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内蒙古公路与运输HighwaysTransportation in Inner Mongolia2023 年第 3 期Abstract:Carbon fiber cement-based materials with excellent mechanical properties and electromagnetic shielding propertieshave attracted much attention in the industry.In this paper,by preparing cement mortar with different carbon fiber content,the effectsof carbon fiber content,curing age and electromagnetic wave frequency on the mechanical and electromagnetic shielding properties ofmortar were systematically investigated.The results show that the 28 d cement mortar with 0.6%carbon fiber content has the best com-pressive and flexural strengths,which are 48.19 MPa and 7.7 MPa,respectively,which are 12.3%and 5.5%higher than those of con-trol group.The mortar electromagnetic shielding effectiveness shows a trend of increasing and then decreasing with the increase of fre-quency.The maximum shielding effectiveness of mortar with 0.6%carbon fiber content is 10.6 dB.Continue to increase the carbon fi-ber content,the peak position of shielding effectiveness moves to 18 GHz.The carbon fiber content increases from 0 to 0.6%,and theimaginary part of maximum dielectric constant of mortar increases from 0.5 to 32.6.The carbon fiber content continues to increase to1.0%,and the imaginary part of dielectric constant decreases from 32.6 to 24.9,a decrease of 23.6%.Key words：carbon fiber,cement mortar,mechanical property,electromagnetic shielding property文章编号：1005-0574-（2023）03-0024-04DOI:10.19332/ki.1005-0574.2023.03.006碳纤维对水泥砂浆力学性能和电磁屏蔽性能的影响李国锋，赵锡伟（山东恒建工程监理咨询有限公司，山东潍坊261061）摘要：具备优异力学性能和电磁屏蔽性能的碳纤维水泥基材料备受业内关注。文章通过制备不同碳纤维掺量的水泥砂浆，系统研究了碳纤维掺量、养护龄期及电磁波频率对砂浆力学性能和电磁屏蔽性能的影响。结果表明：0.6%碳纤维掺量的水泥28 d砂浆抗压和抗折强度最优，分别为48.19 MPa和7.7 MPa，高于对照组12.3%和5.5%。砂浆电磁屏蔽效能随频率增加呈现先增大后减小的趋势。0.6%碳纤维掺量砂浆屏蔽效能最大，为10.6 dB；继续增大碳纤维掺量，屏蔽效能峰值位点向18 GHz位点移动。碳纤维掺量从0增至0.6%，砂浆最大介电常数虚部从0.5增至32.6；碳纤维掺量继续增至1.0%，介电常数虚部从32.6降至24.9，降幅为23.6%。