张晖，孙明清，李卓球
(武汉理工大学理学院工程结构与力学系, 湖北武汉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：运用正交试验方法研究以羧甲基纤维素钠（CMC）和硅灰按不同比例配制的分散体系对碳纤维在水泥浆体中分散性的影响，采用新拌料浆法从多份新拌的水泥浆料中分离出碳纤维，并计算碳纤维质量的变动系数，由变动系数评价碳纤维的分散性和分散剂的作用效果。在各种CMC 掺量下，硅灰均能显著改善碳纤维的分散性。随着CMC 掺量的增加，碳纤
维分散性提高。当CMC 掺量为0.8％，硅灰掺量为15％时，CMC 和硅灰的共同作用使变动系数最小，此时碳纤维在水泥基体中分散性最好，为最佳的分散剂配比。
关键词：碳纤维；分散；分散剂；硅灰
中图分类号：TU528.5 文献标识码：A
文章编号：1001-9731（2004）增刊
1 引言
碳纤维水泥基复合材料（CFRC）是一种适用于土木工程结构的机敏材料，它能感知应力、应变、温度和累积损伤等，并且某些方面的作动功能也正在研究中[1~3]。CFRC一般以5 毫米的短切碳纤维为导电相，以水泥砂浆、混凝土等作为基体，并辅以其他外加剂制成。而CFRC制备过程中的关键问题之一在于碳纤维在水泥浆体中的均匀分散，碳纤维在水泥浆体
中分散困难的一个重要原因是碳纤维的疏水性。为此国内外的学者主要采用纤维表面处理（臭氧处理、硅烷处理、热NaClO溶液处理等）或加入各种分散剂（甲基纤维素、乳胶和硅灰）等方法来提高碳纤维在水泥浆中的分散性。Weiming Lu等[4]、关新春等[5]测试了经过氧化处理后的碳纤维与水的接触角的变化，发现接触角减小，浸润性增强。D.D.L.Chung等研究了甲基纤维素、乳胶和硅灰等对CFRC宏观的力学、热学和电学参数的影响[6]。杨元霞等利用新拌料浆法及硬化试件电阻测试法, 用纤维分散系数及变异系数等评价碳纤维长度及掺量、搅拌工艺、分散剂和水灰比等诸因素对碳纤维分散性的影响[7]。
本文研究的分散剂不局限于国内外主要使用的甲基纤维素上, 而采用了羧甲基纤维素钠（CMC）作为碳纤维的分散剂。CMC 和甲基纤维素均为纤维素醚，但CMC 水溶液比甲基纤维素水溶液的粘度大，通过目测分析表明碳纤维在CMC 水溶液中的分散性较好。本文采用正交试验法研究了CMC 和硅灰在不同掺量下对碳纤维分散性的影响，以及它们以不同比
例混合下碳纤维分散性，这些方面的研究目前还不多见。由此可确定CFRC 制备时CMC 和硅灰的最佳掺量。本文以水泥净浆作为基体材料制备CFRC，但所得结论也可应用于以水泥砂浆、混凝土为基体的CFRC 中。
2 原材料及试验方法
2.1 原材料
试验所用原材料主要有：5mm PAN 基碳纤维、羧甲基纤维素钠、硅灰、42.5 普通硅酸盐水泥、磷酸三丁酯（消泡剂）和FDN 高效减水剂。
2.2 试验方法
按占水泥和硅灰总量的质量百分比计算，CFRC的配合比为：碳纤维0.5%；减水剂1%；消泡剂0.03%。CMC 的掺量分别为0%、0.4%、0.6%和0.8%。硅灰掺量分别为0%、10%、15%和20%。表1 为按正交试验双因素全面试验配制的16 种混合料。为保证混合料良好的工作性，每种配比的水灰比不同。制备工艺为：将CMC 先溶于65%的温水中搅拌至完全溶解，再加入剩余的水、消泡剂、碳纤维，用玻璃棒搅拌约1.5min，再依次投入硅灰、水泥和减水剂，边加入边搅拌，将混合料置于搅拌器中搅拌2min。从新拌好浆料的不同位置取出6 份每份质量为60g 的试样料，用水和60 目的细筛除去水泥和硅灰，将碳纤维烘干后称重。由变动系数的大小衡量碳纤维的分散性，变动系数按下式计算：
3 试验结果与分析
表2 列出了在不同CMC 和硅灰掺量下碳纤维质量的变动系数和断损率。变动系数按式（1）计算所得。从拌合后的浆料中分离出的碳纤维质量与其理论计算质量间存在差值，这是由于碳纤维在搅拌过程中的折断、打碎以及分离过程中纤维少量流失等引起的。本文中称为碳纤维的断损率。它按下式计算：
表2 不同CMC 和硅灰掺量下碳纤维质量的变动系数和断损率
