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文档简介
1、武汉理工大学硕士学位论文CFRC中短切碳纤维的分散性及其机敏特性研究姓名:张晖申请学位级别:硕士专业:固体力学指导教师:李卓球;孙明清20041101武汉理人学硕士学位论文摘要碳纤维水泥基复合材料()作为一种集功能与结构为一体的混凝土材料,具有优良的材料性能和自诊断功能。在的制备过程中,碳纤维的均匀分散是决定碳纤维水泥石及混凝土压敏稳定性的关键问题之一。本文首先研究了分散剂对碳纤维在水泥基体中分散性的影响,主要采用新拌料浆法对不同比例配制的分散体系中碳纤维的分散性进行了试验评价,得出了较佳的分散剂配比:并从的表面润滑、硅灰的填充效应、分散剂体系的粘度和拌合成型过程等探讨了碳纤维在水泥基体中的分
2、散机理;由和体视显微镜等证实了碳纤维在水泥基体中的单丝态存在:并得到了碳纤维的长度分布状况。然后,本文研究了碳纤维分散性对的导电性和抗折强度等重要性能指标的影响。最后,研究了按较佳分散剂配比制成的的压敏性能,对其敏感度系数、重复性等进行了测试。取得的主要结论如下:掺量为,硅灰掺量为时,结合湿拌一干湿拌一湿拌的搅拌工艺,可实现碳纤维在水泥基体中的均匀分散;中碳纤维的分散性包括纤维在分散剂溶液内的分散和纤维在水泥颗粒中的分散,这是一个复杂的物理、化学、力学过程。的表面润滑、硅灰的填充效应、分散剂体系的粘度和强制拌合过程等都会影响纤维的分散性。的表面润滑、硅灰的填充效应、分散剂体系的粘度影响纤维在分
3、散剂溶液内的分散,而粘度和强制拌合过程影响纤维在水泥基体中的分散:碳纤维分散性直接影响的导电性和抗折强度。分散性越好,电阻率越低,抗折强度和韧性越高:夯实成型工艺以及水泥基体中均匀分散的短小纤维的存在是具备较好压敏重复性的保证。夯实成型工艺可以有效地减少试样的孔隙率;而短小纤维在载荷作用下的插入、拔出是感知应力变形的根源。关键词:碳纤维水泥;羧甲基纤维素钠;硅扶;分散:压敏性武汉理一大学硕十学位论文(),:(),(),。(),:,】,:,;,“武汉理人学硕十学位论文;:;订;武汉理人学硕士学位论文第章绪论引言碳纤维增强混凝土()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
4、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材料的脆性。碳纤维是六十年代发展起来的高强、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”。碳纤维增强不仅提高了水泥复合材料的抗折、抗拉强度,还增加了水泥材料的韧性,赋予传统的水泥建材以新的性能轻质、高强、耐冲击、耐干缩性,导电等,是非常理想的建筑材料。纤维增强水泥有着悠久的发展历史,增强纤维从早期的麦秆、麻等植物纤维到后来的石棉纤维,到大量用于实际建筑中,尤其是石棉纤维和玻璃纤维增强的水泥复合材料在建筑史上树起了一座座里程碑“。相比之下,是一种新兴的复合材料。碳纤
5、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。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。碳纤维在水泥基体中的分散性研究现状在研究、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
