度為1 500 ℃時,SiC/SiO2涂層CFs 的氧化活化能提高約23%,這時抗氧化性能最好。J.J.Wang 等[45]采用溶膠?凝膠法通過600 ℃熱處理在CFs 表面制備了SiO2涂層,與未涂覆SiO2的CFs 相比,SiO2涂層改性CFs 的抗氧化性能提高程度隨著CFs 浸泡時間增加而增大。
化學氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition,CVD)制備CFs 表面涂層是指加熱的CFs 基體表面與氣態(tài)化合物接觸后發(fā)生熱分解或化學反應,形成穩(wěn)定的固態(tài)反應物涂層的一種方法,其原理主要是將兩種或多種的氣態(tài)原材料通入密閉的反應容器后產(chǎn)生化學反應,形成化合物涂層沉積到CFs 表面上。化學氣相沉積原理如圖2 所示。CVD 工藝制備CFs 表面涂層時,可以調(diào)節(jié)工藝參數(shù)控制表面形態(tài)和涂層結構。制備的涂層類型包括陶瓷化合物和金屬涂層等,但制備成本高且沉積溫度高、制備耗時,不利于大規(guī)模生產(chǎn)。
圖2 化學氣相沉積原理
Y.S.Liu 等[46]通 過 LPCVD 工 藝 通 入 BCl3?CH4?H2?Ar 混合氣體合成無定形碳化硼(a?BC)涂層。在三維 CFs/SiC 復合材料上涂覆 SiC/a?BC/SiC 的多層結構提高了復合材料的抗氧化性,即便在氧化之后,復合材料的強度保留率也較高。Y.C.Zhu 等[47]在二維CFs 增強碳?碳復合材料中注入硼離子,然后在1 550 ℃的氬氣氣氛中退火得到涂覆50 nm 的CVD?SiC 涂層,SiC 涂層改性 CFs 增強碳?碳復合材料的抗氧化性顯著提高。
原位反應法(In?situ Reaction Synthesis)制備CFs 改性涂層是將一定比例的CFs 與涂層所需的單質(zhì)元素組成的粉末放置在反應裝置中并通入惰性氣體,高溫使單質(zhì)粉末熔化并與CFs 表面的碳原子反應形成改性涂層。該法能夠制備潤濕性好、界面清潔的涂層,但均勻性難以保證且制備成本較高,不適合規(guī)?;a(chǎn)。
P.C.Kang 等[48]在1 450 ℃下用磨碎的硅粉和碳粉進行原位反應燒結,在T700 和M40 型CFs 表面上制備了均勻、完整且無裂紋納米SiC 涂層。通過對涂層進行表征發(fā)現(xiàn),與T700 型CFs 相比,單質(zhì)粉末熔化后更易于黏附在M40 型CFs 的表面。當SiC涂層厚度約30 nm 時,CFs 具有良好的柔韌性。高朋召等[49]采用原位反應法,在三維編織CFs 表面嚴格控制反應條件,制備了結合牢固的SiC 涂層。涂層改性三維編織CFs 的抗氧化性能隨著涂層厚度增加而增強。
電鍍法(Electroplating)制備CFs 表面改性涂層是將CFs 基體作為陰極,欲鍍金屬作為陽極,通入外電流后鍍液中的CFs 發(fā)生電解,電解質(zhì)鍍液中欲鍍金屬的陽離子在CFs 表面沉積,還原形成金屬涂層。利用電鍍法在CFs 表面涂層的原理如圖3 所示。電鍍法制備涂層成本低,沉積速度快,涂層的厚度可以進行有效控制,但由于CFs 單絲數(shù)量多且不易分散,自身表面積大且電阻高容易導致CFs 單絲表面涂層厚度不均勻。
圖3 利用電鍍法在CFs 表面涂層的原理
G.Y.Yang 等[50]采用復合電鍍法在CFs 表面制備了均勻的 SiC?ZrO?MoSi2/Ni 涂層。盡管 CFs 涂層的力學性能略微減弱,但是CFs 增強酚醛樹脂復合材料的抗氧化性能明顯提高。高嵩等[51]將CuSO4·5H2O、H2SO4、KNO3和光亮劑按一定比例混合作為鍍液,在CFs 表面得到平整且致密的銅鍍層。表面鍍層CFs 的黏結強度從270 kPa 提高到450 kPa。 J. Andreska 等[52]利 用 NiSO4、NiCl2、H3BO3、C12H25SO4Na 配制電鍍液,加入表面活性劑后,采用電鍍法在CFs 表面制備了致密的鎳涂層。CFs 鍍鎳涂層可以顯著提高復合材料的使用壽命和抗腐蝕性。呂曉軒等[53]將硫酸鎳作為主鹽,十二烷基硫酸鈉作為分散劑,采用電鍍法在CFs 表面制備了高純度的鍍鎳涂層。鎳涂層提高了CFs 的抗氧化性,將CFs 起始氧化溫度提高100 ℃。鎳涂層提高了CFs 的導電性,使CFs 的電阻率降到0.74×10-6Ω·m。