关键词：碳纤维；水泥砂浆；力学性能；电磁屏蔽性能中图分类号：TM533+.1文献标识码：A作者简介：李国锋（1968-），男，山东昌乐人，工程师，研究方向：土木工程。1引言碳纤维密度小，耐腐蚀、耐热和各向异性小，具有超高的力学性能和优异的导电及电磁屏蔽性能，因其高强度和高模量等优良力学性能被广泛用于水泥基材料中1，2。相关研究表明，碳纤维对水泥基材料的抗冲击性和韧性等多项力学性能具有明显改善作用3-5。在人类第四大污染源电磁污染的大背景下，电磁屏蔽材料的研发正备受关注6-8。为减少电磁辐射带来的各种危害，应赋予水泥基材料优异的电磁屏蔽性能。目前，研究人员发现石墨、铁氧体和钢纤维等均对水泥基材料的电磁屏蔽性能起到了明显的改善作用9-11，而碳纤维对水泥基材料电磁屏蔽性能的相关研究较少。因此，研究碳纤维水泥基材料的力学性能和电磁屏蔽性能是十分必要的。本研究拟在水泥砂浆中掺加不同掺量的碳纤维，通过力学性能和反射率测试对掺加不同掺量碳纤维水泥砂浆的抗压、抗折强度和电磁屏蔽效能及介电常数进行分析，研究碳纤维掺量对水泥砂浆力学性能和电磁屏蔽性能的影响。2原材料2.1水泥采用P O 42.5级水泥，密度为3.140 g/cm3，其技术指标见表1，所检测指标符合水泥强度等级要求。24总第195期2.2碳纤维选用碳纤维的长度为5 mm，直径为7 m，具体技术参数见表2。2.3分散剂采用羧甲基纤维素钠颗粒作为碳纤维分散剂。2.4砂子和水试验用砂为标准砂，水为自来水。3试验设计及方法3.1试验设计砂浆的配合比见表3，碳纤维掺量（质量百分比）为水泥用量的0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%，碳纤维与分散剂的比例为1 5，胶砂比为1 3，水灰比为0.6。3.2试验方法基于湿分散方法，将分散剂在所需水灰比的水中溶解，再加入所需碳纤维并超声分散30 min待用。将水泥和已在所需水中分散均匀的含碳纤维溶液在搅拌机中进行搅拌；先慢速搅拌 60 s，然后加入标准砂，慢速搅拌120 s再高速搅拌60 s。将新鲜浆体分别倒入25 mm12 mm3 mm，40 mm40 mm160 mm和180 mm180 mm30 mm的试模中，放置标准养护箱养护至24 h后脱模，养护至规定龄期测试（图1）。力学性能依据 水泥胶砂强度检验方法（ISO法）（GB/T 176711999）进行。基于 电磁室屏蔽室屏蔽效能的测试方法（GB/T121902006），对养护至28d干燥试样（180mm180mm30 mm）进行电磁反射率测试。另外，采用网络分析仪对试样（25 mm12 mm3 mm）的介电常数虚部进行测试。4力学性能4.1抗压强度不同碳纤维掺量下水泥砂浆的抗压强度如图2所示。随碳纤维掺量增加，试样各龄期抗压强度呈现出先增大后减小的趋势。当碳纤维掺量从 0.2%增至0.6%时，抗压强度逐渐增大。0.6%碳纤维掺量下试样28 d抗压强度达到峰值，为48.19 MPa，相比对照组提高12.3%。这是因为碳纤维在水泥基体中能够发挥桥接作用，提高水化产物间的粘结力，从而抗压强度得到改善。但继续增大碳纤维掺量，强度大幅降低。0.8%碳纤维掺量下，试样28 d强度最小为38.75 MPa，低于对照组10.7%。这是因为碳纤维表面疏水，在拌和过程中高掺量碳纤维易分散不均导致团聚，从而受压时基体薄弱界面易被破坏。另外，随着养护龄期的增加，砂浆抗压强度逐渐增大；与养护3 d和7 d砂浆相比，养护28 d的0.6%碳纤维掺量砂浆抗压强度分别提高137.9%和61.7%。这是因为养护龄期增加，水泥砂浆中水化产物增加且不断填充内部孔隙，砂浆致密性得到改善，从而抗压强度增大。表1水泥技术指标技术指标水泥抗折强度（MPa）3 d4.428 d7.3抗压强度（MPa）3 d17.328 d42.88凝结时间（min）初凝118终凝420标准稠度用水量（%）28.9安定性合格表2碳纤维的物理和力学性能名称结果单丝数(根/束)3000拉伸模量(GPa)175拉伸强度(GPa)1.95伸长率(%)1.2线电阻(/m)210单丝直径(m)70.2密度(g/cm3)1.75线密度（g/m）0.17表3砂浆配合比设计组别对照组ABCDE水泥(g)450碳纤维(g)00.91.82.73.64.5分散剂(g)00.180.360.540.720.90标准砂(g)1350水(g)270图1已制备成型的试样图2不同碳纤维掺量下水泥砂浆的抗压强度李国锋等：碳纤维对水泥砂浆力学性能和电磁屏蔽性能的影响6050403020100抗压强度（MPa）00.20.40.60.81.0碳纤维掺量（%）3d7d28d25内蒙古公路与运输HighwaysTransportation in Inner Mongolia2023 年第 3 期4.2抗折强度图3为不同碳纤维掺量下水泥砂浆的抗折强度。