6、匀有一定难度。如果能较好的解决纤维分散问题,必将极大地加速碳纤维水泥基材料作为机敏材料的工程推广。一般来说,水泥石的电阻率远大于碳纤维的电阻率,因而碳纤维水泥试件()的导电性受碳纤维散布状态最差的断面或构件中因纤维分散不良而形成纤维数量最少的断面的导电行为所支配。这意味着中碳纤维分散的均匀性越差,其利用率就越低”。武汉理丁人学硕十学位论文分散剂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表面疏水性”,而加入表面活性剂是改进碳纤维表丽疏水性的重要方法。美国州立大学复合材料实验室的。”等研究发现,甲基纤维素()是一种有效的促进碳纤维在水泥浆体中分散的表面活性剂。它能较好地润湿碳纤维,促使纤维
7、以单丝态均匀分散,同时,它又可在纤维表面形成一层稳定的薄膜,阻止己分散丌的纤维重新聚集成团柬状。甲基纤维素在降低纤维表面张力的同时,也会降低水泥基体的表面能,因而会在水泥浆体的搅拌过程中引入一定量的气泡。此外,由于甲基纤维素水溶液属于胀流型流体,甲基纤维素的加入会导致水泥浆体粘度的增加。为改善水泥浆体的流动性能,降低气泡的含量,通常采用磷酸三丁酯作为消泡剂并加入一定剂量的减水剂。同时他们还对甲基纤维素、乳胶和硅狄等对宏观的力学、热学和电学参数的影响进行了研究。哈尔滨工业大学的关新春”等人通过比较水灰比为的水泥浆体在减水剂、和消泡剂的不同掺量下稠度及密度的变化情况,发现对于水灰比为的水泥浆,在碳
8、纤维体积掺量为的范围内,减水剂的掺量为,消泡剂的掺量为,分散剂的掺量为时,水泥浆体的稠度较为适中,强度和电阻率均比较稳定。国内外的研究还表明在碳纤维混凝土中加入一定量的硅灰(通常是水泥重量的)可以有效地提高碳纤维的分散性。因为硅灰加入到混凝土中将形成良好的填充效应,不仅能够填充在水泥颗粒之间,也能分散在碳纤维之间。侯作富“等人通过对电阻率、抗压强度、抗折强度的分析,发现硅灰能有效降低碳纤维导电混凝土的电阻率,提高其抗压强度和抗折强度。碳纤维的表面氧化处理除了添加表面活性剂外,碳纤维的表面氧化处理是改善碳纤维表面疏水性、提高碳纤维对水浸润性的另一重要手段“。将碳纤维分别在沸腾饱和溶液中浸泡、小时
9、后,研究对水的浸润性情况发现,碳纤维在氧化处理以后,对水的浸润性得到了一定程度的提高,且处理时间越长浸润性越好。水中和“”等人采用双氧水对碳纤维表面进行处理后,发现碳纤维表面的活性增强,且碳纤维表面由于双氧水的作用出现的纵向沟、槽增大了碳纤维的表面积,当浸润条件和化学键相同时,表面积的增加能提高界面的粘结性能,改善碳纤维在水泥浆体中的分散性。¨”对碳纤维各种表面处理方法进行了大量研究。显著改善武汉理人颂十学位论文碳纤维分散性和纤维水泥界面粘结强度的方法主要有:臭氧处理和硅烷处理。臭氧处理是将碳纤维罱于臭氧体积含量为的氧气中分钟,在这些强氧化剂的作用下,纤维表面发生氧化反应,形成含氧宫
10、能闺,它们具有亲水性,从而提高碳纤维的分散性。经过臭氧处理的碳纤维能够完全被水浸润,接触角为零。硅烷处理的过程是:在的条件下,将碳纤维浸泡在硅烷偶联剂溶液中浸泡小时,然后过滤、清洗、干燥。经过处理后在碳纤维表面形成硅烷涂层,而硅烷分子本身具有亲水性。通过碳纤维表面处理一方面可提高碳纤维在水泥基体中的分散能力;另一方面使纤维与水泥基体结合更紧密,提高纤维水泥基体的界面粘结强度,从而改善纤维水泥的力学性能。另外,碳纤维与水泥的良好粘结还可减小纤维基体的接触电阻,有利于提高导电能力。搅拌工艺在碳纤维水泥的制备过程中,搅拌工艺是一个十分复杂的问题。搅拌的目的除了达到强化混合料的化学反应,加速混合料的传
11、热速度外,还要考虑碳纤维在水泥基体中的均匀分散和最小程度的断损“”。杨元霞“等人利用新拌料浆法及硬化试件电阻测试法,从碳纤维水泥基复合材料()的纤维分散系数及变异系数分析着手,研究了投料顺序和搅拌时间对纤维分散的影响。研究表明先掺法(即碳纤维先投入拌合水中搅拌,然后掺入水泥)可以实现碳纤维相对较均匀的分散,且不会立刻聚集成团,并把定为最佳搅拌时间。碳纤维长径比碳纤维在水泥基体中分散的均匀程度与其长径比也有很大关系,般是长径比越大,即纤维直径不变而纤维长度越大时,其在搅拌中越易成团。因此,单纯从有利于分散的角度来讲,应是纤维越短越好。试验发现“。,在碳纤维和水泥混合搅拌过程中,当碳纤维掺量达到水