化學鍍(Electroless Plating)制備CFs 改性涂層過程中不使用外部電源,所以也稱自催化鍍或無電解鍍。其原理是將合適的還原劑加入鍍液中,發(fā)生氧化還原反應后鍍液中的金屬離子被還原成金屬,沉積在CFs 表面形成涂層。該法不需要通入用電裝置,工藝簡單,成本相對較低且涂層厚度均勻。
矯海霞等[54]將二甲基胺硼烷作為還原劑,采用化學鍍法,在CFs 表面還原了連續(xù)且均勻的Ni?Co?B 合金涂層,顯著增強了復合材料的磁性。祝儒飛等[55]將甲醛作為還原劑,采用化學鍍銅法在CFs 表面制備了納米CFs/Cu 復合材料,CFs 表面Cu 鍍層由約50 nm 的銅顆粒緊密排列組成,厚度達350 nm。趙璐等[56]將聯(lián)氨作為還原劑,銀氨作為活化液,采用化學鍍法在CFs 表面還原了致密且均勻的鎳鍍層,提高了介電損耗,改善了復合材料的抗電磁性能。
等離子噴涂法(VPS)制備CFs 表面改性涂層是利用高溫等離子體使陶瓷、金屬、合金等融化或半融化,借助高速氣體噴向表面預處理后的CFs,形成附著牢固的涂層。等離子噴涂法制備CFs 涂層可提高復合材料的抗高溫氧化性,改善耐磨、防腐、隔熱和防輻射等性能。
T.Hirai 等[57]采用真空等離子噴涂技術在CFs增強復合材料上制備了厚200 μm 的鎢涂層。VPS?W 涂層在功率密度 0.33 GW/m2、持續(xù)時間 1 ms 的脈沖作用下逐層破壞。在持續(xù)時間更長的單脈沖作用下,表面溫度高于2 700 ℃時涂層被破壞。趙巖等[58]將CFs 與Al2O3粉末混合,通過高溫等離子體使Al2O3粉末在CFs 表面融化沉積形成了質(zhì)量分數(shù)為4%的Al2O3涂層。與Al2O3涂層相比,摻入CFs使Al2O3涂層和基體間的耐磨性和黏結強度分別提高約64%和38%,摩擦因數(shù)降低50%。
前驅(qū)體轉(zhuǎn)化法(Precursor Infiltration Pyrolysis,PIP)制備CFs 涂層,首先將CFs 浸漬于先驅(qū)體溶液中,慢慢地CFs 表面會包覆一層聚合物,然后在固化交聯(lián)和高溫下裂解使其轉(zhuǎn)化成改性涂層。該方法成本低、涂層純度高,但高溫裂解會使部分小分子逸出,基體收縮造成裂紋和氣孔,一般需多次浸漬裂解才能致密。
X.Ma 等[59]采用化學氣相沉積熱解碳(PyC)修飾兩種纖維增強材料的表面結構,隨后將聚碳硅烷(PCS)作為前驅(qū)體,通過前驅(qū)體滲透和熱解工藝,制備了T300 和T700 兩種平紋CFs 纖維布增強的二維C/SiC 復合材料,經(jīng)過PyC 修飾的T700 纖維布二維C/SiC 復合材料的力學性能最佳。其中,彎曲強度、彎曲模量和剪切強度分別達到(425±23)MPa、(37±3)GPa 和(24±2)MPa。邱顯星等[60]采用前驅(qū)體轉(zhuǎn)化法,將聚硼硅氮烷作為前驅(qū)體在CFs表面制備了均勻包覆的SiBNC 涂層。當溫度在400~800 ℃時,CFs 表面的碳原子和氧原子間的反應減慢,增加了氧化活化能,SiBNC 涂層改性CFs的抗氧化性顯著提高。陳鋼軍等[61]將質(zhì)量分數(shù)為10%的聚碳硅烷(PCS)作為先驅(qū)體溶液循環(huán)浸漬三次,制備得到完整均勻的SiC 涂層,其抗氧化性能最好。
國內(nèi)外大量研究表明,影響CFRC 力學性能的因素包括水灰比、養(yǎng)護齡期、成型工藝、硅粉含量、外加劑、碳纖維含量和碳纖維長度等。
