导读
混凝土结构在设计使用期限内，面临着复杂的服役环境，除承受静荷载外，往往还需要承受动态冲击荷载。在动态冲击荷载下，混凝土的力学响应与静荷载相比具有显著差异，且常表现出力学性能不足。纤维改性是提高混凝土动态力学性能的一种有效方式，碳纤维由于其优异的特性在混凝土纤维改性中具有广阔的应用前景。然而，研究中也发现，碳纤维存在表面光滑、化学活性低、与混凝土基体粘结力弱、碳纤维/混凝土基体界面区存在明显缺陷等问题。且在动态冲击荷载作用下，碳纤维易发生滑移而被拔出，不利于其增强增韧作用的发挥。
近日，空军工程大学白二雷团队为改善碳纤维表面光滑、与混凝土基体结合效果差、在动态冲击荷载作用下易拔出等缺点，将氧化石墨烯接枝在碳纤维表面制得了氧化石墨烯接枝碳纤维（CF-GO），并研究了动态冲击荷载下CF-GO改性混凝土（CF-GOMC）的力学性能及应变率效应。文章发表于国际知名期刊《Construction and Building Materials》，论文标题为“Mechanical properties and strain rate effect of graphene oxide grafted carbon fiber modified concrete under dynamic impact load”。
内容简介
首先，研究团队采用化学接枝法制备了CF-GO，通过分析微观形貌和红外光谱，确定了碳纤维与氧化石墨烯成功接枝。通过AFM形貌分析，发现CF-GO的表面粗糙度和表面积较碳纤维分别增大了119.77%、102.11%。CF-GO更利于纤维/混凝土基体界面的结合。
图 1. CF-GO的微观形貌、红外光谱及AFM形貌。
而后，研究团队将CF-GO引入混凝土材料中，制备了CF-GOMC，并采用SHPB试验系统进行了动态冲击试验，得到了CF-GOMC的应力-应变曲线和冲击破坏形态。从动态抗压强度、动态增长因子、峰值应变和能耗密度等方面，分析了动态冲击荷载下CF-GOMC的力学性能及应变率效应。
图 2. 静动态荷载下CF-GOMC的裂缝演化方式。
最后，研究团队通过SEM、MIP、XRD试验，分析了CF-GO对混凝土力学性能的微观改性机理。CF-GO表面的氧化石墨烯通过提高纤维与混凝土基体的机械咬合力和促进水化产物在纤维表面生成，从而使得CF-GO与基体结合良好，CF-GO/基体界面致密。CF-GO的掺入不会改变水泥水化产物的组成种类，但会促进水化产物晶体生长，优化混凝土的孔隙结构。
图 3. CF-GOMC的微观形貌、孔隙量及XRD图谱
研究结果显示，CF-GOMC的冲击破碎形态、动态抗压强度、动态增长因子、峰值应变和能耗密度均具有应变率效应。随着CF-GO掺量的增大，CF-GOMC的动态力学性能指标及其应变率敏感性均先增大后减小。CF-GO的最佳掺量为0.3%。CF-GO通过阻裂、桥连、填充和促进水化的作用，从而提高动态冲击荷载下混凝土的力学性能，增强动态力学性能指标的应变率效应。
小结
该研究成功制备了CF-GO，该材料较碳纤维更利于与混凝土基体结合。将CF-GO引入混凝土中，并通过对混凝土进行动态冲击试验，验证了CF-GO可以显著提高混凝土的动态力学性能。此外，CF-GO为碳纤维和氧化石墨烯两种碳基材料的组合体，其在混凝土中不仅可以作为结构增强体，还可以作为功能增强体。因此，CF-GOMC在作为结构-功能-智能一体化材料应用方面具有广阔的前景。
原始文献：
Bai, E., Wang, Z., Du, Y., Ren, B., & Liu, C. (2024). Mechanical properties and strain rate effect of graphene oxide grafted carbon fiber modified concrete under dynamic impact load. Construction and Building Materials, 445, 137978.
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2024.137978
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