12、泥质量的时,混凝土中有明显的纤维球出现,且即使延长搅拌时间,纤维球也不会消失。所以,在一般的拌制工艺中,碳纤维的掺量通常在(与水泥重量之比)以下,国外的文献中很多都采用。分散性评价方法目前,评价碳纤维水泥基复合材料中碳纤维的分散程度主要有如下五种方法。”。:()新拌料浆法,该方法较快捷适用,利用分散系数可以定量地武汉理大学顺十学位论文评价不同混合料浆中碳纤维的分散均匀程度:()硬化试件电阻测试法,通过电阻测试可以从一定程度上定性地推测出不同的硬化试件中碳纤维的分散状况,且较经济:()硬化试佴断面形貌法,此方法对分析碳纤维在小范围内的分散状态比较直观、适用,可以得到硬化材料微观上的真实纤维分散状
13、态:()分散性模拟试验法,该方法可赢观地看到碳纤维在拌合水溶液中的分散情况(单丝态或束状),尤其是在试验研究纤维分散剂作用时具有更直观、简便且迅速的特点。()新拌料浆电阻率测试法,是对新拌料浆法和硬化试件电阻测试法的改进,通过对新拌浆体在交流电作用下电阻率的测试,快捷方便地评价出碳纤维分散的均匀程度。目前研究中存在的问题现有的研究表明,短切碳纤维分散性是碳纤维混凝土学术界最为关注的热点问题之一。国内本课题组在一这几年问,较系统地研究了碳纤维长度及掺量、搅拌工艺、分散剂及水灰比等对分散性的影响,但采用了一些特定的工艺,给试样制备和现场施用带来困难。教授等的研究侧重于分散剂的选取和碳纤维表面处理等
14、对分散性的影响,但他们仅通过材料宏观的力、电性能来间接推测分散性,并且由于国内在原材料、成型设备等方面与国外有所不同,完全照搬他们的工艺也不可行。除此之外,现有的研究一般仅涉及到单一影响因素与分散性的关系,对多影响因素之间的交互作用研究较少。其次,纤维分散性机理方面的研究也不多。未提出种同时满足较好分散性、电学、力学、压敏性能的材料配比及制作工艺。碳纤维混凝土的压敏性研究现状国内外近年来的研究表明:特定配比和工艺条件下制作的碳纤维增强美国、等研究了短切碳纤维或连续碳纤维水水泥石或碳纤维增强混凝土试件的电阻率会随应力状态的变化而变化,即具有压敏性。利用这一性质,可以研制成一种本征型的应力传感器,
15、用于对混凝土结构的自诊断检测”“”,。泥基复合材料在拉、压静载与循环动载作用下体积电阻率的变化规律,说明体积电阻率的变化与材料内部裂纹的闭合与扩展、碳纤维与水泥基界面强度的减弱等有关,从而可对碳纤维混凝土复合材料实施非破损的自诊断、运动车辆的重量自检测等”“。“。他们还研究了材料养护及碳纤维表面处理等对武汉理:人学硕士学位论文第一个加卸载循环过程中出现的电阻变化不可逆性、多次重复加卸载时应变感应的重复性等的影响。在机敏混凝结构的应用方面他们也丌展了初步的研究,并对机敏混凝土在交通和载重量的监测方面的应用进行了实验研究,探讨了碳纤维含量在不同应力不同速度下的稳定性。最近,他们还对含碳纤维(与水泥
16、重量相比)的机敏混凝土在单向压缩作用下的轴向与横向应变所对应的电阻率变化进行了实验分析“。武汉理工大学的沈大荣、李卓球、毛起熠等在年发现了机敏混凝七存在三个自诊断区域特性”:安全区、损伤区和破坏区,表明能够感知自身从弹性阶段到破坏阶段的演变全过程,揭示了碳纤维混凝土中的弹性体、初始空隙与缝隙、受压过程产生的新损伤和裂纹等对其导电网络结构的影响规律。研究了碳纤维含量、长径及水泥石的组成结构对压敏系模型。同时也指出了机敏混凝土在温度的作用下也会引起电阻率的变化“。同济大学的吴科如”等人研究了掺有碳纤维的水泥基复合材料的导电机理和在轴向压力、循环荷载作用下的压阻特性,并研究了碳纤维水泥基材料中电导与