CFs 均勻分布在水泥基復合材料中可以起到阻裂和增韌的作用[23]。因為CFs 可以在微觀上優(yōu)化水泥基質(zhì)與骨料間的內(nèi)部結構,延緩裂縫的開展,提高復合材料的力學性能和耐久性;從宏觀角度,CFs作為增強相,當材料受力發(fā)生破壞時,CFs 拔出使裂縫在擴散時發(fā)生偏轉(zhuǎn)和受阻,在水泥基復合材料破壞前增加能量耗散,提高復合材料的韌性。
F.Reza 等[62]測試了質(zhì)量分數(shù)在0~0.6%的CFs增強砂漿的抗拉強度。當質(zhì)量分數(shù)為0.6%時,CFs增強砂漿的抗拉強度比未添加CFs 的對照組提高約3 倍。D.Jacopo 等[25]測試了占水泥質(zhì)量的2%、3%、4%三種摻量的短切CFs 增強水泥基砂漿的力學、導電和自感知性能。摻入CFs 提高了砂漿的抗彎強度,而抗壓強度沒有改善??傮w來看,當CFs良好地分散在CFRC 中時,隨著CFs 摻量的增加,CFRC 的抗彎強度通常顯示為增加;不同研究顯示有些略微降低抗壓強度,有些呈現(xiàn)出先增加后減少的狀態(tài)。對比發(fā)現(xiàn),摻入CFs 適宜的質(zhì)量分數(shù)約為0.6%。CFs 摻量的增加不可避免地在CFRC 中造成一部分團聚,此時會造成受力狀態(tài)下的應力集中,使CFs 作為增強相的效能不能充分發(fā)揮,制約了力學性能的提高,這也呼應了CFRC 在制備時需要注意CFs 的分散性。X.Shu 等[24]測試了包括微米級、毫米級和兩者組合的不同尺寸的CFs 對波特蘭水泥砂漿力學性能的影響。三種類型的CFs 都提高了砂漿的峰值前荷載能量吸收能力,兩種尺寸CFs 混合后的砂漿表現(xiàn)出優(yōu)異的拉伸性能和抗斷裂性能。海然等[63]研究了不同 CFs 質(zhì)量分數(shù)(Wf)下水泥基復合材料的表觀密度(ρ)、彈性模量(E)和泊松比(μ)間的相互關系。隨著Wf增加,水泥基復合材料的μ增加,ρ和E降低?;貧w分析顯示ρ、E、μ與Wf之間存在函數(shù)關系且理論值與實際值一致。B.G.Han 等[23]將經(jīng)過親水表面改性的CFs 進行超聲波預處理之后摻入水泥砂漿中發(fā)現(xiàn),摻入CFs 降低了水泥砂漿的電阻率,提高了抗壓強度。均勻分布的CFs 有助于克服微裂紋的生長,拉拔破壞時增加了能量耗散,提高了力學性能。CFs 摻入量超過1.1%時,3 mm 的CFs 被拔出,臨界拔出長度大于實際長度,而6 mm 的CFs 臨界拔出長度小于實際長度。3 mm 的CFs 增強水泥砂漿的抗拉伸強度和抗壓強度小于6 mm 的CFs 增強水泥砂漿。結果表明,長度在 5~10 mm 的 CFs,隨著 CFs 長度的增加,CFRC的抗彎、抗壓、抗拉性能一般情況下也增加。當長度小于5 mm 時,由于CFs 長度過短,不能在CFRC中形成良好的搭接網(wǎng)絡,不利于受力狀態(tài)下力的傳遞;當長度大于10 mm 時,又會導致CFs 之間的分散效果變差,形成團聚。因此,長度選擇一般不超過10 mm。
考慮到水泥基復合材料和易性的要求浮動范圍較大,通常CFRC 的水灰質(zhì)量比(水灰比,下同)選擇0.20~0.70。不同CFRC 組成成分不同,如水泥凈漿、水泥膠砂、水泥砂漿和混凝土,因此所選擇的水灰比也不盡相同。張其穎等[64]選擇輕骨料質(zhì)量配合比2∶1、水灰比0.65 的水泥,摻入3.3%長度6 mm 的CFs 制備了性能優(yōu)異的CFRC。摻入CFs 對CFRC 整體有補強和增韌的作用。另外,摻入外加劑和硅粉進一步提高了CFRC 的強度,采用熱水養(yǎng)護促進了水化反應的發(fā)生,對CFRC 的強度有利。C.A.Wang 等[31]采用超聲波振動實現(xiàn)短切CFs 在分散劑羥乙基纖維素溶液(質(zhì)量分數(shù)1.66%~1.86%)中的均勻分布,加入水泥和骨料制備了CFRC。