碳纤维增强水泥混凝土（CFRC）是七十年代开始研究并发展起来的一种复合材料。水泥属于胶凝材料，水化后可以胶结其它物料，普通混凝土就是水泥胶结砂、石等构成的复合材料；水泥又是脆性材料，砂、石等填料并不能改变水泥系材料的脆性。碳纤维是六十年代发展起来的篼强、高模、耐腐蚀、导电、导热的纤维状碳材料，它是由有机纤维经碳化而成。相比之下，CFRC是一种新兴的复合材料。碳纤维的优势在于它除了无石棉纤维的致癌结构，还无毒无害，而且，在水泥浆的强碱性环境中有很好的稳定性，这是玻璃纤维和钢纤维所不可比拟的。CFRC的优异性能吸引了建材行业和碳纤维方面的专家、学者进行着不懈的努力，力求在CFRC复合材料中碳纤维掺量尽可能少，碳纤维分布尽可能均匀，碳纤维与基体的界面结构尽可能完善，以达到降低成本、提高强度、增加性能的目的。目前，碳纤维增强水泥在建筑上应用实例日益增多，实验室内的研究也取得了相当丰富的成果。

　　CFRC在研究、开发和应用中暴露出来的问题，除了价格以外，归结起来仍然是碳纤维在水泥基体中的分散和碳纤维与基体的界面粘结。由于碳纤维质轻，不及水泥比重的一半，纤维直径比水泥颗粒又细小得多，加之普通的搅拌机会损伤碳纤维，降低其强度，因此，两者混匀有一定难度。研究和实践都证明，通过改变搅拌机的结构，或加人超细颗粒，或加入表面活性剂，使分散问题得到了一定程度的解决。目前，大量的研究工作主要集中在改善碳纤维与水泥基体的界面结构，以及CFRC的开发应用。本文就这两个方面综述了近年来CFRC的研究状况。

　　1碳纤维与水泥基体的界面粘结1.1碳纤维的表面状态CFRC中碳纤维与基体需要良好的粘结，碳纤维才会有一定的拔出载荷。复合材料受力时，一旦产生裂缝，水泥基体所受应力会传递给碳纤维，跨接裂缝的碳纤维即可分敢一部分应力，裂缝不会继续增大。如果碳纤维拔出，裂缝迅速增大至裂开，材料就会遭到破坏。所以，碳纤维与基体粘结不好，纤维拔出载荷小，增强纤维起不到增强作用。界面粘结强度与碳纤维的表面状态密切相关，碳纤维的一级结构是苯环综合的多环芳烃，类似于石墨层面。在碳纤维表面及有缺陷处的碳原子，化学键力不对称，化学活性较篼。另外，碳纤维表面还存在着以氧原子为主要成分的官能团，如羰基、羟基、羧基等，所以，碳纤维表面积大，活性碳原子数多，表面官能团也多，有利于碳纤维与基体的化学结合。碳纤维表面的物理形态是影响界面粘结的另一因素，粗糙的表现一方面增加了碳纤维的表面积，另一方面增加了碳纤维与基体界面的物理锚固作用，这可能是craq中界面粘结的主要因素。

　　1.2碳纤维增强水泥的界面结构碳纤维增强水泥的界面结构可以用界面空穴和界面状态来表征在碳纤维和水泥基体的界面，有不同数目、不同大小与形态的界面空穴和不同的界面结晶状态。由于碳纤维的表面有或多或少的污物，水泥基体中的杂质种类与含量也在变化，所以，即使在完全相同的条件下制备出的样品也可能有不同的界面结构。研究中发现，测量试样的接触电阻可以方便而定量地反映界面结构的状况，因为界面空穴和界面结晶状态直接影响接触电阻，即接触电阻率的改变指示着界面结构的变化。测定CFRC的接触电阻率表明：在碳纤维与水泥基体的界面结构中，界面空穴占主要方面，而且粘接强度非常敏感地随着界面结构的变化而变化。

