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碳纤维增强水泥基复合材料的研究

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碳纤维增强水泥基复合材料的研究

要:水泥混凝土材料以其抗压强度高,施工方便等优点在人类建筑史上发挥了重要作用,但由于其功能单一,脆性

自重大,抗拉强度和抗弯强度低等缺点,在特殊领域中的用途受到了很大限制.碳纤维具有高

弹性,高模量,比重

耐腐蚀,对人宙无害等优异性能被视为许多材料的优良增强体.将其加入到水泥基体中,制成

碳纤维增强水泥基 材料(CFRC),不仅可改善水泥自身力学性能的缺陷,使其具有高强度,高模量,高韧性,更重要

的是把普通的水

筑材料变成了具有自感知内部温度,应力和损伤及一系列电磁屏蔽性能的功能材料..

枣词:碳纤维;水泥基;复合材料

~tract:Cementconcretematerialshaveplayedallimportantroleinhun]an’sconstructionhistoiT)ritshighCOIllpres—

strengthandeasyoperationduringconstruction.However,itsapplicationinsomespecialfieldisgreatlyr

estrictedowlslg

ISsinglefunction,brittleneSS,heavyself-weight,poorstrengthagainsttensionandbending.Carbonfib

ersareregardedas dreinforcementfbrnlanymaterialsduetotheirhighelasticity,highmodulus,lessdensity,resistancetOco

rrosion,and

]llessnesstohunlallbeingsanddomesticalmnals.Carbon—fiber—reinforcedcement—basedcompos

ites(CFRC)thatare

ievedbyaddingcarbon6bersintocelllentexhibithighflexuralstrength,hightensilestrength,highflexuraltoughness

hightensileductility.Thusnot0I]lythenaechalficalpropertiesofcementareimproved.butfimctionalm

aterialsCFRC

obtainedthatareabletOsensetheinteriortemperature,stressanddanaageaswellastoshieldoffelectroma

gneticwaves. /words:Carbonfibers;Cementmatrix;Composites 目分类号:TQ172.7文献标识码:A文章编号:1003—8965(2007)05—0005—05

刖吾 )世纪60年代以来,碳纤维作为新一代复合

l补强纤维,以其高强度比,高模量比,低密 )(光吸收率,抗腐蚀,耐烧蚀,抗疲劳,耐热冲

皂导热性能好,传热系数小,膨胀系数小和自 :优异性能而在航天,航空,航海,建筑,轻工

.中获得了广泛的应用.将碳纤维加入到水泥

p即制成碳纤维增强水泥基复合材料 :),也称纤维增强混凝土【1.在水泥基体中

强碳纤维是提高水泥复合材料抗裂,抗渗,

度和弹性模量,控制裂纹发展,提高耐强碱

性,增强变形能力的重要措施.此外,碳纤维还具有

震动阻尼特性,可吸收震动波,使防地震能力和抗

弯强度提高十几倍位一.更为可贵的是,碳纤维具有 导电性,将其加入到水泥基体中可赋于其智能性,

极大地扩大了它的应用范围.CFRC复合材料在承

受载荷时表面不产生龟裂,其抗拉强度和抗弯强

度,断裂韧性比不增强的高几倍到十几倍,其冲击

韧性也相当可观.短切碳纤维增强水泥所用碳纤维 的长度一般为3～6mm,直径为7-20m,抗拉强

度范围在0.5～0.8GPa.普通水泥的强度通常为 11.76MPa,若按重量掺入15%的碳纤维,其强度

可达到245MPa:若掺入量为20%时,强度可高达 548.8MPa.此外,与普通混凝土相比,CFRC具有

5

L水泥与混凝土

质轻,强度高,流动性好,扩散性强,成型后表面质

量高等优点,将其用作隔墙时,重量比普通混凝土 制作的隔墙薄1/2—1/3,重量减轻1/2—1/3.因此, CFRCI”1能的研究近年来发展迅猛.

2CFRC的性能特点及应用

2.1CFRC的制备

CFRC的制备一般由混料,成型,养护3步组 成.利用分散剂将碳纤维预先分散开来,再与水泥,

砂子,石子,外加剂等均匀混合,然后采用浇注法,

挤出法,压制法,压制脱水法或振动法之一使混合

料成型,成型后的试件放入到水或养护箱中养护,

干后即成CFRC复合材料,通常有水泥砂浆和水泥 混凝土两种类型,后者更具有实用I’*--.-.制备CFRC

过程中,如何使碳纤维均匀分散到水泥基体中,是

决定CFRC复合材料性能好坏的关键.常用的拌合

方法有两种:干拌法和湿拌法.前一种方法是先将

碳纤维和水泥混合搅拌均匀后,再加入砂子,水和 其他外加剂;后一种方法是将碳纤维预先分散在部

分水中,再与水泥,砂子,硅灰和外加剂混合搅拌.