在CFs 質(zhì)量分數(shù)低于0.6%時,隨著CFs 質(zhì)量分數(shù)增加,CFRC 的力學性能也提高。當CFs 質(zhì)量分數(shù)為0.6% 時,彈性模量增加1.29%,抗壓強度增加20%,但抗彎強度卻減少0.89%。當CFs 長度為7 mm、CFs 質(zhì)量分數(shù)為0.6%、水灰比由0.23 增加到0.30 時,電阻率突然降低;當水灰比由0.30 增加到0.50 時,電阻率緩慢增加;水灰比超過0.50 時,電阻率基本不變。隨著水灰比的增加,電阻率先增加后減小。通過邊振動邊壓實制備的CFRC 試樣比只振動試樣的電阻率降低很多。CFRC 中摻入硅粉不僅對CFs 的分散產(chǎn)生了良好的影響,而且還增加了復合材料的密實度,進一步影響了CFRC 的性能。
在水灰比增加時,力學性能通常顯示先增加后減少的規(guī)律,電阻率則是先增加后減小,最終基本不變。因為,在低水灰比時CFRC 的密實度極差,CFs 不能很好地與水泥基體結合且CFs 單絲之間難以搭接形成導電網(wǎng)絡,導致力學性能和導電性差。隨著水的摻量增加,CFRC 的流動性增加,使整體結合的更加密實,但過多的水分蒸發(fā)后會造成氣泡的產(chǎn)生,降低CFRC 的力學性能。綜上所述,適宜的水灰比為0.50 左右。當采取不同的成型工藝時,對CFRC 的力學性能也會有很大影響。為了獲得更加密實的CFRC 且不能由于過震導致CFRC 產(chǎn)生分層現(xiàn)象,通常在CFRC 成型時邊震動邊壓實的方法,使CFRC 能夠充分混合均勻,達到最佳密實狀態(tài),獲得最佳的力學性能。
C.Wang 等[65]利用超聲波使CFs 在羥乙基纖維素分散劑中預分散后制備了CFRC,CFRC 的抗壓強度比未摻入CFs 時提高20%,抗拉強度提高0.4%,彈性模量增加26.8%,而抗彎強度減小12.9%。A.Sassani 等[5]評估了CFs 質(zhì)量分數(shù)和長度、粗細骨料體積比(C/F)、CEA(亞硝酸鈣基腐蝕抑制劑、電導率增強劑)劑量和FDA(甲基纖維素,分散劑)劑量對導電混凝土的導電率和強度的影響。添加CEA 可以提高混凝土的導電性,同時對強度有積極的影響。C/F 和FDA 劑量是影響混凝土抗彎強度的重要變量。但建明等[66]通過正交實驗研究了外加劑對CFs 增強水泥砂漿力學性能的影響,發(fā)現(xiàn)摻入外加劑減少了部分氣孔,降低了孔隙率,使砂漿更致密,力學性能更好。當硅粉、甲基纖維素、膨脹劑、減水劑、消泡劑摻量分別為12.00%、0.10%、6.00%、0.90%、0.06%時,CFs 增強水泥砂漿獲得最佳力學性能。
外加劑通常是分散劑和消泡劑兩種,能夠?qū)FRC 力學性能的提高產(chǎn)生極大的幫助。分散劑可以提高CFs 在CFRC 中的分散性,使CFs 作為增強相在CFRC 中分布均勻,搭接良好并形成受力骨架,提高力學性能;消泡劑的加入可以減少CFRC中的氣泡,特別是在加入分散劑后,制備CFRC 時因為機械攪拌會產(chǎn)生大量的氣泡,而氣泡的產(chǎn)生會嚴重制約CFRC 的力學性能,當消泡劑摻量約為0.1% 時,能夠很好地降低氣泡的含量,提高力學性能。
P.Garcés 等[67]研究了不同 CFs 摻量下的增強硅酸鹽水泥砂漿的力學性能影響因素。其中,抗壓和抗彎強度與CFs 摻量、水膠比、養(yǎng)護齡期和孔隙率等有關。當CFs 摻量為水泥質(zhì)量的0.5%時,抗彎強度和鋼筋中腐蝕電流密度(Icorr)最高。養(yǎng)護齡期達到75 d 后,隨著時間的增加,Icorr由高轉(zhuǎn)變?yōu)檩^低的穩(wěn)定值。養(yǎng)護齡期105 d 時,將樣品浸入蒸餾水中,Icorr值突然增加。隨著時間的延續(xù),Icorr再次達到穩(wěn) 定 值 。 C.A.Wang 等[31]研 究 了 CFs 摻 量 在 0~0.6%的CFRC 的導電性,CFRC 的電阻率在28 d 養(yǎng)護齡期之前隨時間的增長急劇增加,28 d 后電阻率緩慢增加,84 d 后電阻率保持相對穩(wěn)定。當CFs 摻量在0.8%~1.0%時,養(yǎng)護齡期在前7 d 時電阻率隨時間增長迅速增加,此后緩慢增長,84 d 后電阻率保持相對穩(wěn)定。
