劉 瓊，劉科元，于曉琦，魏 婧

(1. 銀川科技學(xué)院 信息工程學(xué)院， 銀川 750001；2. 榆林學(xué)院 建筑工程學(xué)院，陜西 榆林 719000)

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，建筑和交通運(yùn)輸業(yè)也發(fā)展迅速。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國的建筑生產(chǎn)和公路建設(shè)領(lǐng)域中，水泥和水泥基材料是目前應(yīng)用量最多、應(yīng)用面最廣的材料，因其具有材料價(jià)格低廉、可塑性高和施工方便快捷等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用[1]。與此同時(shí)，水泥基材料也存在著抗拉強(qiáng)度較低、耐久性較差、抗裂性能不足等缺點(diǎn)，這些問題限制了水泥基材料的應(yīng)用[2-4]。隨著建筑施工要求的不斷提高，對(duì)水泥基材料的要求也越來越嚴(yán)格。研究發(fā)現(xiàn)將纖維加入到水泥基材料中，能夠有效改善水泥基材料的力學(xué)性能和耐久性能[5-13]。黃政宇等[14]研究了廢舊輪胎回收纖維和端勾纖維摻雜的水泥基材料，結(jié)果表明，隨著纖維率的增加，試件的抗壓、抗彎強(qiáng)度和彎曲韌性指數(shù)均逐漸增加，同一纖維率下的端鉤型纖維試件的抗壓強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度普遍高于摻回收纖維的試件，8%纖維摻量的試樣利用效率最高。馮煒等[15]研究了聚丙烯腈纖維在小于1%的體積摻量下對(duì)水泥基材料的抗干縮開裂性能的影響，結(jié)果表明，適量的聚丙烯腈纖維摻雜可以延緩水泥基材料裂縫的擴(kuò)展并減小裂縫的張開度。碳纖維是有機(jī)纖維經(jīng)過高溫碳化處理后得出的含碳量在90%以上的高強(qiáng)度、高模量纖維，具有高強(qiáng)度比、高模量比和優(yōu)異的抗腐蝕性能等優(yōu)點(diǎn)[16]。這是因?yàn)樘祭w維的摻雜能夠增強(qiáng)水泥基材料之間的結(jié)合力，阻礙裂紋的擴(kuò)展，提高水泥基材料的變形能力。碳纖維成為近年來水泥基建筑材料研究的首選改性填料，受到了眾多研究者的關(guān)注[17-19]。謝金等[20]研究了不同摻雜量的碳纖維硫鋁酸鹽水泥基材料，結(jié)果表明，碳纖維均勻地分布在水泥基體中形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，水泥基復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度增加了49.26%，電導(dǎo)率增加至0.2408 S/m，導(dǎo)熱系數(shù)減小至0.210 W/(m·K)，塞貝克系數(shù)最大為1.22×10-4μV/K，碳纖維水泥基復(fù)合材料的熱電性能得到顯著改善。以聚丙烯腈(PAN)為前驅(qū)體，經(jīng)碳化后得到的纖維即為PAN基碳纖維，將PAN基碳纖維長絲短切得到短切PAN基碳纖維。短切PAN基碳纖維作為增強(qiáng)相可以提升碳纖維水泥基復(fù)合材料的性能。馮新軍等[21]對(duì)PAN基碳纖維導(dǎo)電瀝青混凝土的制備及性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，當(dāng)PAN基碳纖維摻量取0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，導(dǎo)電瀝青混凝土可以獲得優(yōu)良的導(dǎo)電性能和路用性能。本文選擇短切PAN基碳纖維為增強(qiáng)材料，研究了不同摻雜量碳纖維對(duì)水泥基復(fù)合材料物相結(jié)構(gòu)、微觀形貌、力學(xué)性能和耐久性能的影響，力求制備出性能最優(yōu)的碳纖維水泥基復(fù)合材料。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

