J. Build. Eng. ：碳纤维与氧化石墨烯接枝碳纤维改性混凝土动态力学性能对比

题目

Comparison of dynamic mechanical properties of carbon fiber and graphene oxide grafted carbon fiber modified concrete

碳纤维与氧化石墨烯接枝碳纤维改性混凝土动态力学性能对比

关键词

混凝土；碳纤维；氧化石墨烯；接枝；动态力学性能

来源

出版年份：2024

来源：Journal of Building Engineering

第一作者：空军工程大学航空工程学院王志航

通讯作者：空军工程大学航空工程学院白二雷副教授

研究背景

碳纤维（CF）因其高比强度、高比模量、耐热性和耐腐蚀性等优异特性而常作为增强材料用于改善混凝土性能。然而，CF表面光滑且几乎不存在活性官能团，整体表现为化学惰性。这导致CF作为增强材料时与混凝土基体结合不良，使得CF/混凝土基体界面性能较差，从而影响CF增强效果。氧化石墨烯（GO）同样作为增强材料广泛用于混凝土材料领域，促进混凝土材料向高性能、多功能方向发展。然而，GO因其高比表面积和高表面能，在混凝土基体中会发生团聚，难以均匀分散。

为解决上述问题，学者们提出了跨尺度增强体概念，即通过结构设计和优化不同维度、不同尺度增强相制备跨尺度增强体。GO是二维片状纳米材料，CF是一维微米级纤维。因此，在CF表面引入GO制备GO接枝CF（CF-GO）跨尺度增强体，可同时实现改善CF表面性能和解决GO团聚问题的目标。目前，CF-GO因其优异性能和独特结构而受到广泛关注。相较于CF相，CF-GO具有更好的力学、电磁性能以及更优异的基体兼容性。

研究出发点

关于CF-GO研究多集中在聚合物和树脂基材料领域，对于其在混凝土中应用研究仍处于起步阶段。此外，混凝土建筑在动态荷载下力学响应相较于静荷载显著不同。然而，CF-GO对混凝土动态力学性能影响尚未明晰。

研究内容

本文揭示了CF-GO对混凝土动态力学性能影响规律及改性机理。具体为：采用“grafting to”化学接枝法成功制备CF-GO，对比研究了CF和CF-GO的物理力学性能及分散效果；制备碳纤维改性混凝土（CFMC）和CF-GO改性混凝土（CF-GOMC），对比研究CFMC与CF-GOMC动态力学性能；通过扫描电子显微镜-能谱（SEM-EDS）和X射线衍射（XRD）测试分析二者的纤维/基体界面差异。

总结

本文证实了在碳纤维（CF）表面接枝氧化石墨烯（GO）可改善CF/混凝土基体界面性能并提高混凝土动态力学性能。主要结论如下：

（1）GO通过化学键成功接枝在碳纤维表面，成功制备出GO接枝CF（CF-GO）。相较于CF，CF-GO表面粗糙度、表面积、拉伸强度和界面剪切强度均有所提高。CF-GO的物理力学性能相较于CF有所增强，CF-GO在混凝土基体中分散效果优于CF。

（2）随着CF掺量增加，CF改性混凝土（CFMC）与CF-GO改性混凝土（CF-GOMC）动态力学性能及应变率效应均先提升后降低。当CF掺量分别为0.2%和0.3%时，CFMC和CF-GOMC动态力学性能最佳，应变率效应最强。

（3）当CF掺量相同时，CF-GOMC动态力学性能相较于CFMC更佳，应变率效应相较于CFMC更强。CF-GO对混凝土的强韧化效应优于CF。

（4）CF/混凝土基体界面具有较大孔隙率，而CF-GO/混凝土基体界面结合良好。CF-GO表面的GO发挥“膨胀螺栓”效应，吸引水化产物晶体沉积并调节水化产物晶体结构，从而增强CF-GO/混凝土基体界面结合。

文献链接：https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.109989