張暉，孫明清，李卓球
(武漢理工大學理學院工程結構與力學系, 湖北武漢430070)
Study on the dispersion of carbon fiber in cement-based composites
ZHANG Hui, SUN Ming-qing, LI Zhuo-qiu
(Department of Engineering structures and Mechanics, Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei, 430070, China)
Abstract：The dispersion of short carbon fibers (CF) in carbon fiber reinforced cement composites is investigated in this paper. After mixed with water, cement and other additions, CF are separated from the fresh mixes with water, then they are dried and weighed. The variation coefficients of the mass of CF in 16 mixtures with different proportion of car boxy methylcellulose (CMC) and silica fume are calculated. By this method, the effect of CMC and silica fume on the dispersion of CF is evaluated. The tests illustrate that the dispersion of carbon fiber can be notably improved by the addition of silica fume and the increase of the CMC content. The formulation of CMC and silica fume used respectively in the amount of 0.8% and 15% by weight of cement and silica fume is proposed.
Key words：carbon fiber；dispersion；dispersant；silica fume
摘要：運用正交試驗方法研究以羧甲基纖維素鈉（CMC）和硅灰按不同比例配制的分散體系對碳纖維在水泥漿體中分散性的影響，采用新拌料漿法從多份新拌的水泥漿料中分離出碳纖維，并計算碳纖維質量的變動系數，由變動系數評價碳纖維的分散性和分散劑的作用效果。在各種CMC 摻量下，硅灰均能顯著改善碳纖維的分散性。隨著CMC 摻量的增加，碳纖
維分散性提高。當CMC 摻量為0.8％，硅灰摻量為15％時，CMC 和硅灰的共同作用使變動系數最小，此時碳纖維在水泥基體中分散性最好，為最佳的分散劑配比。
關鍵詞：碳纖維；分散；分散劑；硅灰
中圖分類號：TU528.5 文獻標識碼：A
文章編號：1001-9731（2004）增刊
1 引言
碳纖維水泥基復合材料（CFRC）是一種適用于土木工程結構的機敏材料，它能感知應力、應變、溫度和累積損傷等，并且某些方面的作動功能也正在研究中[1~3]。CFRC一般以5 毫米的短切碳纖維為導電相，以水泥砂漿、混凝土等作為基體，并輔以其他外加劑制成。而CFRC制備過程中的關鍵問題之一在于碳纖維在水泥漿體中的均勻分散，碳纖維在水泥漿體
中分散困難的一個重要原因是碳纖維的疏水性。為此國內外的學者主要采用纖維表面處理（臭氧處理、硅烷處理、熱NaClO溶液處理等）或加入各種分散劑（甲基纖維素、乳膠和硅灰）等方法來提高碳纖維在水泥漿中的分散性。Weiming Lu等[4]、關新春等[5]測試了經過氧化處理后的碳纖維與水的接觸角的變化，發現接觸角減小，浸潤性增強。D.D.L.Chung等研究了甲基纖維素、乳膠和硅灰等對CFRC宏觀的力學、熱學和電學參數的影響[6]。楊元霞等利用新拌料漿法及硬化試件電阻測試法, 用纖維分散系數及變異系數等評價碳纖維長度及摻量、攪拌工藝、分散劑和水灰比等諸因素對碳纖維分散性的影響[7]。
本文研究的分散劑不局限于國內外主要使用的甲基纖維素上, 而采用了羧甲基纖維素鈉（CMC）作為碳纖維的分散劑。CMC 和甲基纖維素均為纖維素醚，但CMC 水溶液比甲基纖維素水溶液的粘度大，通過目測分析表明碳纖維在CMC 水溶液中的分散性較好。本文采用正交試驗法研究了CMC 和硅灰在不同摻量下對碳纖維分散性的影響，以及它們以不同比
例混合下碳纖維分散性，這些方面的研究目前還不多見。由此可確定CFRC 制備時CMC 和硅灰的最佳摻量。本文以水泥凈漿作為基體材料制備CFRC，但所得結論也可應用于以水泥砂漿、混凝土為基體的CFRC 中。
2 原材料及試驗方法
2.1 原材料
試驗所用原材料主要有：5mm PAN 基碳纖維、羧甲基纖維素鈉、硅灰、42.5 普通硅酸鹽水泥、磷酸三丁酯（消泡劑）和FDN 高效減水劑。
2.2 試驗方法
按占水泥和硅灰總量的質量百分比計算，CFRC的配合比為：碳纖維0.5%；減水劑1%；消泡劑0.03%。CMC 的摻量分別為0%、0.4%、0.6%和0.8%。硅灰摻量分別為0%、10%、15%和20%。表1 為按正交試驗雙因素全面試驗配制的16 種混合料。為保證混合料良好的工作性，每種配比的水灰比不同。制備工藝為：將CMC 先溶于65%的溫水中攪拌至完全溶解，再加入剩余的水、消泡劑、碳纖維，用玻璃棒攪拌約1.5min，再依次投入硅灰、水泥和減水劑，邊加入邊攪拌，將混合料置于攪拌器中攪拌2min。從新拌好漿料的不同位置取出6 份每份質量為60g 的試樣料，用水和60 目的細篩除去水泥和硅灰，將碳纖維烘干后稱重。由變動系數的大小衡量碳纖維的分散性，變動系數按下式計算：