17、碳纤维体积分数的关系。彭勃”等研究了在不同搅拌制度下中碳纤维长度的分布及其对的电阻率与强度的影响。韩宝国。”等人通过对具有不同掺量的碳纤维、石墨、钢纤维的水泥基材料的导电性及应力作用下电阻率变化规律的研究,发现导电网络达到渗流区是水泥基材料具备压敏效应的前提条件,而碳纤维由于长径比大、密度小,极小掺量即可使水泥石达到临界渗流阈值,产生压敏效应,进而提出了提高碳纤维水泥石压敏性的方法。论文的研究内容及意义研究内容本文围绕中短切碳纤维的分散性进行了研究,总结起来内容主要包括以下几个方面:()运用正交试验方法研究以羧甲基纤维素钠()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
18、新拌料浆法,由分离出来的碳纤维质量的变动系数评价碳纤维的分散性和分散剂的作用效果,确定制备材料的较佳分散剂配比及工艺;()通过对不同掺量的和硅灰混合料的粘度测定,并结合表面润性的影匈、,并从导电和压敏机理上对其进行分析探讨,建立了力一电阻关武汉理人学硕十学位论文滑、硅狄的填充效应、拌合工艺以及碳纤维长度分布的分析,对碳纤维分散机理进行研究:()研究四电极法中电极位置、电流大小、交直流等对碳纤维水泥基复合材料(:)圆柱试样电阻率测试的影响:()测试选定的分散剂配比对材料导电性和抗折强度的影响,并采用复合材料模型预测材料的弯拉强度:()对较佳分散剂配比和特殊工艺条件下制成的材料的压敏性进行研究。研
19、究的意义与多数脆性材料一样,混凝土有很高的抗压强度,但抗拉和抗弯强度却很低”,通过在混凝土中掺入少量短切碳纤维制成的碳纤维混凝土不仅能提高混凝土的抗拉和抗弯强度,而且具有压敏、温敏及电磁屏蔽等特性,是土木工程界中重要的本征智能材料,在大坝、道路、桥梁等大型基础设施的健康监测、重要仪器设备的电磁屏蔽以及机场桥梁等的除雪系统等方面有良好的应用前景”。作为一种直径仅为几个微米、表面光滑且憎水的材料,碳纤维在水泥基材料中的均匀分散是制备电学性能稳定的碳纤维水泥机敏材料的一个关键性问题”,也是研究和评价碳纤维混凝土各项性能的基础。由于碳纤维的几何特性及其表面疏水性,在机械搅拌力的作用下,碳纤维会趋于团聚
20、而凝成纤维块。研究表明,对于相同配比的碳纤维混凝土,如果纤维分散不均匀,其电导率将产生明显的差异这极大地限制了碳纤维水泥基材料作为机敏材料的工程推广。在碳纤维混凝土中碳纤维不论是作增强材料,还是作导电填料使用,为充分提高它的利用率,对纤维的分散性应有严格的要求,即碳纤维全部以单丝态存在,无纤维成团,集束现象。而且宏观上碳纤维在整个碳纤维混凝土体系中均匀分布”。因此,研究和评价碳纤维均匀分散的程度是碳纤维混凝土制备中必需且极重要的一环。武汉理一火学硕十学位论文第章中碳纤维分散性及其分散机理研究前言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()作为碳纤维的分散剂。
21、和甲基纤维素均为纤维素醚,但水溶液比甲基纤维素水溶液的粘度大,通过模拟试验表明碳纤维在水溶液中的分散性较好。本章采用正交试验法研究了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,由此确定制备时和硅灰的较佳掺量。并从的表面润滑、硅狄的填充效应、混合料的粘度、碳纤维长度的分布等方面对碳纤维的分散机理进行了分析。本文以水泥净浆作为基体材料制备,但所得结论也可应用于以水泥砂浆、混凝土为基体的中。新拌料浆法分析中碳纤维的分散性原理分析两种固体材料混合后理想的均匀分布。可如图()所示,但实际上这是不可能的,而如果能达到图()那样在统计意义上的分布,便可谓理想的混合了。一硫图
22、图一以统计的方法表示在()中的分布情况,可用称取试样中成分个数或质量的标准偏差,或者变动系数妒定量地表示分散的程度,即武汉理人学硕士学位呛文(击弘一旷妒专枷。一,其中,试样中成分的个数或质量:成分平均个数或质量。新拌料浆法是定量掌握碳纤维在水泥基体中分布状态的方法之一,它通过从拌好的料浆各不同部位取出大致相等的试样料,从中分离出碳纤维,计算结果的标准偏差或变动系数的方式,获得碳纤维在水泥基体中的分散情况。如在各试样中所含的纤维数为一定值时,即纤维呈均匀分布的场合,舻;全部纤维集中于份试样中,而其它试样无纤维的场合,舻一。因此妒,且妒越小,表示纤维分散越均匀。原材料及试样制备试验所用原材料主要有