　　1.3碳纤维的表面处理未经表面处理的碳纤维，表面能小、极性低，不利于纤维与基体的紧密接触。碳纤维的表面处理，可以增大碳纤维的表面积，增加表面官能团的数目，改善纤维与基体的界面结构，使碳纤维与基体达到良好的粘接，提高复合材料的力学性能。所以碳纤维的表面处理一直是CFRC研究的重点，开发出大量的碳纤维表面处理的方法。诸如气相氧化、液相氧化、表面涂层等。经表面处理的碳纤维增强水泥复合材料的机械性能大大改善。实验研究还证明，不论界面作用是物理的还是化学的，碳纤维表面与水泥基体良好的粘结的重要条件是水泥浆体能很好地润湿纤维表面以获得完全紧密的接触。预计碳纤维表面对水泥浆的润湿性不仅影响纤维与基体的界面粘结强度，还影响纤维在水泥中的分散程度。水泥体系对碳纤维的润湿程度可用接触角表示，适当的表面处理可以减小接触角，增大润湿度。美国Buffalo洲立大学复合材料实验室，D.D.L.Chung等对增强水泥的钢纤维、碳纤维、聚乙稀纤维对水的可润湿性作了对比研究。所用试剂为HCl、NaOH、丙酮、3等。得出两个结论，一是无论这些纤维有没有经过表面处理，碳纤维对水的润湿性都是*大的，所以增强效果是*好的。在相同长度，相同体积分数的条件下，碳纤维增强水泥的抗拉强度高于聚乙烯纤维增强水泥的抗拉强度，尽管碳纤维本身的抗拉强度（690MPa）比聚乙稀纤维的抗拉强度（2588MPa）低得多，这是纤维水泥复合材料中碳纤维的又一优势。二是臭氧处理对碳纤维是*有效的，经臭氧化处理的碳纤维与水体系接触角减小到零，达到了*大程度的润湿。臭氧处理碳纤维的具体操作：首先将短切碳纤维在110的空气中干燥一小时，然后，在160T：的臭氧含量为0.6%的气氛中暴露五分钟即完成。用这种臭氧处理的碳纤维增强水泥基体，由于碳纤维良好的润湿性，纤维与基体之间形成紧密的接触，得到性能优良的CFRC.碳纤维的表面物理性态是影响复合材料性能的重要因素，表面氧化处理在增加表面官能团等化学效应的闻时，在碳纤维表面还由于氧化作用形成了微孔或沟槽，增强了CFRC中碳纤维与基体的物理锚固作用。曰本Ssangyong研究中心的T……Kim研究了不同截面形状的碳纤维增强水泥的抗拉和抗折强度，碳纤维的截面形状有圆形的、C型的及中空的。试验结果表明，在同样体积掺量的条件下，碳纤维的形状对复合材料的抗拉、抗折强度有很大的影响。C型比其它形状的碳纤维增强的水泥复合材料有更好的增强效果，碳纤维的表面积是影响CFRC强度的重要因素。九八年，我国碳纤维方面的专家王茂章、贺福教授研究了一种新的碳纤维表面处理方法液相、气相双效应法，即液相涂层和气相氧化相结合的方法。把沥青溶解在四氢呋喃中做为涂层液，液相涂层过程即碳纤维被一定浓度的这种溶液涂层；气相氧化过程，即涂层纤维在400~600T的空气中被氧化，碳纤维经过液相涂层后，碳纤维表面的裂缝和微孔被涂层试剂所修补，气相氧化加强了涂层试剂与碳纤维的相互作用，这种相互作用减弱了碳纤维表面缺陷的应力集中程度，提篼了碳纤维的强度，尤其是低强度的碳纤维，处理后的强度增加约40%，这种表面处理，不仅提高了碳纤维本身的强度，还改善了碳纤维表面的特性，使表面上产生了较多的含氧官能团，增强效果大大提高。

　　电解氧化处理也是碳纤维表面处理的一种十分有效的方法。电化学氧化法条件温和，易于控制，处理效果好。将待处理的碳纤维作为阳极，石墨作阴极，在不同种类、不同浓度的电解质水溶液中，进行电化学氧化，实验结果表明：采用l.Omol.l/L的H3P04做电解质溶液，电流密度为l.OmA/cm2，可以使碳纤维表面酸性官能团数目增加。这种碳纤维增强水泥，碳纤维表面的酸性官能团将有利于碳纤维与碱性水泥基体的粘结。

　　2CFRC的性能及应用2.1抗拉强度在连续碳纤维束单向增强的复合材料中，碳纤维的抗拉强度能充分发挥出来，在短切碳纤维增强的复合材料中，由于碳纤维的排列呈三维无规取向，理论上复合材料抗拉强度只能获得碳纤维强度的三分之一，而且由于界面粘结的减弱，实际测出的抗拉强度仅是理论预计值的二分之一到三分之一，据西安交大王秀峰报道。掺有10%硅粉的CFRC试样的抗压强度是空白试样抗压强度的四倍，这种现象可以解释为由于基体中掺加了碳纤维，在搅拌混过程中，成团的碳纤维引进了气泡，使抗压强度下降。细颗粒的加入，填充了空隙，增加了密实性，抗压强度随之增加。碳纤维对CFRC抗压强度的这种不利影响，主要是碳纤维分散不均匀造成的，实际成型时可以通过选择粒度较细的水泥基体或加入添加剂、填料（如硅粉）或改善成型养护条件很方便地加以消除。

　　2.3抗折强度实验室中，试件抗折强度的测试是通过三点受载弯曲法进行的，测试结果表明，碳纤维含量小于5%，试件抗折强度随碳纤维含量增加而增加。在短切沥青基碳纤维增强轻骨料混凝土的研究中，当碳纤维重量百分数为3.3%时，CFRC试样的抗折强度是未增强试样的两倍多，由3.9MPa提高到8.6MPa.另外，CFRC的抗折破坏比未增强试样显示更高的破坏韧性。同样碳纤维掺量的CFRC试样的抗冲击性能用疲劳冲击能量表示时，是未增强试样的10倍左右，如采用热水养护，CFRC试样的抗冲击性能提高约25倍。关于抗折强度，还有一个重要问题，就是在测试过程中抗折强度将随弯曲跨度增加而下降。所以，在实际结构的设计中，构件的承受力应使用实际测试的抗折强度而不是实验室中的数据。