普通硅酸鹽水泥P.O 42.5：上海濟(jì)韻建材有限公司，其化學(xué)組成如表1所示；短切PAN基碳纖維：濟(jì)南金得利碳素廠，其性能參數(shù)如表2所示；砂：ISO標(biāo)準(zhǔn)砂，SiO2含量≥96%，廈門艾思?xì)W標(biāo)準(zhǔn)砂有限公司；聚羧酸高效減水劑：淡黃色粘稠液體，減水率為25%～38%，大連銘源全建材有限公司；消泡劑：磷酸三丁酯溶液TBP，無色粘稠液體，上海濟(jì)韻建材有限公司；水：自來水。

表1 水泥的化學(xué)組成

表2 短切PAN基碳纖維的性能參數(shù)

1.2 短切PAN基碳纖維水泥基復(fù)合材料的制備

表3為短切PAN基碳纖維水泥基復(fù)合材料的配比。按照表3的配比稱取原材料，先將PAN基碳纖維放入燒杯中，加水進(jìn)行超聲攪拌15 min保證分散均勻；隨后將水泥與PAN基碳纖維溶液進(jìn)行混合，再加入砂、減水劑和消泡劑，消泡劑摻量為水泥質(zhì)量的0.12%，減水劑摻量為水泥質(zhì)量的1.8%，加水?dāng)嚢璩删鶆驖{體，然后將漿體倒入模具中，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下給定溫度為(20±2)℃、相對(duì)濕度為90%進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，24 h后脫模繼續(xù)養(yǎng)護(hù)至要求齡期進(jìn)行測(cè)試。

表3 短切PAN基碳纖維水泥基復(fù)合材料的配比

1.3 樣品的性能及表征

1.3.1 X射線衍射測(cè)試(XRD)：

使用日本島津XRD-7000S/L型射線衍射儀，Cu靶Kα射線源；掃描電鏡測(cè)試(SEM)：采用日本日立公司S-4800場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，冷陰極場(chǎng)發(fā)射電子源；水泥膠砂抗折抗壓試驗(yàn)機(jī)：TYE-200B型，無錫建儀儀器機(jī)械有限公司；水泥砂漿攪拌機(jī)：NJ-160B型，天津市中交路業(yè)工程儀器有限公司；混凝土碳化試驗(yàn)箱：TH-2型，滄州華恒試驗(yàn)儀器有限公司；水泥混凝土磨耗試驗(yàn)機(jī)：TMS-400型，滄州歐海試驗(yàn)儀器有限公司。

1.3.2 力學(xué)性能測(cè)試

將養(yǎng)護(hù)3和28 d的短切PAN基碳纖維水泥基復(fù)合材料制備成40 mm×40 mm×160 mm的試樣，根據(jù)GB/T 17671-2005 《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法》進(jìn)行抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測(cè)試，給定加載速率為1.2 mm/min，均勻加載至破壞，計(jì)算結(jié)果精確至0.1 MPa。

1.3.3 耐磨性能測(cè)試：

按照T0567-2005 《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)短切PAN基碳纖維水泥基復(fù)合材料的耐磨性能進(jìn)行測(cè)試，試樣尺寸為150 mm ×150 mm×150 mm，給定300 N載荷磨30轉(zhuǎn)，然后取下試樣清掃干凈表面稱重，記錄數(shù)據(jù)并計(jì)算損失率。

1.3.4 抗碳化性能測(cè)試：

碳化是指在使用過程中水泥基材料中的水化產(chǎn)物會(huì)與空氣中的CO2發(fā)生反應(yīng)，降低水泥基材料的性能，影響使用壽命，因此抗碳化性能是水泥基材料在建筑工程應(yīng)用的主要考核指標(biāo)之一[22]。按照GB/T 50082-2009 《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)短切PAN基碳纖維水泥基復(fù)合材料的抗碳化性能進(jìn)行測(cè)試。首先，將養(yǎng)護(hù)7和28 d的碳纖維水泥基材料取出，烘干處理后用石蠟密封留出一個(gè)面，放入TH-2型碳化箱中，給定CO2的濃度為20%±3%，溫度為(20±2)℃，相對(duì)濕度為70%±5%，在碳化處理7和28 d后取出試樣；然后，清理試樣表面并用酚酞酒精溶液噴涂；最后，測(cè)試碳化深度，并記錄數(shù)據(jù)，結(jié)果精確至0.01。