23、:碳纤维、羧甲基纤维素钠、硅灰、水泥、消泡剂、减水剂。()碳纤维:美国公司生产的型短切碳纤维,其理型号性能、表一碳纤维理化性能型碳含量拉伸强度()拉伸模量()纤维直径(丌)密度()电阻率()标准长度(唧)()羧甲基纤维素钠:中国医药集团上海化学试剂公司生产,用作分散()硅灰:湖北丹江口钢铁公司生产,可以提高碳纤维的分散性,改善原材料化性能如表一所示。剂,帮助碳纤维均匀地分散在水泥浆体中;的压敏性和稳定性;武汉理?人学硕士学位论文()水泥:湖北华新水泥股份有限公司生产的普通硅酸盐水泥:()消泡剂:武汉宏大化学试剂生产的磷酸三丁酯。由于分散剂的加入,会在水泥浆体的搅拌过程中引入一定量的气泡,使用消
24、泡剂可以降低气泡的含量,使制成的试样更加密实;()减水剂:武汉浩源外加剂厂生产的高效减水剂。它可以在不影向混凝土和易性的条件下,使给定的混凝土用水量减少,也可以在不改变用水量的条件下增加混凝土的和易性。主要设备公斤托盘台秤,湖南益阳衡器厂生产;型电子天平,上海海康电子仪器厂生产()()()()水泥净浆搅拌机,无锡市建筑材料仪器机械厂生产一型旋转粘度计,上海精密科学仪器有限公司。试样制备表的材料配比武汉理一人学硕十学位论文按占水泥和硅灰总量的质量百分比计算,的配合比为:碳纤维:减水剂;消泡剂。的掺量分别为、和。硅灰掺量分别为、和。表为按正交试验双因素全面试验配制的种混合料。为保证混合料的流动性,
25、每种配比的水灰比不同。制备工艺:将先溶于的温水(试验发现在温水中的溶化速度较冷水中快)中,搅拌至完全溶解,再加入的水、消泡剂、碳纤维,用玻璃棒搅拌约,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,搅拌过程中加入剩余的的水。而不掺的组试验,碳纤维真接投入的水中搅拌,其余工艺同前。从新拌好浆料的不同位置取出份每份质量为的试样料,用水和目的细筛除去水泥和硅灰将碳纤维烘干后称重。该工艺流程如图。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:墨弘弘),。×()式中:。第号试验分离出来的第份碳纤维质量:。第号试验分离出来的份碳纤维质量的平均值取样份数:试验号。罕
26、图新拌料浆法工艺流程图亟坚墨!:叁望:堡主堂笪丝苎测试结果与分析表列出了在不同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()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问存在差值,这是由于碳纤维在搅拌过程被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。它按下式汁算:。:兰二三三三。,。二×予白()式中:第号试验浆料中碳纤维的理论质量,。表不同和硅灰掺量下碳纤维质量的变动系数和断损率武汉理:人学项十学位论文对各组碳纤维质量进行方差分析”,计算结果见表。由表可见,、硅荻以及两者共同作用均会对碳纤维的分散性产生较大影响(即三者的比均大于临界值
27、),且的影响最大。表方差分析表袭示:表示硅灰;×表示两者的交互影响。临界值为蠢一分布表所得,显著性水平取。图和图为分离出来碳纤维的变动系数与和硅灰掺量的关系。从图和图可见:()在图中,在只有硅灰加入时,加入的硅灰()与不加硅灰的混合料()相比,变动系数减小了,而加入和硅灰的混合料(和),变动系数分别比减小和。因此,硅灰能有效地改善碳纤维的分散性。()在图中,同时添加和硅灰对,在不同的掺量下,图中最小的变动系数所对应的硅灰掺量不同:当掺量为和时,最小的变动系数所对应的硅灰掺量均为,这两种混合料(。和)分别与掺量为和而不掺硅灰的混合料(和)相比,变动系数分别减小了和:当掺量为,时,最小的