　　2.4导电性水泥基体是不导电的，碳纤维具有良好的导电性，碳纤维增强的复合材料电阻率下降四个数量级，具有显著的导电性能。其机理可用隧道模型解释：导电性能良好的碳纤维均匀分布在绝缘性的水泥基体中，碳原子结构中的兀电子可以在纤维的大7T体系中离域，并且穿透被水泥基体隔开的非常邻近的两根纤维之间的势垒，从一根纤维跃迁至另一根纤维，形成隧道导电效应。适当碳纤维掺量的CFRC的电导率还随着材料受压力变化而呈现有规律的变化，称之为压敏性。CFRC的压敏性受碳纤维的掺量和长度的影响，实验研究表明，当碳纤维长度为5mm、重量为水泥重量的0.4%时，压敏性*为显著，电阻率变化的百分率为30%.这种性质对CFRC开发成新型的功能材料有着十分重要的意义，比如，特制的CFRC试样可以做成一种本征性应力传感器，用于某些混凝土建筑的自诊断检测。（下转第34页）离为AS米，纱片相对于理想位置的差值为L米，此阶段主轴转过的角度为A|3弧度；由以上两式可得：AS=K2Aa.这说明侧隙一定的情况下，小车的不可控行程AS是与侧隙成比例的。

　　由①式与②式可知，当主轴半径R变化时或小车电机的筒身段转速发生变化时，纱片差值的变化均不等于零，就是说L是一个随R和V变化的变量，也就是纱条实际落点与理想落点的差随R和V变化而变化。

　　4消除侧隙影响的方法通过以上对侧隙的分析可知，通过机械方法固定地补偿侧隙是不可行的。要消除侧隙的影响，可通过以下两种方法：将机械传动系统的精度提高，使侧隙很小，那么侧隙的影响也就变小。这要求机械传动必须采用高精度运动付，例如滚珠丝杠或无侧隙齿轮等，但这势必造成设备成本的大幅度提高，因而是不可取的。

　　在机械传动有一定侧隙的条件下，测量侧隙，在程序上采用增减端头停留的办法，即在端头阶段根据实时采集的小车速度及参数输入时得到的主轴半径计算，根据计算结果来增加或减少停留时间，达到消除侧隙的影响的目的。

　　5结论通过对侧隙的分析，可以得出这样的结论：在计算机控制缠绕机上可以采用响应快、结构简单、成本低的链条传动，而通过程序修改端头停留时间来消除侧隙，从而既可以降低设备的成本，又可以满足较高精度缠绕线型的要求，达到一举两得的目的。

　　（上接第50页）2.5CFRC的应用1982年，碳纤维增强的复合板**次用在巴格达市的一个纪念碑上，从那时起至今，已有七十多个建筑物应用了CFRC.水泥材料由于碳纤维的增强而减轻了重量，给建筑施工带来了很大的方便。日本东京的ARK大厦一次使用CFRC幕墙板32000m2，由于板的重量减轻了三分之二，起重和安装只需使用电绞车而不需起重机，安装过程迅速而有效。

　　CFRC有优良的抗拉、抗折强度，在东京医科大学的一个建筑中用CFRC做大型幕墙，面积大、厚度小、接缝少、轻质高强；模具简单、成型方便，使用效果颇为理想。OTRC具有耐磨性、耐干缩性，对水的抗渗透性及耐化学腐蚀性，做为建筑顶端的外涂层和路面材料是很理想的，CFRC涂层还能提高美观的外观和长期耐久性，在实际建筑中使用已显示相当的潜力。

　　近年来，CFRC的导电性日益引起人们的重视，在电子、电气方面和军事建筑行业有着很好的应用前景。首先做为，地板砖可以防止静电积累，做为电磁辐射的屏蔽板，可以吸收和消耗噪音及各种电磁波。埋在地下的CFRC管材可以消除大气放电和雷电静电。*近研究表明：CFRC可以做为智能结构材料非破坏性的缺陷探测，利用这个性能对水坝、桥梁、核动力厂等建筑的无损探是极为有利的。CFRC具有优越的机械性能和电学性能，是非常理想的建筑结构材料和功能材料。目前，由于国际市场上通用级碳纤维的产量还没有相当的规模，价格上失去了竞争性（碳纤维价格〗美元/磅。玻纤、合成纤维价格几美元/磅）这是CFRC开发应用过程中的主要障碍。另外，由于建筑上严格的标准和规则及建筑材料本身的特殊要求（必须经过长期的时间检验），给CFRC在建筑行业上的大量使用带来了客观上的限制。尽管如此，随着CFRC研究和开发应用的不断深入，相信有一天，CFRC会代替传统的钢筋混凝土，做为一种普通的建筑材料应用到大量的工业和民用建筑中去。CFRC将开辟世界建材的新纪元。