3 試驗結果與分析
表2 列出了在不同CMC 和硅灰摻量下碳纖維質量的變動系數和斷損率。變動系數按式（1）計算所得。從拌合后的漿料中分離出的碳纖維質量與其理論計算質量間存在差值，這是由于碳纖維在攪拌過程中的折斷、打碎以及分離過程中纖維少量流失等引起的。本文中稱為碳纖維的斷損率。它按下式計算：
表2 不同CMC 和硅灰摻量下碳纖維質量的變動系數和斷損率
圖1 和圖2 為分離出來碳纖維的變動系數與CMC 分散劑和硅灰摻量的關系。從圖1 和圖2 可見：
（1）在圖1 中，在只有硅灰加入時，加入10%的硅灰（No.2）與不加硅灰的混合料（No.1）相比，變動系數減小了74.0%，而加入15%和20%硅灰的混合料（No.3 和No.4），變動系數分別比No.1 減小62.5%和67.7%。因此，硅灰能有效地改善碳纖維的分散性。
（2）在圖1 中，同時添加CMC 和硅灰時，在不同的CMC 摻量下，圖中最小的變動系數所對應的硅灰摻量不同：當CMC 摻量為0.4%和0.8%時，最小的變動系數所對應的硅灰摻量均為15%，這兩種混合料（No.7 和No.15）分別與CMC 摻量為0.4%和0.8%而不摻硅灰的混合料（No.5 和No.13）相比，變動系數分別減小了66.7%和54.8%；當CMC 摻量為0.6%時，最小的變動系數所對應的硅灰摻量為10%，它與CMC 摻量為0.6%而不摻硅灰的混合料（No.9）相比，變動系數減小了59.6%。可見，在CMC 中摻入硅灰時，硅灰在0.4%、0.6%和0.8%等CMC 摻量中均能起到提高分散性的作用，能使變動系數減小的百分比與在混合料No. 2 和No.3 中相當。
（3）由圖2 可見，不論硅灰摻量如何，當CMC摻量從0.4%增加到0.6%和0.8%時，除No.11（0.6%CMC+ 15% 硅灰）外，變動系數隨CMC 增加而減小。相同硅灰摻量下，0.8%CMC 的混合料的變動系數比0.4%CMC 的混合料減小50%以上，而0.6%CMC 的混合料的變動系數與0.4%CMC 的混合料相比減小較小。
（4）在圖1 中，不摻CMC的曲線位于0.4%CMC＋硅灰、0.6%CMC＋硅灰的曲線之下，而且0.8%CMC＋硅灰的曲線位于圖中的最低位置。可見，在0.4%CMC+硅灰、0.6%CMC+硅灰這兩種混合料中， CMC在碳纖維分散中的作用不如硅灰明顯，不能反映出CMC和硅灰的共同作用。但當CMC摻量為0.8％，硅灰摻量為15％時，在16 組試驗中變動系數取得最小值。在此混合比中顯現出CMC和硅灰的共同作用，因此分散效果最好。CMC作為一種表面活性劑可降低碳纖維的表面張力，促使纖維以單絲態均勻分散在水中。硅灰的顆粒極其細微，其顆粒尺寸基本都在1μm以下，比水泥粒徑約小100 倍，是一種超微細粉。硅灰可均勻的填充于水泥顆粒孔隙和碳纖維之間，提高碳纖維的分散性[8]。
（5）CMC 摻量為0.8%，硅灰摻量為15%時，碳纖維的斷損率也較低，為最佳的分散劑配比。
4 結論
本文運用正交試驗方法研究以羧甲基纖維素鈉（CMC）和硅灰按不同比例配制的分散體系對碳纖維在水泥漿體中分散性的影響。結果表明，在各種CMC摻量下，硅灰均能顯著改善碳纖維的分散性。隨著CMC 摻量的增加，碳纖維分散性提高。當CMC 摻量為0.8%，硅灰摻量為15%時，CMC 和硅灰的共同作用使變動系數最小，此時碳纖維在水泥基體中分散性
最好，為最佳的分散劑配比。
參考文獻：
[1] Pu-Woei Chen, D.D.L. Chung. Carbon fiber reinforced concrete for smart structures capable of non-destructive flow detection. [J]. Smart Mater. Struct. 1993, (2): 22-30.
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[3] Sun Mingqing, Li Zhuoqiu, Liu Qingping. The electrome-chanical effect of carbon fiber reinforced cement. [J].Carbon. 2002, 40(12): 2273-2275.
[4] Weiming Lu, Xuli Fu , D.D.L. Chung. A comparative study of the wettability of steel, carbon and polyethylene fibers by water. Cem. [J]. Concr. Res.1998, 28(6):783-786 .
[5] 關新春, 韓寶國, 歐進萍. 碳纖維在水泥漿體中的分散性研究. [J]. 混凝土與水泥制品. 2002,(2): 34-36 .
[6] Xuli Fu, D.D.L.Chung. Effect of methylcellulose admixture on the mechanical properties of cement. [J]. Cement and Concrete Research. 1996, 26(4): 535-538.
[7] 楊元霞, 毛起炤, 沈大榮, 等. 碳纖維水泥基復合材料中纖維分散性的研究. [J]. 建筑材料學報. 2001, 4(1): 84-88.
[8] 侯作富, 李卓球, 胡勝良. 硅灰對碳纖維導電混凝土電阻率和強度的影響. [J]. 混凝土. 2003,(2): 26-28.
基金項目：國家自然科學基金項目資助（50209013，50238040）
作者簡介：張暉（1979－），女，湖北黃陂人，武漢理工大學工程結構與力學系碩士研究生。（E-mail: [email protected]）, Tel: 13545139596.
論文來源：中國功能材料及其應用學術會議,2004年,9月12-16日