搅拌工艺也十分讲究,一般采用间歇式自动控制搅

拌仪.碳纤维水泥浆体的理想搅拌工艺为先拌制水

泥和碳纤维,再加入拌合水或先将碳纤维在溶有分 散剂的水中分散后加入水泥搅拌30秒钟,最后加

入标准砂再继续搅拌.碳纤维在制备好的CFRC试

件中呈三维乱向分布,由于受纤维排列方式和长度

的影响,短切碳纤维的增强效果不如单轴连续纤维

和两维乱向分散的短纤维增强效果. 2.2力学性能

水泥是脆性材料,但只要加入3vo1%的碳纤维

就可以完全改变它的脆断特性,其模量可提高2

倍,强度增加5倍.如果定向加入,则加入 12.3vo1%的中强碳纤维便可使水泥的强度从

5MPa提高到185MPa,抗弯强度也可达到

130MPac2|4~5]o赵稼祥旧认为,用碳纤维增强水泥可

以使抗拉强度和抗弯强度提高5~10倍,韧性与延

伸率提高20~30倍,结构质量减轻1/2.郭全贵等 人利用单丝拔出试验测定了CFRC复合材料的界

6 面结合力,认为高强度和高模量碳纤维的加入,有

效阻止了裂纹的扩展,在复合材料受载时,基体通

过界面将载荷传递给碳纤维,从而使碳纤维成为载 荷的主要承载者,由于纤维的拔出或断裂吸收了大

量的能量,所以复合材料的抗拉强度,抗弯性能,韧

性等力学性能均得到了显着改善. 2.3压敏性

1989年美国的DDL.Chung研究小组首先发 现,在水泥基体中掺入短切碳纤维,可使其具有自

感知内部应力,应变和损伤程度的功能吲.随着压应

力的变化,CFRC电阻率发生变化的现象称做压敏

性,CFRC的主要特性就是压敏性和温敏性.当 CFRC试件两端有温差时,会在此两端产生电压 差,其冷端为负极,热端为正极,这便是所谓的热电

效应.另一方面,当对CFRC施加电场时,会在混凝

土中产生热效应,引起所谓的电热效应,这两种效

应都是由碳纤维混凝土中空穴性电导运动所致.通

过电阻率的变化可以测定CFRC中安全,损伤和失 效3个工作阶段.由于CFRC既具有热电效应,又

具有电热效应,因此把它”植入”混凝土结构时,可

对混凝土结构进行温度分布自诊断,根据诊断结果

实现混凝土结构的温度自适应.当CFRC与电源连

通后,导电混凝土产生热量,使路面温度升高,当温 度升到0.C以上后,路面上的冰雪就会自动融化成

水蒸发流走,从而保障道路畅通和行车安全,国外

已将温敏混凝土用于机场道路及桥梁路面的融雪

和融冰中【&91o 2.4屏蔽效应 屏蔽是电磁干扰防护控制的最基本方法之一,

其目的一是控制内部辐射区域的电磁场,不使其越

出某一区域;二是防止外来的辐射进入某一区域.

当外来电磁波遇到屏蔽材料时,就会被吸收,反射

和多次反射,电磁波能量的继续传递受到削弱. CFRC复合材料中可形成导电网络,从而可产生屏

蔽性能,碳纤维的添加量,长度以及成型方法对 CFRC的屏蔽性能均有较大的影响.材料的屏蔽效

能SE达到30~60dB的中等屏蔽值时才认为有 效.性能良好的电磁屏蔽材料应具有较高的电导率

和磁导率.碳纤维对电磁波有较强的反射性,利用

水泥与混凝士 此特性可将碳纤维复合材料用作薄壁结构吸波材

料的背衬.这种材料是雷达波的反射体,特别是在

低频下与金属一样反射电磁波..赵福辰等人通过

实验发现”I,增加CFRC复合材料中导电碳纤维

的长度和含量,可以明显提高屏蔽效果. 3影响CFRC性能的主要因素

3.1碳纤维掺入量和长度的影响

张其颖等人”经过反复试验,确定了目前条件

下制备轻质CFRC复合材料的适宜参数为:水泥:

轻骨料(重量)=2:1,水灰比0.65,复合外加剂含量 0.5%,碳纤维长度6mm,掺入量3.3%.他的研究

表明,外加剂,硅粉及热水养护方法都能促进碳纤

维与水泥基体的粘结,更充分地发挥碳纤维的增强

作用,提高复合体的强度.CFRC之所以具有良好

的力学性能,一方面是因为碳纤维本身具有良好的 力学性能,有明显的补强增韧效果;另一方面是合

适的操作工艺,使得碳纤维在基体中分散较为均

匀,阻断了裂纹的扩展和延伸,最终提高试体的抗

折,抗拉,抗压性能.