2 結(jié)果與討論

2.1 XRD測(cè)試

圖1為養(yǎng)護(hù)28 d的短切PAN基碳纖維水泥基復(fù)合材料的XRD圖。從圖1可以看出，摻入短切PAN基碳纖維后，水泥基復(fù)合材料中沒有出現(xiàn)新的衍射峰，說明沒有新的水化產(chǎn)物生成。由圖1可知，所有水泥基復(fù)合材料中都出現(xiàn)了水化產(chǎn)物Ca(OH)2、鈣礬石AFt、CaCO3以及未水化的C2S和C3S，且摻入短切PAN基碳纖維的水泥基復(fù)合材料中Ca(OH)2和AFt的衍射峰高于未摻雜碳纖維的水泥基材料，而C2S和C3S的衍射峰低于未摻雜碳纖維的水泥基材料，說明短切PAN基碳纖維的摻雜加速了水化反應(yīng)的進(jìn)行，消耗了水泥基材料中的水化顆粒，提高了Ca(OH)2和AFt的衍射峰強(qiáng)度，結(jié)晶度更高。

圖1 短切PAN基碳纖維水泥基復(fù)合材料的XRD圖

2.2 SEM測(cè)試

圖2為碳纖維及養(yǎng)護(hù)28 d的短切PAN基碳纖維水泥基復(fù)合材料的SEM圖。從圖2(a)可以看出，短切PAN基碳纖維的直徑約為7～11 μm左右，表面光滑平整。從圖2(b)可以看出，養(yǎng)護(hù)28 d時(shí)未摻雜碳纖維的水泥基材料中水化產(chǎn)物已經(jīng)比較成熟。從圖2(c)和(d)可以看出，隨著短切PAN基碳纖維摻雜量的增加，碳纖維明顯存在于水泥基復(fù)合材料的水化產(chǎn)物之中，并呈三維錯(cuò)落分布，從而很好地將水化產(chǎn)物進(jìn)行連接，形成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。因此當(dāng)水泥基復(fù)合材料受力產(chǎn)生裂紋時(shí)，可以有效阻止裂紋的擴(kuò)展和萌生，提高水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能。從圖2(e)可以看出，當(dāng)短切PAN基碳纖維的摻雜量增加到0.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，出現(xiàn)了局部團(tuán)聚，這是因?yàn)槎糖蠵AN基碳纖維的比表面積較大，過多的纖維會(huì)在局部粘連，影響分布均勻性。對(duì)比圖2(c)和(d)可知，當(dāng)短切PAN基碳纖維的摻雜量為0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，水泥基復(fù)合材料的改善效果最佳。

圖2 碳纖維及養(yǎng)護(hù)28 d的短切PAN基碳纖維水泥基復(fù)合材料的SEM圖

2.3 力學(xué)性能測(cè)試

圖3為短切PAN基碳纖維水泥基復(fù)合材料7和28 d的抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。從圖3可以看出，隨著短切PAN基碳纖維摻雜量的增加，水泥基復(fù)合材料7和28 d的抗壓強(qiáng)度均表現(xiàn)出先增大后降低的趨勢(shì)。未摻雜短切PAN基碳纖維的水泥基材料7和28 d的抗壓強(qiáng)度均最低，分別為58.1和71.8 MPa；當(dāng)短切PAN基碳纖維的摻雜量為0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，7和28 d的抗壓強(qiáng)度均達(dá)到了最大值，分別為69.3和86.4 MPa，相比未摻雜體系分別提高了19.28%和20.33%；

圖3 短切PAN基碳纖維水泥基復(fù)合材料7和28 d的抗壓強(qiáng)度

當(dāng)短切PAN基碳纖維的摻雜量增加到0.9%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，水泥基復(fù)合材料7和28 d的抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)了輕微下降。