28、变动系数所对应的硅灰掺量为,它与掺量为而不掺硅灰的混合料()相比,变动系数减小了。可见,在中掺入硅灰时,硅灰在、和等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和中相当。()由图可见,不论硅灰掺量如何,当掺量从增加到和时,除(硅灰)外,变动系数随增加而减小。相同硅灰掺量下,的混合料的变动系数比的混合料减小以上,而的混合料的变动系数与的混合料相比减小较小。武汉理。人学硕十学位论文()在图中,不掺的曲线位于硅灰、硅荻的曲线之下,而且硅灰的曲线位于图中的最低位置。可见,在硅扶、硅次这两种混合料中,在碳纤维分散中的作用不如硅狄叫显,不能反映出和硅扶的共同作用。但当掺量为,硅狄掺量
29、为时,在组试验中变动系数取得最小值。在此混合比中显现出和硅灰的共同作用,因此分散效果最好。()掺量为,硅灰掺量为时,碳纤维的断损率也较低,为较佳的分散剂配比。掺量冀一一鞴谣一幅制卜一硅妖掺量()图变动系数与和硅灰掺量的关系硅灰掺量冀一燕哄奄制,掺量()图变动系数与和硅灰掺量的关系武汉理。大学硕士学位论文碳纤维在水泥基体中的分散机理的表面润滑为水溶性高分子材料,有强烈亲水性而易溶于水,纤维表面吸附溶液会在纤维表面形成一层薄薄的润滑膜,起到水溶性润滑剂的作用,使纤维相互滑过而不致缠结”:又出于的加入,降低了液体的表面张力,所以还有极大的起泡力,少量气泡对于分散也可产生积极的作用,即缓冲物质使得纤维
30、彼此保持分离,从而防止纤维接触和阻止纤维卷曲和弯曲,从而防止了纤维间的粘合和成团,促使纤维以单丝态均匀分散在水中。同时部分吸附于水泥颗粒表面,形成胶液润滑层,可以抑制水泥浆絮凝结构的形成。硅灰的填充效应硅灰是电弧炉中生产出来的超细非结晶硅,它是金属硅和铁矽合金生产中的一种副产品。它比普通硅酸盐水泥颗粒的直径小倍,是一种粉状颗粒,也就是说它的颗粒尺寸大约是。二氧化硅的含量从变化到不等。硅灰具有火山灰的特性。硅灰可均匀的填充于水泥颗粒孔隙和碳纤维之间,提高碳纤维在分散剂溶液中的分散性“。试样配制与实验操作试样配制:试样配比同。实验操作:首先,按配方要求将溶解于的温水中搅拌至完全溶解,依次加入剩余的
31、水、消泡剂、硅灰、减水剂,用玻璃棒搅匀,接着将待测流体注入测定容器中。将转筒悬挂于联轴器上。启动电动机,转简从开始晃动录所指示的粘度值。图为不加减水剂的组混合料的粘度变化关系图。由图可见:()混合料中掺入和硅灰时,粘度随着和硅灰掺量的增加由于在的制备表中不掺的水坎比小于掺量为和的水灰比)。图中掺量为和不掺两种情况,粘度的增幅尤为分散剂体系的粘度直到对准中心的过程,转筒将趋近恒速,指针趋于稳定;当指针稳定时,记试验结果及讨论而增大(图中不掺的粘度比掺量为和的粘度大,这是武汉理一人学硕士学位论文明显。掺龄:赵耀一一十一一硅灰掺量()图粘度与硅灰掺量的关系()在图中,不掺的混合料碳纤维质量变动系数比
32、硅灰、硅灰的混合料变动系数还小,并且的变动系数最小。而在图中掺量为和不掺的分散剂溶液粘度较大这一现象暗示着分散体系的粘度对碳纤维的分数性会造成一定程度的影响。()中碳纤维的分散性包括碳纤维在分散剂溶液内的分散和碳纤维在水泥基体中的分散,分散剂溶液的粘度在这两个过程中均有作用。表现在:一方面,改交了纤维悬浮液的流变特性,使其具有较低的雷诺数,即流动状态转为有序,亦即纤维随流体运动的能力增强,这样大大限制了纤维在水中运动的自由度,减少了纤维之间的相互运动,减少了纤维间相互碰撞而产生的絮聚;随着悬浮液粘度的增加及分散剂的空间位阻作用的增强,增加了纤维在介质中的悬浮性,延长了纤维沉降再絮聚的时间,有利
