[發明專利]一種納米改性碳纖維增強增韌高性能水泥基復合材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202010733389.6
• 申請日: 2020-07-27
• 公開（公告）號: CN111825383A
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 肖會剛;呂夢圓;李惠
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: C04B28/00
• 分類號: C04B28/00;C04B20/02;C04B14/38;B28C5/40
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 高媛

本發明公開了一種納米改性碳纖維增強增韌高性能水泥基復合材料及其制備方法，所述復合材料由水泥、水、減水劑、改性碳纖維制成，其中：水灰比為0.25~0.35，改性碳纖維的體積摻量為復合材料的0.4%~0.6%，減水劑摻量為水泥質量的0.8%~1.2%。本發明采用溶膠凝膠法制備納米SiO₂溶液，并通過制備SiO₂改性溶液對碳纖維表面進行表面接枝改性處理來控制其表面形貌，從而改善纖維—水泥基體的界面粘結強度，得到一種同時具有高強度和高延性的改性碳纖維增強增韌水泥基復合材料。本發明的碳纖維水泥基復合材料具有高延性，能夠改善纖維?水泥基體的界面粘結強度。

技術領域

本發明屬于建筑材料領域，涉及一種纖維水泥基復合材料及其制備方法，具體涉及一種納米SiO₂表面改性碳纖維增強增韌高性能水泥基復合材料及其制備方法。

背景技術

水泥基材料是當今世界用量最大的土木工程材料，廣泛應用于各種建筑結構中。纖維水泥基復合材料是以水泥凈漿、砂漿作為基材，以適量的非連續的短纖維或連續的長纖維作為增強材料，均布地摻和在水泥基材料中，從而形成的一種新型增強建筑材料。它是人們在考慮如何改善水泥基材料脆性，提高其抗拉、抗彎、抗沖擊等力學性能的基礎上發展起來的，具有普通水泥基材沒有的許多優良性能。其基本原理是基于纖維與水泥基體之間的相互作用，從而為復合材料提供延性并增強裂紋后的力學性能?；炷林衼y向分布的纖維主要作用是阻礙混凝土內部微裂縫的擴展和阻滯宏觀裂縫的發生和發展。

近年來碳纖維由于具有輕質、高強度、高模量及耐腐蝕性好等特性，受到越來越多的關注。碳纖維是在20世紀60年代研制出的一種高性能纖維，具有超高的抗拉強度和彈性模量、化學性質穩定等優點，摻入到混凝土中可以在一定程度上改善其抗滲抗磨耗的性能。當碳纖維在水泥基材料中均勻分散后，能夠在裂紋出現初期起到很好的增強作用，使材料的拉伸性能可以得到大大提高，抗拉強度可以提高到原來的幾倍左右，材料耐沖擊性也得到改善。

由于碳纖維原絲表面由大量惰性石墨微晶堆砌而成，所以原絲表面呈非極性，表面能小，浸潤性差，這使得纖維與基體之間不能形成有效的機械錨合作用，導致了纖維與水泥基體之間薄弱的界面，制約著復合材料的力學性能。未經改性處理的碳纖維與水泥基材料基體間粘結強度較低，纖維易從基體拔出，從而影響纖維對水泥基材料力學性能的增強增韌效果，復合材料在承受荷載時一經開裂就會發生破壞，只產生單條裂紋，不利于結構的安全保證。因此我們需要對碳纖維表面進行改性以提高其與水泥基體的界面性能，使得改性后碳纖維增強水泥基材料不僅獲得更高的強度，更重要的是，改性后碳纖維在界面過渡區可以形成致密的結構，纖維能夠更多的承擔因基體開裂轉移來的應力，更好的發揮橋接作用，提高材料延性，得到增強增韌的高性能水泥基復合材料。

發明內容

為了解決現有碳纖維水泥基復合材料抗拉強度高但是韌性差的問題，本發明提供了一種納米改性碳纖維增強增韌高性能水泥基復合材料及其制備方法。本發明的碳纖維水泥基復合材料具有高延性，能夠改善纖維-水泥基體的界面粘結強度。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

一種納米改性碳纖維增強增韌高性能水泥基復合材料，由水泥、水、減水劑、改性碳纖維制成，其中：水灰比為0.25~0.35，改性碳纖維的體積摻量為復合材料的0.4%~0.6%，減水劑摻量為水泥質量的0.8%~1.2%。

上述納米改性碳纖維增強增韌高性能水泥基復合材料的制備方法，包括如下步驟：

步驟一、將乙醇溶液與去離子水置于燒杯中并充分混合攪拌，隨后將正硅酸乙酯置入混合液中攪拌均勻，在40~50℃水浴加熱的條件下緩緩滴加氨水作為催化劑，然后恒溫緩慢攪拌10~15h，得到透明的SiO₂溶膠，其中：乙醇溶液與去離子水的體積比為1：1，正硅酸乙酯的加入量為乙醇加水混合物質量的5~10%，氨水的加入量為乙醇加水混合物質量的0.5~1.5%；