圖4為短切PAN基碳纖維水泥基復(fù)合材料7和28 d的抗折強(qiáng)度。從圖4可以看出，隨著短切PAN基碳纖維摻雜量的增加，水泥基復(fù)合材料7和28 d的抗折強(qiáng)度均表現(xiàn)出先增大后降低的趨勢(shì)。當(dāng)短切PAN基碳纖維的摻雜量為0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，7和28 d的抗折強(qiáng)度均達(dá)到了最大值，分別為11.1和14.1 MPa，相比未摻雜體系分別提高了33.73%和13.71%，與抗壓強(qiáng)度的變化趨勢(shì)一致。分析原因?yàn)槎糖蠵AN基碳纖維具有較高的抗拉強(qiáng)度和拉伸模量，其較高的比表面積能夠與水泥基體很好地結(jié)合，從而在基體中形成致密的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，發(fā)揮“橋聯(lián)作用”，使各個(gè)水泥基體之間的結(jié)合力增強(qiáng)。適量摻雜下該網(wǎng)格結(jié)構(gòu)具有較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，當(dāng)水泥基復(fù)合材料受力時(shí)，裂紋的擴(kuò)散和生長難度增加，顯著改善了水泥基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度；但當(dāng)短切PAN基碳纖維摻雜量過多時(shí)，會(huì)在水泥基復(fù)合材料中產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，導(dǎo)致水泥復(fù)合基材料局部出現(xiàn)孔隙，且碳纖維的分布均勻性變差，使得短切PAN基碳纖維水泥基復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度降低。

圖4 短切PAN基碳纖維水泥基復(fù)合材料7和28 d的抗折強(qiáng)度

2.4 耐磨性能測(cè)試

表4為短切PAN基碳纖維水泥基復(fù)合材料的耐磨性能測(cè)試結(jié)果。從表4可以看出，摻入短切PAN基碳纖維后，水泥基復(fù)合材料的質(zhì)量損失率顯著降低。當(dāng)短切PAN基碳纖維的摻雜量為0時(shí)，水泥基材料經(jīng)過耐磨測(cè)試后質(zhì)量損失率最高為2.96%；當(dāng)短切PAN基碳纖維的摻雜量為0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，水泥基復(fù)合材料的質(zhì)量損失率最低為0.34%。

表4 短切PAN基碳纖維水泥基復(fù)合材料的耐磨性能測(cè)試結(jié)果

圖5為短切PAN基碳纖維水泥基復(fù)合材料的耐磨性能測(cè)試曲線。從圖5可以看出，隨著短切PAN基碳纖維摻雜量的增加，水泥基復(fù)合材料的質(zhì)量損失率先降低后輕微升高。當(dāng)短切PAN基碳纖維的摻雜量為0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，質(zhì)量損失率達(dá)到最小值，耐磨性能最佳。這是因?yàn)楫?dāng)水泥基材料受到載荷反復(fù)沖壓磨損時(shí)，由于表層水泥基砂漿耐磨性較差、各水泥基材料之間的結(jié)合力偏低，導(dǎo)致表面的砂漿被磨損后出現(xiàn)小的凹坑，摻入短切PAN基碳纖維后，因其高的表面能可以在水泥基材料中充當(dāng)“核”的作用，使水化產(chǎn)物被吸引歸來，且高比表面能能夠與水化產(chǎn)物很好地結(jié)合，使各水化產(chǎn)物之間的連接作用增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)致密性增加，結(jié)合力提高，所以當(dāng)水泥基復(fù)合材料受外部載荷反復(fù)磨損時(shí)，其磨損量大大減少，耐磨性能得到改善。