由于隨著養(yǎng)護齡期的不斷增加,CFRC 內(nèi)部發(fā)生的水化反應先急劇增加后緩慢增加,水化反應最終完成,因而CFRC 的力學性能通常先急劇增加后緩慢增加,最終達到穩(wěn)定,導電性先急劇下降,然后緩慢降低,最后趨于平緩。
M.Safiuddin 等[4]通過摻入占水泥和硅粉總質(zhì)量10%的硅粉,選擇兩種水膠比0.35 和0.40,制備了CFs 體積分數(shù)從0~1.00%的10 種瀝青基碳纖維水泥基復合材料(CFRSCC)。添加CFs 使CFRSCC的抗壓強度降低了36.6%~58.9%,劈裂抗拉強度提高了13.1%~17.0%。當CFs 體積分數(shù)為0.25%時,CFs 在水泥基體中分布均勻且CFRSCC 的抗彎強度和韌性分別增加了3.6% 和41.4%。李炳良等[68]通過摻入10%硅粉改善了CFs 在水泥基體中的分散。采用甲基纖維素(MC)和羥丙基甲基纖維素(HPMC)作為分散劑都提高了CFs 的分散性,但MC 的效果不如HPMC。當HPMC 溶液質(zhì)量分數(shù)為0.4%時,水泥基體中的CFs 分散性最好。
摻入硅粉在提高CFRC 的密實度方面有很好的作用,因為硅粉顆粒在水泥顆粒與粗細骨料間的間隙之中可以起到很好的填充效果,降低CFRC 的內(nèi)部孔洞的產(chǎn)生,使CFRC 的整體性更好、密實度更高,同時硅粉的加入可以提高CFs 的分散性,進一步提高CFRC 的力學性能。適宜的硅粉摻量通常在10%~15%。
目前,國內(nèi)外對于CFRC 的制備及其性能的研究較多,大多為研究碳纖維的摻量、長度或者改變水泥基體的水灰比、外加劑等變量對CFRC 性能的影響。碳纖維能否在CFRC 中形成均勻分布的網(wǎng)絡狀結構,是影響CFRC 性能的關鍵。因此,如何改善碳纖維在CFRC 中的分散以及分散性的評估方式是一大問題。由于CFs 表面各種改性涂層的制備工藝已然成熟,為了擴充CFs 的性能,制備更高性能的CFRC,必須轉(zhuǎn)變思路,因此第二大問題是選擇何種涂層改性制備工藝來提高碳纖維的性能,從而為將來制備高性能涂層改性CFRC 做好鋪墊。著重綜述了碳纖維的分散方式、分散性評估方法和表面改性涂層的制備工藝。影響CFRC 力學性能的主要因素包括水灰比、養(yǎng)護齡期、成型工藝、硅粉含量、外加劑、碳纖維含量和長度等,對國內(nèi)外的相關研究對比后得到了如下結論:
(1)CFs 的分散方式主要包括摻入分散劑和硅粉、對CFs 表面預處理、物理研磨等。
(2)CFs 分散性的評估方式主要包括X 射線掃面圖像分析法和交流電阻抗譜分析法等。
(3)CFs 表面改性涂層制備工藝主要包括溶膠凝膠法、化學氣相沉積法、原位反應法、電鍍法、化學鍍、等離子噴涂法、前驅(qū)體轉(zhuǎn)化法等。
(4)影響CFRC 力學性能的因素有很多且有些還互相矛盾,但通常的研究規(guī)律表明摻入CFs 的質(zhì)量分數(shù)適宜在0.6%左右,長度適宜在5~10 mm,通常不超過10 mm,水灰比適宜在0.50 左右,采用邊震動邊壓實的成型工藝可以提高CFRC 的性能。摻入不同外加劑對CFRC 的力學性能有著不同影響,摻入分散劑和消泡劑能夠提高CFRC 的力學性能;隨著養(yǎng)護齡期的增加,CFRC 的力學性能通常先急劇增加后緩慢增加,最終達到穩(wěn)定;導電性先急劇下降,然后緩慢降低,最后趨于平緩;CFRC 中硅粉摻量的適宜范圍在10%~15%。