33、于碳纤维的均匀分散。另一方面,较高的稠度有利于最后拌合过程中碳纤维在水泥基体中的分散,将在下,、节作进一步分析。拌合成型过程本文中混合料的混和过程实际上是一个湿拌一干湿拌一湿拌的过程:首先采用先掺法把碳纤维分散在分散剂溶液中,然后加入硅灰和部分水泥、减水剂,使溶液进一步变稠,粘度增加,这是一个湿拌的过程,自由水随之减少。随后加入的水泥与前面形成的混合料的混和是一个干湿拌的过程,它不同于。般意义上的干拌和湿拌,这时有一定的自由水但流动性较差,所以这武汉理人学硕十学位论文甲称为湿拌。在这一阶段通过搅拌机的片强制作用,使水泥颗粒与碳纤维其混,部分纤维被搅断。最后加入剩余的水,能改善搅拌过程中浆体的流
34、动性,这又是一个类似泓拌的过程。可以有效地提高水泥浆体的流动性,降低混合料的稠度,加强水泥粒子与纤维间的相互扩散能力,进而实现整个纤维一水一水泥粒子体系的均化。因此,采用湿拌一千湿拌温拌相结合的方法有利于碳纤维在水泥基体中的分散。在碳纤维分散的两个过程中,的表面润滑、硅灰的填充效应、分散剂体系的粘度提高等将改善碳纤维在分散剂溶液内的分散,而高的粘度和强制拌合过程促使纤维在水泥基体中的均匀分散。和体视显微镜分析图试件扫描电镜照片对、硅灰配比的拌合料硬化后的截面进行显微结构观察,即采用分析法,由图所示,纤维基本呈单丝态分布,且彼此搭接形成网状结构。同时在体视显微镜下观察碳纤维长度分布试验(详见)中
35、两张滤纸上的纤维分布情况,如图、图。第一张滤纸上的纤维是新拌浆体与浓盐酸反应后加水所得液体的上层清液中的纤维,而第二张滤纸上的为下分散纤维的有效性,即可以较好地浸润碳纤维,使纤维均匀分散于水泥层浊液中的纤维。幽图可见。第一张滤纸上的碳纤维表面较干净,纤维完全呈单丝态分散,而第二张图片上的纤维明显可见有不能与浓盐酸反应的物质包裹,该物质应为掺杂水泥和硅次的混合物,从图中纤维被包裹的状态来看,纤维以单丝态被混合物均匀分散。从而从细观上证明了武汉理工大学硕十学位论文基体中。图第一张滤纸上纤维分布图图第二张滤纸上纤维分布图拌合料中碳纤维的长度分布分析试验方法及说明中碳纤维的长度分布试验方法为:从配比为
36、硅灰的新拌浆体中称取,浆体,放入小烧杯中,滴入少量浓盐酸直至浸没浆体,静置一天待浓盐酸与水泥浆体反应完全后,加水摇匀,将上层清液用一张滤纸过滤,另取一张滤纸过滤下层浊液。为了便于长度的统计和测量,滤纸上已事先画好网格,且待过滤的溶液集中置于红色方框区域内过滤,网格及过滤位置如图所示。滤纸于室温下干燥后置于体视显微镜下观察,通过视频放大设备测量的长度,测量时取红色方框区域的区域进行测量。每隔为个区段,之后分为,两个区段,共计个区段统计长度。假设单根碳纤维的横截面面积为,每个区段中碳纤维的根数为”,以各个区段碳纤维的中间长度作为该区段的平均长度;,则各区段碳纤维的数量百分含量,体积百分含量,数均长
37、度,。可表示为,:告,卜萱即。掣量:弘()三,爿苫。叫一武汉理:人学硕士学位论文:斗丰。一一;一一一十。二:¨。:寸聱图滤纸网格划分及过滤位置藿铷善。夕?。÷分;。夕步一一口一邑日吕副长度区段()图一在各长度区段的根数分布图图一,图一分别为各长度区段的数量分布和体积百分含量图。由图可见,数量较多的区段为,长度处于的数量最少,且第二张滤纸上的纤维明显比第一张上的多,即大量纤维被包裹(见图),由此也可体现较好的分散作用。单纯从叶碳纤维的数量分布来看,一根碳纤维平均被折断成根,基体中以短小纤维居多,由式()计算可得分离出来的碳纤维的数均长度,。也仅为。通过对各长度区段碳纤维数量的