杨元霞等人”.0研究了碳纤维长度和掺量对 CFRC导电性的影响,发现当碳纤维掺量(以占水泥

质量计)在0~0.8%的范围内增加时,对于碳纤维长

度为5mm和10mm的复合材料,其电阻率的变

化分为先陡然下降,后缓慢下降,又急剧下降,再趋

于平缓4个阶段.当碳纤维掺量相同时,长度为 10mm的CFRC试件的电阻率比长度为5mm试

件的电阻率要小,且在碳纤维掺量较小时,碳纤维

长度对复合材料的电阻率影响较大,碳纤维掺量较

大(大干0.6%)时,复合材料电阻率受碳纤维长度

的影响变/J,. 在水灰比,碳纤维掺量及成型工艺条件一定的

情况下,碳纤维长度增大,CFRC导电性增强,但若

纤维过长,则易集束成团,难于分散均匀,从而使碳

纤维的利用率降低.所以,一般所用碳纤维长度不

宜超过10mm.纤维在水泥基体中分散的均匀程度 与其长径比有很大关系,一般是长径比越大,即纤

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纤维增强复合材料在土木工程中的应用研究

纤维增强复合材料在土木工程中的应用研究

130柴勇林 等 纤维增强复合材料在土木工程中的应用研究

作者简介：柴勇林， 高级工程师 ，研究方向：土木工程。纤维增强复合材料在土木工程中的应用研究

柴勇林，李秉洪，梁晓东，尹亚伟，张瑨博

὇山西建工集团第四工程公司Ὃ山西太原030021Ὀ

摘要：纤维复合材料轻质高强、抗腐蚀、耐久性好等突出的综合材料性能，使其在土木建筑工程领域得到了广泛的关

注。为推动纤维复合材料的进一步发展与深入应用，该文从纤维混凝土复合材料、智能混凝土以及碳纤维复合片材补

强等角度出发，综述了纤维复合材料在土木建筑工程中的应用现状，对比传统建筑材料的应用特点，总结了当前主流

纤维增强复合材料的应用形式，为其在建筑工程中的应用提供一定的参考。

关键词：纤维复合材料；土木建筑工程；智能混凝土；应用研究

中图分类号：TU 599

Study on the Application of Fiber Reinforced Composites in Civil Engineering

CHAI Yong-lin, LI Bing-hong, LIANG Xiao-dong, YIN Ya-wei, ZHANG Yi-bo

(Shanxi Construction Engineering Group No.4 Engineering Company, Taiyuan 030021, Shanxi, China)

Abstract: The outstanding comprehensive material properties of fi ber composites, such as light weight and high strength, corrosion

resistance and good durability, have made them gain wide attention in the fi eld of civil construction engineering. In order to promote

碳纤维增强复合材料hp-rtm成型工艺及孔隙控制研究

碳纤维增强复合材料hp-rtm成型工艺及孔隙控制研究

碳纤维增强复合材料（CFRP）是一种结构轻、强度高的先进材料，广泛应用于航空航天、汽车、体育器材等领域。其中，HP-RTM（高压快速反应注射成型）是一种常用的CFRP复合材料成型工艺，它可以实现高质量、高效率的制造，并具有良好的孔隙控制能力。

HP-RTM成型工艺的基本步骤如下：

1. 模具准备：首先，准备一个具有所需形状和尺寸的模具，通常使用金属材料制作。模具表面需要经过处理以提高表面平整度和表面润滑性，以便于后续注塑过程。

2. 预制准备：根据需要，预先制备好所需的干预产物，即CFRP的纤维布和树脂浸润材料。纤维布通常采用碳纤维预浸料，其中已经预先浸渍了树脂。此外，还可以在纤维布上涂覆树脂胶粘剂以实现更好的树脂流动性和浸润性能。

3. 注塑过程：将预制准备好的纤维布放置在模具的合适位置，然后将模具封闭。接下来，通过高压注塑机将树脂推入模具内，使其浸润纤维布。注塑过程中，高压和高温有利于树脂的流动和浸润性能提高。

4. 固化过程：完成树脂注塑后，模具中的复合材料需要经过固化过程。这一步主要是通过控制温度和时间来使树脂完全固化。通常，温度较高且持续一定时间可以确保固化反应的充分进行。

在HP-RTM成型过程中，孔隙控制是一个关键的技术难题。孔隙是指复合材料中的气体或液体空隙，对材料的强度和可靠性有不良影响。为了控制孔隙的生成，研究人员采取了以下措施：

1. 注塑条件优化：通过调整注塑过程中的参数，如注塑温度、压力和时间，以提高树脂的浸润性能和流动性，减少气体捕获和孔隙形成。

2. 模具设计和表面处理：合理设计模具结构，使得树脂在注塑过程中能够均匀分布并填充纤维布，减少树脂注塑过程中的空隙和气体捕获。同时，模具表面的润滑处理可以减少树脂在模具表面的附着，并更好地填充纤维布。