可以看出，各龄期下碳纤维掺量对水泥砂浆抗折强度的影响规律与抗压强度规律一致。各龄期下，0.6%碳纤维掺量时砂浆抗折强度最高；其中，28 d抗折强度为7.7 MPa，高于对照组5.5%；1.0%碳纤维掺量砂浆抗折强度最低，28 d 抗折强度为 6.7 MPa，低于对照组8.9%。与养护3 d和7 d砂浆相比，养护28 d的0.6%碳纤维掺量砂浆抗折强度分别提高53.0%和25.4%。掺加适量（00.6%）的碳纤维易在砂浆内部形成三维乱向的支撑网12，同时又由于碳纤维与水化产物具有一定的粘结力，因此在塑性变形时纤维可承受部分拉应力，从而阻止砂浆早期裂缝的生成及发展。另外，因碳纤维团聚的消极作用，碳纤维掺量高于0.6%时，砂浆抗折强度下降明显。28 d时，掺加1.0%碳纤维砂浆抗折强度最低，为6.7 MPa，低于对照组8.2%。上述力学性能结果表明，碳纤维掺量为0.6%时，水泥砂浆的力学性能最优，且碳纤维掺量高于0.6%时将不利于砂浆力学性能改善。5电磁屏蔽性能5.1屏蔽效能不同碳纤维掺量下水泥砂浆的屏蔽效能如图4所示，其中图（a）（f）碳纤维掺量依次为0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%。从图（a）（c）可以看出，对照组砂浆在电磁频率2 GHz18 GHz范围内的电磁屏蔽效能表现出递增趋势，且在16 GHz附近的屏蔽效能最高为13.8 dB。碳纤维掺入量为0.2%和0.4%时，砂浆屏蔽性能随频率增加总体呈现先增大后减少的趋势；且0.2%和0.4%掺量试样在5 GHz附近表现出最大屏蔽效能，分别为7.6 dB和9.7 dB。由图（d）（f）可以看出，碳纤维掺量从0.6%增至1.0%，砂浆屏蔽峰值位点向18 GHz位点移动，其屏蔽效能从10.6 dB降至7.2 dB。上述结果表明，随碳纤维掺量的增加，砂浆屏蔽效能先增大后降低，且在0.6%碳纤维掺量时表现出电磁吸收最大化。0.2%0.6%掺量范围内屏蔽效能增加，这是因为此掺量范围有利于砂浆内部密集导电网络的形成，从而电磁波反射损耗次数增多，因此电磁屏蔽性能改善；电磁频率增加且碳纤维掺量超过0.6%时，砂浆内部可能产生趋肤效应，即砂浆外表薄层存在磁场消耗而内部几乎无磁场消耗，这导致电磁和介电损耗减少，从而使屏蔽效能降低，另外高碳纤维掺量在砂浆中的不均匀分散也会导致屏蔽效能变差。5.2介电常数介电常数虚部可反映材料中的介电损耗，图5为不同碳纤维掺量下砂浆的介电常数虚部结果，其中图（a）（f）碳纤维掺量依次为0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%。与屏蔽效能结果类似，砂浆介电常数虚部随碳纤维掺量增加呈先增大后降低趋势。由图（a）（d）可以看出，在8.2 GHz 12.4 GHz频率范围内，碳纤维掺量从 0 增至 0.6%，砂浆最大介电常数虚部从 0.5 增至32.6，说明此掺量范围下砂浆对电磁波吸收作用逐渐增强。碳纤维掺量从0.6%增至1.0%，砂浆最大介电常数虚部从32.6降至24.9，降幅为23.6%。综上所述，碳纤维掺量为0.6%时为一个渗滤阈值13，水泥砂浆的电磁屏蔽性能最优。随碳纤维掺量增至0.6%，砂浆内部介电网络逐渐形成，电磁屏蔽性能得到改善；继续增大碳纤维掺量，因碳纤维在拌和过程中易分布不均和聚集成团，导致砂浆吸收电磁波能力降低。图3不同碳纤维掺量下水泥砂浆的抗折强度图4不同碳纤维掺量下水泥砂浆的屏蔽效能8.07.57.06.56.05.55.04.54.0抗折强度（MPa）00.20.40.60.81碳纤维掺量（%）3d7d28d26总第195期6结语碳纤维掺量增至0.6%时，水化产物间的粘结力得到改善，砂浆抗压、抗折强度逐渐增大。但继续增大碳纤维掺量，会因碳纤维分散不均和团聚问题导致砂浆力学强度降低。水泥砂浆中碳纤维掺量低于0.6%时，砂浆内部密集导电网络形成，电磁波反射损耗次数和吸波能力增加，电磁屏蔽性能得以改善。但碳纤维掺量大于0.6%时，会因碳纤维分散不均导致电磁和介电损耗减少，从而屏蔽性能下降。