圖5 短切PAN基碳纖維水泥基復(fù)合材料的耐磨性能測(cè)試曲線

2.5 抗碳化性能測(cè)試

圖6為短切PAN基碳纖維水泥基復(fù)合材料7和28 d的碳化深度曲線。從圖6可以看出，隨著短切PAN基碳纖維摻雜量的增加，水泥基復(fù)合材料7和28 d的碳化深度均呈現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)。未摻雜短切PAN基碳纖維的水泥基材料7和28 d的碳化深度均最低，分別為2.41和7.46 mm；當(dāng)短切PAN基碳纖維的摻雜量為0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，7和28 d的碳化深度均達(dá)到最低值，分別為0.35和2.53 mm；相比未摻雜體系分別下降了85.89%和66.09%。分析其改善機(jī)理為短切PAN基碳纖維的摻雜提高了水泥基復(fù)合材料的致密性，適量的纖維摻雜能夠在水泥基材料中形成致密的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)水化產(chǎn)物之間的結(jié)合力，并且碳纖維還能夠填充在水泥基材料的間隙中，改善水泥漿體的孔結(jié)構(gòu)。這種致密結(jié)構(gòu)能夠有效阻礙CO2氣體的擴(kuò)散和滲透，降低CO2在水泥基材料中的碳化反應(yīng)速率，從而改善了水泥基復(fù)合材料的抗碳化性能；但當(dāng)短切PAN基碳纖維摻雜量過多時(shí)，過量的碳纖維會(huì)團(tuán)聚在水泥基材料中，導(dǎo)致水泥基材料局部出現(xiàn)孔隙，且碳纖維的分布均勻性變差，碳纖維的增益效果減弱，從而使得水泥基復(fù)合材料的抗碳化性能降低。

圖6 短切PAN基碳纖維水泥基復(fù)合材料7和28 d的碳化深度曲線

3 結(jié) 論

(1)短切PAN基碳纖維的摻雜加速了水化反應(yīng)的進(jìn)行，沒有產(chǎn)生新的水化產(chǎn)物，碳纖維在水泥基復(fù)合材料中均勻錯(cuò)落分布，構(gòu)成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，提高了水化產(chǎn)物之間的結(jié)合強(qiáng)度，提高了水泥基復(fù)合材料的致密性，從而提高了水泥基復(fù)合材料的綜合性能。當(dāng)短切PAN基碳纖維的摻雜量為0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，水泥基復(fù)合材料的改善效果最佳。

(2)短切PAN基碳纖維在水泥基復(fù)合材料中形成的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)發(fā)揮了“橋聯(lián)作用”，提高了水泥基體之間的結(jié)合力，阻礙了裂紋的萌生和擴(kuò)展。隨著短切PAN基碳纖維摻雜量的增加，水泥基復(fù)合材料7和28 d的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度均表現(xiàn)出先增大后降低的趨勢(shì)。當(dāng)短切PAN基碳纖維的摻雜量為0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，7和28 d的抗壓強(qiáng)度達(dá)到了最大值69.3和86.4 MPa，抗折強(qiáng)度也達(dá)到了最大值11.1和14.1 MPa。

(3)短切PAN基碳纖維具有較高的比表面能可以與水化產(chǎn)物很好地結(jié)合，提高了漿體之間的結(jié)合力和致密性，還能夠有效改善水泥基復(fù)合材料的孔結(jié)構(gòu)，從而提高了水泥基復(fù)合材料的耐磨性能和抗碳化性能。隨著短切PAN基碳纖維摻雜量的增加，質(zhì)量損失率和碳化深度均表現(xiàn)出先降低后升高的趨勢(shì)，當(dāng)短切PAN基碳纖維的摻雜量為0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，水泥基復(fù)合材料的質(zhì)量損失率達(dá)到最小值0.34%，7和28 d的碳化深度達(dá)到最低值0.35和2.53 mm。綜合分析可知，短切PAN基碳纖維的最佳摻雜量為0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，以此制備的水泥基復(fù)合材料在新型建筑材料領(lǐng)域具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

致謝：

寧夏回族自治區(qū)十三五規(guī)劃土木工程重點(diǎn)專業(yè)建設(shè)項(xiàng)目。