传统的水泥混凝土材料由于功能单一、脆性大、自重大、抗拉强度和抗弯强度差,在一些特殊领域中的应用受到了很大限制。碳纤维由于具有高比强度、高比模量、密度小、耐腐蚀、导电性好、对人畜无害等优异性能而颇受材料科学工作者的青睐,被视为许多复合材料的优良增强体。将碳纤维加入到水泥基体中,制成碳纤维增强水泥基复合材料,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,更重要的是能把普通的水泥建筑材料变成对温度和应力敏感、具有自感知内部应力和损伤及一系列电磁屏蔽性能的智能材料。
20世纪60年代以来,碳纤维作为新一代复合材料的增强纤维,以其高强度比、高模量比、低密度、低X光吸收率、抗腐蚀、耐烧蚀、抗疲劳、耐热冲击、导电导热性能好、传热系数小、膨胀系数小和自润滑等优异性能而在航天航空、航海、建筑、轻工等领域中获得了广泛的应用。将碳纤维加入到水泥基体中即制成碳纤维增强水泥基复合材料(Carbon Fiber Reinforced Ce-ment Composites,简称CFRC),也称纤维增强混凝土[1]。在水泥基材料中掺入高强碳纤维是提高水泥复合材料抗裂、抗渗、抗剪强度和弹性模量,控制裂纹扩展,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‘2.3]。更为可贵的是,碳纤维具有导电性,将其加入到水泥基体中,赋于水泥基体智能性,极大地扩大了混凝土的应用范围。CFRC复合材料在承受负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7~20tun,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,比普通混凝土制作的隔墙薄1/2~1/3,重量减轻1/2~1/3。CFRC有多种规格,其中短切碳纤维增强混凝土主要用在屋面、外墙、内墙、地面、天棚等方面;长纤维混凝土用在承重构件方面,由它制成的构件尺寸稳定,同时还具有防静电性、耐磨耗、耐腐蚀等性能,因此,CFRC性能的研究近年来发展迅猛。
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