图1 和图2 为分离出来碳纤维的变动系数与CMC 分散剂和硅灰掺量的关系。从图1 和图2 可见：
（1）在图1 中，在只有硅灰加入时，加入10%的硅灰（No.2）与不加硅灰的混合料（No.1）相比，变动系数减小了74.0%，而加入15%和20%硅灰的混合料（No.3 和No.4），变动系数分别比No.1 减小62.5%和67.7%。因此，硅灰能有效地改善碳纤维的分散性。
（2）在图1 中，同时添加CMC 和硅灰时，在不同的CMC 掺量下，图中最小的变动系数所对应的硅灰掺量不同：当CMC 掺量为0.4%和0.8%时，最小的变动系数所对应的硅灰掺量均为15%，这两种混合料（No.7 和No.15）分别与CMC 掺量为0.4%和0.8%而不掺硅灰的混合料（No.5 和No.13）相比，变动系数分别减小了66.7%和54.8%；当CMC 掺量为0.6%时，最小的变动系数所对应的硅灰掺量为10%，它与CMC 掺量为0.6%而不掺硅灰的混合料（No.9）相比，变动系数减小了59.6%。可见，在CMC 中掺入硅灰时，硅灰在0.4%、0.6%和0.8%等CMC 掺量中均能起到提高分散性的作用，能使变动系数减小的百分比与在混合料No. 2 和No.3 中相当。
（3）由图2 可见，不论硅灰掺量如何，当CMC掺量从0.4%增加到0.6%和0.8%时，除No.11（0.6%CMC+ 15% 硅灰）外，变动系数随CMC 增加而减小。相同硅灰掺量下，0.8%CMC 的混合料的变动系数比0.4%CMC 的混合料减小50%以上，而0.6%CMC 的混合料的变动系数与0.4%CMC 的混合料相比减小较小。
（4）在图1 中，不掺CMC的曲线位于0.4%CMC＋硅灰、0.6%CMC＋硅灰的曲线之下，而且0.8%CMC＋硅灰的曲线位于图中的最低位置。可见，在0.4%CMC+硅灰、0.6%CMC+硅灰这两种混合料中， CMC在碳纤维分散中的作用不如硅灰明显，不能反映出CMC和硅灰的共同作用。但当CMC掺量为0.8％，硅灰掺量为15％时，在16 组试验中变动系数取得最小值。在此混合比中显现出CMC和硅灰的共同作用，因此分散效果最好。CMC作为一种表面活性剂可降低碳纤维的表面张力，促使纤维以单丝态均匀分散在水中。硅灰的颗粒极其细微，其颗粒尺寸基本都在1μm以下，比水泥粒径约小100 倍，是一种超微细粉。硅灰可均匀的填充于水泥颗粒孔隙和碳纤维之间，提高碳纤维的分散性[8]。
（5）CMC 掺量为0.8%，硅灰掺量为15%时，碳纤维的断损率也较低，为最佳的分散剂配比。
4 结论
本文运用正交试验方法研究以羧甲基纤维素钠（CMC）和硅灰按不同比例配制的分散体系对碳纤维在水泥浆体中分散性的影响。结果表明，在各种CMC掺量下，硅灰均能显著改善碳纤维的分散性。随着CMC 掺量的增加，碳纤维分散性提高。当CMC 掺量为0.8%，硅灰掺量为15%时，CMC 和硅灰的共同作用使变动系数最小，此时碳纤维在水泥基体中分散性
最好，为最佳的分散剂配比。
参考文献：
[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.
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[5] 关新春, 韩宝国, 欧进萍. 碳纤维在水泥浆体中的分散性研究. [J]. 混凝土与水泥制品. 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.
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[8] 侯作富, 李卓球, 胡胜良. 硅灰对碳纤维导电混凝土电阻率和强度的影响. [J]. 混凝土. 2003,(2): 26-28.
基金项目：国家自然科学基金项目资助（50209013，50238040）
作者简介：张晖（1979－），女，湖北黄陂人，武汉理工大学工程结构与力学系硕士研究生。（E-mail: zhui@mail.whut.edu.cn）, Tel: 13545139596.
论文来源：中国功能材料及其应用学术会议,2004年,9月12-16日