38、统计直观而具体地说明了碳纤维在试验结果与分析武汉理工人学硕十学位论文搅拌过程折断、扣碎的程度。从阁中我们可以看到,如果从基体碳纤维的体积百分含量角度来看,【长度区间的体积百分含量最大接近碳纤维总体积的,其次是的长度区段,的体积百分含量约为,即水泥基体作为导电相的碳纤维中仍以的长纤维所占比熏较大,长纤维在整个碳纤维体系中所占的体积分数将直接影响材料的电导率。因为随着碳纤维长度的增长,纤维搭接形成导电网路的几率也随之增加,的电阻率会迅速减小。弱曲¨加一丑求妞器犟窖旨越删谁卢广,卢广,矿呜。?目乏度段()图一。的长度一各区段体积百分比图中碳纤维的临界长度,吵可按下式计算:掣;生堕()式中,
39、纤维的直径;口:纤维的抗拉强度;纤维与水泥基材的平均黏结强度。将,盯:,(此数据来源于“”,用于估算碳纤维长度的临界值)代入式中可得。从本试验所采用的湿拌一干湿拌一湿拌的搅拌工艺来看,纤维长度在临界长度之上和之下的都有,并且小于临界长度的纤维占总纤维数的以上,由此可认为,在的破坏过程中,碳纤维既有拔出破坏也有断裂破坏,且以拔出破坏为主。这一点对的胝敏髀疑有雨要作用。武汉理人学硕十学位论文本章小结本章首先运用正交试验双因素全面试验按不同比例配制了种和碓灰的混合料采用新拌料浆法从多份新拌的水泥浆料中分离出碳纤维,计算每组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。在各种掺
40、量下,硅灰均能显著改善碳纤维的分散性;随着掺量的增加,碳纤维分散性提高:当掺量为,硅灰掺量为时,和硅灰的共同作用使变动系数最小,此为较佳的分散剂配比。其次,从的表面润滑、硅灰的填充效应、分散荆体系的粘度和搅拌过程等方面对碳纤维的分散机理进行了分析。中碳纤维的分散性包括碳纤维在分散剂溶液内的分散和碳纤维在水泥基体中的分散两个过程,的表面润滑、硅灰的填充效应、分散剂体系的粘度提高等将改善碳纤维在分散剂溶液内的分散,而高的粘度和强制拌合过程促使纤维在水泥基体中的均匀分散。最后,对较佳分散剂配比制成的混合料中碳纤维的长度分布分析发现,基体中以短小纤维为主,绝大多数纤维长度都低于临界长度,反映了搅拌过程
41、中的断损程度。武汉埋人学硕士学位论文第章碳纤维分散性对导电性的影响试样电阻率测试?电阻测试的四电极法原理如图所示,四个电极位于四个与试样长、一蛩图四电极法的基本原理主要原材料:碳纤维、硅灰、水泥、消泡剂、减水剂、铜粉导电胶、()铜粉导电胶:湖北襄樊市胶粘技术研究所研制;按占水泥和硅灰总量的质量百分比计算,的配合比为:碳纤维:;消泡剂;:硅灰;水灰比为,。()一型水泥胶砂振动台,无锡市建筑材料仪器机械厂生产;()数字式万用电表,深圳宏大科技实业有限公司生产,可用于度方向垂直的横截面上,最外面两个电极用于施加电流,中间两个电极用于测试电压,由欧姆定律计算电阻。而两电极法则不同,它只用两个电极,它们
42、既用于施加电流又用于测试电压。“”等人在圆柱试样两端钻不同深度的小孔,测量上下两孔问的电势羞,以得到不同深度处的电阻率。结果表明,施加在最外两个电极上的电流能够均匀通过试样内部而不仅仅是沿着侧面。如果用两电极法,由于电极附近电场不均匀、接触电阻和导线电阻等的存在将带来较大的测量误差。韩宝困”等研究了将电极埋入碳纤维水泥中时四电极法和二电极法测试结果的不同,认为四电极法更为合理。赵斌元“”等对两电极法中测试电压大小与极化效应的关系做了初步研究。杨元霞等“”、张巍等”研究了试样表面碳布电极的粘贴方法。总之,有关电阻的四电极测试法以及电极位置、电流犬小、频率等参数对测试结果的影响等诸方面的研究尚不多。电极制作方法原材料铜导线、铜箍。减水剂主要设备测试电压、电流及电阻等;武汉理:人学硕十学位沦文:)直流稳压电源,提供直流稳压或稳流电源。试样制备制备工艺:混合料制备过程刚,将混合料放入刷暑;?:油模具中,振实成型,养护。试验用碳纤维水泥试块的尺寸为直径,高的圆柱形试件。一,【;、:一引、:、:二羔二:多卜一将试块侧面用细砂纸打磨平“一。一。整,用酒精反
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