3. 树脂配方优化：通过调整树脂配方和添加剂，改善树脂的流动性和抗气泡性能，减少孔隙的生成。常见的方法包括添加表面活性剂和消泡剂。

碳纤维在水泥基体中的分散性研究进展

碳纤维在水泥基体中的分散性研究进展

新型建脚　

碳纤维在水泥基体中的分散性研究进展　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　ｏｆ　ｃａｒｂｏｎ　ｆｉｂｅｒｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｅｍｅｎｔ　ｍａｔｒｉｘｅｓ　李丹（陕西省建筑科学研究院，陕西西安７１　００８２）　

摘要：基于碳纤维的分散性在水泥基复合材料中的重要性，阐述了碳纤维的基本性能、生产工艺及碳纤维在水泥基　

体中的分散方法，探讨了碳纤维分散性的发展趋势。　关键词：水泥；碳纤维；表面处理；分散性　

Ａｂｓｔ　ｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　ｏｆ　ｃａｒｂｏｎ　ｆｉｂｅｒｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｅｍｅｎｔ　ｍａｔｒｉｘ，ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｃａｒｂｏｎ　ｆｉｂｅｒｓ　ａｒｅ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｅｎｄｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　ｏｆ　ｃａｒｂｉｎ　ｆｉｂｅｒｓ　ｉｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｅｍｅｎｔ；ｃａｒｂｏｎ　ｆｉｂｅｒ；ｓｕｒｆａｃｅ　ｍｏｄｉｆｉｃｉｏｎ；ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　中图分类号：ＴＵ５２５文献标识码：Ｂ文章编号：１００３—８９６５（２０１２）０３—００２９—０３　

１前言　

碳纤维增强水泥基复合材料是在水泥基体中　加入适量的碳纤维而制备成的一种新型复合材料，　

添加碳纤维提高了水泥材料的抗裂、抗渗、抗剪　切强度并抑制了水泥中裂纹的扩展…。此外，碳　

纤维增强水泥基复合材料具有导电性，其电阻率　会随着外界条件的变化而变化，从而使该复合材　料产生了压敏性、温敏性和电磁屏蔽等一系列优　

异的性能　。其中压敏性使该材料可以对自身的　应力状况和损伤程度进行诊断；温敏性可以对结　

构体的温度进行自我诊断和控制；电磁屏蔽性能　

碳纤维与钢板复合加固技术应用与展望

碳纤维与钢板复合加固技术应用与展望

碳纤维与钢板复合加固技术应用与展望

摘要:钢板及碳纤维增强塑料在混凝土结构加固中的应用是目前的热点。本文从应用材料、加固技术等角度，对国内混凝土结构加固修复现状作了回顾，并对钢板及碳纤维增强塑料复合加固的应用前景进行了展望。

关键词:钢板；碳纤维；复合加固

Present Status of Research and Application of Composite Rehabilitation with

CFRP and Steel Plate and Its Outlook

Abstract: The application of stee1 plate and Carbon Fiber Reinforced Polymer

(CFRP) in civil engineering is a hot spot. This paper reviews the use of the civil

architectural structures strengthened and repaired with steel plate and CFRP in China

in the light of material and technical research at the same time, an outlook of

composite rehabilitation with steel plate and CFRP is a1so given.

Key words: steel plate, CFRP, composite rehabilitation

1 前言

近些年，房屋结构如何抵抗自然或人为灾害影响日益受到人们重视。地震具有难以预见并且非常强烈的破坏力，对人民的生命财产安全构成极大的威胁。我国处在世界上最为活跃的两个地震带中间，是地震多发的国家。有40%以上的地区位于7度地震烈度区，有70%的自万人口大城市处于此地震区内，上个世纪，我国先后经历了邢台、海城、唐山等强烈地震；2008年的汶川地震，更是给人民的生命财产造成了巨大的损失。在我国，许多建于50年代或更早的房屋大多没有采用抗震措施；还有近年来所建房屋，由于设计、施工等原因，或由于原地区抗震等级的提高，不能满足抗震设防要求。因此，应该特别重视建筑结构的抗震加固问题。建筑物都有一定的设计基准使用期，我国取为50年，而我国在建国后建造的大量房屋有的已经接近50年。同时，有很多因素会缩短现有建筑结构的使用寿命，除地震作用外还包括物理老化、化学腐蚀、社会需求的变化、设计标准的提高等等。其具体表现是过量的变形(位移)、较大的裂缝，或在构件上出现各种各样的损伤。这些问题的出现，会对结构的安全和使用性能造成影响，但经过采取适当的技术措施进行加固改造构，仍能满足人们对建筑物安全性、适用性和耐久性的要求。