基于界面优化的碳纤维增强磷酸镁水泥复合材料制备

Carbon fiber will be used to strengthen magnesium phosphate cement (MPC) by taking the advantage of the lightweight, high strength of carbon fiber and the high bonding strength and rapid setting and hardening properties of MPC, and the material of carbon fiber reinforcement magnesium phosphate cement composites(CFRMPC), an ideal material for rapid strengthening of concrete structure can be resulted. However, the improvement of the bonding behavior between the carbon fiber and MPC is the key factor during these applications. In this proposal, electrochemical oxidation and electrochemical deposition techniques will be used for surface treatment of carbon fiber by using its high electrical conductivity. The surface reactivity of carbon fiber will be improved by electrochemical deposition and the hydration products of MPC on the surface of carbon fiber can be induced through the addition of magnesium ions-hydroxyl complexation. Meanwhile, the surface quality and its wetting quality can be optimized through the sedimentation of phosphate on and among fibers through electrochemical deposition technique. Moreover, the compatibility of MPC with carbon fiber, as well as the bonding behavior will be studied through the macro-/micro-investigation and the stress transfer mechanisms of CFRMPC structures will be primarily studied to show its advantages in the rapid strengthening of concrete structures. The results will also benefit for the surface modification of carbon fiber and other application of CFRMPC.

采用碳纤维增强磷酸镁水泥，将碳纤维质轻、抗拉强度高与磷酸镁水泥粘结强度高、快凝快硬的特点充分结合，获得的碳纤维增强磷酸镁水泥复合材料(CFRMPC)，是混凝土结构快速加固的理想材料。但碳纤维与磷酸镁水泥界面粘结改善是CFRMPC制备的关键。申请项目首先利用碳纤维的导电性，采用电化学氧化和电化学沉积对碳纤维表面进行处理，通过电化学氧化改善碳纤维表面活性，引入羟基络合镁离子诱导磷酸镁水泥水化产物在碳纤维表面定向生长，同时以电化学沉积诱导磷酸盐在碳纤维表面和丝束间沉积，共同改善碳纤维的表面性状和润湿性；申请项目还将通过宏观性能试验和微观分析，研究碳纤维表面改性后与磷酸镁水泥相容性和界面粘结，重点分析界面改善后CFRMPC在结构加固受力过程的应力传递机制，显示碳纤维表面改性后的CFRMPC在结构快速加固中应用的优势。研究结果还对碳纤维表面改性和CFRMPC材料其他应用开发有一定的参考价值。

磷酸镁水泥(MPC)与其他无机胶凝材料一样，破坏时也表现出明显的脆性，韧性较差限制了磷酸镁水泥在混凝土结构加固工程中的应用。为了提高MPC修复材料的韧性，本项目对比研究了聚丙烯腈纤维、聚乙烯醇纤维和超高分子量聚乙烯纤维以及碳纤维和氧化镁晶须对MPCM(MPCM)力学性能的影响，研究了聚乙烯纤维和碳纤维的表面氧化处理方法对纤维增强磷MPCM抗弯韧性的影响。主要研究结论如下：.（1）MPCM中合成纤维的体积掺量不大于2%时，MPCM抗折强度显著提高；合成纤维体积掺量超过2%后对MPCM的凝结硬化和力学性能会产生显著的负面影响。.（2）高分子量聚乙烯纤维掺量为1.0%时，掺加分散剂EG360后MPCM的抗弯韧性提高1倍；采用过硝酸处理聚乙烯纤维0.5~1.0h，显著改善MPCM的抗弯韧性。.（3）碳纤维可以显著提高MPCM的早期抗压强度和后期抗折强度，但对早期抗折强度和后期抗压强度无显著改善作用；碳纤维对MPCM抗折强度的改善效果更好；掺加碳纤维提高MPCM抗折强度存在饱和掺量，随着碳纤维长度增加，饱和掺量降低。.（4）掺加3%~5%的MgO晶须可以显著增强MPC的早期抗压和抗折强度，提高缓凝剂掺量或水料比时，掺加MgO晶须可以确保MPC不仅具有较高的早期强度，同时还具有良好的流动性及凝结时间。.（5）采用强氧化性酸溶液对超高分子量聚乙烯纤维和碳纤维进行表面预处理，可以提高纤维的表面亲水性，显著改善纤维的分散性及其与磷酸镁水泥的界面粘结强度。.（6）浓硝酸预处理时间30~60min时，碳纤维增强MPCM的断裂韧性显著改善，MPCM受弯时的荷载─挠度曲线下降段更为平缓，试件开裂后的延性变形显著增大，断裂能大幅上升；预处理温度40~60℃时，预处理温度提高使荷载-挠度曲线的下降段更为平缓，碳纤维增强MPCM的断裂韧性及断裂能显著提高。.（7）利用磷酸镁水泥作为植筋锚固材料，在约束拉拔条件下，带肋钢筋与混凝土的粘结抗剪强度可以满足混凝土结构植筋加固应用要求；利用磷酸镁水泥粘贴碳纤维布来加固混凝土梁，通过改善修复材料和混凝土的界面构造，混凝土梁的抗弯强度显著提高。