[发明专利]一种纳米改性碳纤维增强增韧高性能水泥基复合材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米改性碳纤维增强增韧高性能水泥基复合材料及其制备方法，所述复合材料由水泥、水、减水剂、改性碳纤维制成，其中：水灰比为0.25~0.35，改性碳纤维的体积掺量为复合材料的0.4%~0.6%，减水剂掺量为水泥质量的0.8%~1.2%。本发明采用溶胶凝胶法制备纳米SiO₂溶液，并通过制备SiO₂改性溶液对碳纤维表面进行表面接枝改性处理来控制其表面形貌，从而改善纤维—水泥基体的界面粘结强度，得到一种同时具有高强度和高延性的改性碳纤维增强增韧水泥基复合材料。本发明的碳纤维水泥基复合材料具有高延性，能够改善纤维‑水泥基体的界面粘结强度。

技术领域

本发明属于建筑材料领域，涉及一种纤维水泥基复合材料及其制备方法，具体涉及一种纳米SiO₂表面改性碳纤维增强增韧高性能水泥基复合材料及其制备方法。

背景技术

水泥基材料是当今世界用量最大的土木工程材料，广泛应用于各种建筑结构中。纤维水泥基复合材料是以水泥净浆、砂浆作为基材，以适量的非连续的短纤维或连续的长纤维作为增强材料，均布地掺和在水泥基材料中，从而形成的一种新型增强建筑材料。它是人们在考虑如何改善水泥基材料脆性，提高其抗拉、抗弯、抗冲击等力学性能的基础上发展起来的，具有普通水泥基材没有的许多优良性能。其基本原理是基于纤维与水泥基体之间的相互作用，从而为复合材料提供延性并增强裂纹后的力学性能。混凝土中乱向分布的纤维主要作用是阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展。

近年来碳纤维由于具有轻质、高强度、高模量及耐腐蚀性好等特性，受到越来越多的关注。碳纤维是在20世纪60年代研制出的一种高性能纤维，具有超高的抗拉强度和弹性模量、化学性质稳定等优点，掺入到混凝土中可以在一定程度上改善其抗渗抗磨耗的性能。当碳纤维在水泥基材料中均匀分散后，能够在裂纹出现初期起到很好的增强作用，使材料的拉伸性能可以得到大大提高，抗拉强度可以提高到原来的几倍左右，材料耐冲击性也得到改善。

由于碳纤维原丝表面由大量惰性石墨微晶堆砌而成，所以原丝表面呈非极性，表面能小，浸润性差，这使得纤维与基体之间不能形成有效的机械锚合作用，导致了纤维与水泥基体之间薄弱的界面，制约着复合材料的力学性能。未经改性处理的碳纤维与水泥基材料基体间粘结强度较低，纤维易从基体拔出，从而影响纤维对水泥基材料力学性能的增强增韧效果，复合材料在承受荷载时一经开裂就会发生破坏，只产生单条裂纹，不利于结构的安全保证。因此我们需要对碳纤维表面进行改性以提高其与水泥基体的界面性能，使得改性后碳纤维增强水泥基材料不仅获得更高的强度，更重要的是，改性后碳纤维在界面过渡区可以形成致密的结构，纤维能够更多的承担因基体开裂转移来的应力，更好的发挥桥接作用，提高材料延性，得到增强增韧的高性能水泥基复合材料。

发明内容

为了解决现有碳纤维水泥基复合材料抗拉强度高但是韧性差的问题，本发明提供了一种纳米改性碳纤维增强增韧高性能水泥基复合材料及其制备方法。本发明的碳纤维水泥基复合材料具有高延性，能够改善纤维-水泥基体的界面粘结强度。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种纳米改性碳纤维增强增韧高性能水泥基复合材料，由水泥、水、减水剂、改性碳纤维制成，其中：水灰比为0.25~0.35，改性碳纤维的体积掺量为复合材料的0.4%~0.6%，减水剂掺量为水泥质量的0.8%~1.2%。

上述纳米改性碳纤维增强增韧高性能水泥基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、将乙醇溶液与去离子水置于烧杯中并充分混合搅拌，随后将正硅酸乙酯置入混合液中搅拌均匀，在40~50℃水浴加热的条件下缓缓滴加氨水作为催化剂，然后恒温缓慢搅拌10~15h，得到透明的SiO₂溶胶，其中：乙醇溶液与去离子水的体积比为1：1，正硅酸乙酯的加入量为乙醇加水混合物质量的5~10%，氨水的加入量为乙醇加水混合物质量的0.5~1.5%；