碳纤维水泥砂浆的力学和电磁屏蔽性能随碳纤维掺量增加呈现出先增大后减小的趋势。当碳纤维掺量为0.6%时，砂浆力学性能和电磁屏蔽性能最优。参考文献1闫孝伟.碳纤维增强水泥基复合材料的制备与性能研究J.铁道建筑技术，2022（12）：26-29+169.2王志航，许金余，张彤，等.碳纤维改性聚合物水泥复合填缝材料拉伸力学性能研究J.化工新型材料，2021，49（12）：218-222.3黄嘉星，万菲，闫培会，等.碳纤维水泥基复合材料的研究进展J.中国建材科技，2020，29（5）：64-66.4程健强，王文广，韩杰.碳纤维增强水泥基复合材料的力学性能研究进展J.辽宁石油化工大学学报，2021，41（3）：34-42.5金春福，阎石，张世洋.分散剂对碳纤维水泥砂浆力学性能及压敏性的影响研究J.混凝土与水泥制品，2022（03）：66-70.6席翔，储洪强，冉千平，等.通用硅酸盐水泥基材料低频介电性能的研究进展J.硅酸盐学报，2023（08）：1-16.7刘卫森，郭英健，胡捷，等.碳纤维-碱激发砂浆自感知性能J.硅酸盐学报，2021，49（7）：1510-1518.8韩瑞杰，程忠庆，陆颖健.建筑用电磁屏蔽材料研究进展J.建材世界，2018，39（6）：29-32+38.9田红.电磁屏蔽水泥基复合材料的研究进展J.建材技术与应用，2018（05）：11-12+16.10刘思楠.碳纤维铁氧体水泥基复合材料吸波性能研究D.昆明：云南大学，2021.11徐青，汪卫东，周双喜，等.铁氧体、石墨及钢纤维水泥复合砂浆电磁屏蔽性能的实验研究J.硅酸盐通报，2013，32（1）：89-93.12李紫轩，李地红，卞立波，等.短切芳纶纤维掺量对水泥基复合材料强度和孔结构的影响J.材料导报，2021，35（2）：638-641.13刘顺华，刘军民，董星龙，等.电磁波屏蔽及吸波材料M.北京：化学工业出版社，2007.收稿日期：2023-05-30图5不同碳纤维掺量下水泥砂浆的介电常数虚部18Yichang（James）Tsai，Yiching Wu，Chengbo Ai，et al.Critical Assessmentof Measuring Concrete Joint Faulting Using 3D Continuous Pavement ProfileDataJ.Journal of Transportation Engineering，2012，138（11）：1291-1296.19Qingguang Li，Ming Yao，Xun Yao，et al.A real-time 3D scanning systemfor pavement distortion inspectionJ.Measurement Science and Technology，2010，21（1）：015702.20惠冰，郭牧，刘晓芳.三维激光数据密度对路面构造深度检测的影响J.华南理工大学学报（自然科学版），2018，46（11）：142-149+156.21Pingbo Tang，Daniel Huber，Burcu Akinci.Characterization of Laser Scan-ners and Algorithms for Detecting Flatness Defects on Concrete SurfacesJ.Journal of Computing in Civil Engineering，2011，25（1）：31-42.22Giordano Teza，Antonio Galgaro，Francesca Moro.Contactless recognitionof concrete surface damage from laser scanning and curvature computationJ.NDT and E International，2008，42（4）：240-249.23Yi-Chang James Tsai，Feng Li.Critical Assessment of Detecting AsphaltPavement Cracks under Different Lighting and Low Intensity Contrast Cond-itions Using Emerging 3D Laser TechnologyJ.Journal of 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