碳纤维具有高比强、高比弹模、密度小、耐化学腐蚀、导电导热性好、尺寸稳定性好等特点，是水泥基材料一种优异的改性体。以往研究发现：掺入短切碳纤维的水泥基复合材料不仅具有以往纤维水泥基材料所具有的抗拉强度、弯曲强度高，干缩小等一系列优异的力学性能，而且还具有普通水泥基材料和以往纤维水泥基材料所不具备的导电性、应力敏感特性、热电效应和电热效应、电磁屏蔽等功能性能。加之碳纤维水泥基材料施工工艺简单方便、成本低廉、应用形式灵活、耐久性好，故而在水泥混凝土制品领域有着广泛的应用前景。
自1982年日本首次采用碳纤维水泥基材料制作屋面板，以及后来1989年美国对碳纤维水泥基材料功能特性的开发研究以来，国内外对碳纤维水泥基材料的研究开发已有20多年的历史，但是由于碳纤维本身的微细、疏水等特点，它的分散问题，也就是短切纤维与基体的均匀化问题一直没有得到很好的解决。以往的碳纤维水泥基材料均匀化方法，比如：采用专用的搅拌机，加入硅粉、分散剂、高分子聚合物，纤维表面处理等方法主要是从提高纤维的分散入手。但从基体配合比角度来加强碳纤维水泥基材料均匀化的研究还很少报道。
基于此，本文通过正交设计研究了配合比中各因素对碳纤维水泥基材料工作性、力学性能和导电性的作用，同时还对两种不同分散剂的作用效果进行了比较，最后对各因素的作用机理进行了分析。
1 实验方法
1.1 原材料
本实验基体材料制作所用的原材料主要有42.5R普硅水泥、硅灰、长度为6mm的聚丙烯氰基碳纤维、减水剂、消泡剂和分散剂。分散剂有两种不同型号的甲基纤维素：MC20和MC35000。
1.2 制备方法及测试方法
碳纤维水泥石试块的制备采用先分散法，即将碳纤维置于减水剂、分散剂和消泡剂的水溶液中，通过砂浆搅拌机充分搅拌进行分散，分散工艺见图1；然后成型、埋入电极、振实、养护，28天后进行测试。
图1制备工艺流程图
电阻测试采用图2的四电极法。电阻率的计算根据公式(1)：
ρ＝VS/IL (1)
式中：ρ为试块电阻，S为试块面积，L为试块长度，V为测试电压，I为测试电流。设备主要有FLUKE45数字万用表、JWY－30F直流稳压电源和C65型电流计，强度试验采用万能压力试验机。扩展度应用跳桌测试。
图2电阻率四电极测试法
2 实验结果与分析
2.1 正交设计
采用L9(34)正交表安排试验，因素水平和试验安排见表1和表2。其中减水剂掺量固定为1.5%。
表1因素水平表
| 纳米种类 | 因素名称 | 分散剂掺量(A)/% | 消泡剂掺量(B)/% | 水胶比(C) |
| MC20 | 水平1 | 0.3(A1) | 0.02%(B1) | 0.30(C1) |
| 水平2 | 0.5(A2) | 0.05%(B2) | 0.35(C2) |
| 水平3 | 0.7(A3) | 0.08%(B3) | 0.40(C3) |
| MC35000 | 水平1 | 0.3(A1) | 0.02%(B1) | 0.40(C1) |
| 水平2 | 0.5(A2) | 0.05%(B2) | 0.45(C2) |
| 水平3 | 0.7(A3) | 0.08%(B3) | 0.55(C3) |
表2正交表
| 组别 | A | B | C |
| 1 | 1 | 1 | 1 |
| 2 | 1 | 2 | 2 |
| 3 | 1 | 3 | 3 |
| 4 | 2 | 1 | 2 |
| 5 | 2 | 2 | 3 |
| 6 | 2 | 3 | 1 |
| 7 | 3 | 1 | 3 |
| 8 | 3 | 2 | 1 |
| 9 | 3 | 3 | 2 |
2.2 正交分析
对正交试验结果进行处理，可得到效应曲线图3～5和极差表3。由效果曲线图3～5以及极差分析表3可知：
图3强度正交分析效应曲线
图4扩展度正交分析效应曲线[page]
图5电阻率正交分析效应曲线
表3正交分析效应表
| MC20 | MC35000 |
| 强度/MPa | 扩展度/cm | 电阻率/Ω.cm | 强度/MPa | 扩展度/cm | 电阻率/Ω.cm |
| A1 | 36.31 | 14.09 | 32.559 | 38.28 | 12.17 | 26523.4 |
| A2 | 35.12 | 12.24 | 19.105 | 36.33 | 11.44 | 2416.24 |
| A3 | 33.49 | 12.00 | 248.470 | 25.60 | 10.49 | 42488.6 |
| B1 | 34.06 | 12.32 | 233.051 | 30.92 | 10.40 | 38748.3 |
| B2 | 38.72 | 13.00 | 42.791 | 26.99 | 11.86 | 30000.0 |
| B3 | 32.13 | 13.56 | 24.292 | 32.30 | 11.84 | 2679.9 |
| C1 | 36.04 | 10.75 | 265.385 | 44.71 | 9.37 | 70477.7 |
| C2 | 35.87 | 13.91 | 23.255 | 30.04 | 11.18 | 908.22 |
| C3 | 33.00 | 14.22 | 11.493 | 25.46 | 13.55 | 42.33 |
表4极差分析表
| 极差 | MC20 | MC35000 |
| A | B | C | A | B | C |
| 扩展度/cm | 2.09 | 1.246 | 3.473 | 1.677 | 1.46 | 4.18 |
| 强度/MPa | 2.823 | 6.59 | 3.034 | 12.686 | 6.07 | 19.25 |
| 电阻率/Ω·cm | 229.36 | 208.75 | 253.89 | 40072.4 | 36068.4 | 70435.4 |
(1)水泥浆的扩展度随分散剂掺量增加而减小，随消泡剂掺量和水灰比增加而增大。
(2)试块的电阻率随分散剂掺量增加单调增加，随消泡剂掺量和水灰比增加而减小。
(3)试块的抗压强度随分散剂掺量增加而减小，随消泡剂掺量的增大先增大、后减小，随水灰比增加而减小。
(4)对于不同粘度分散剂的两组正交试验，因素与指标的变化趋势是一致的。
(5)对于MC20，三个因素对扩展度和电阻率的影响大小顺序相同：水灰比作用最大，其次是纤维分散剂的掺量，最小的是消泡剂掺量；但对强度的影响顺序不同：消泡剂作用最大，其次是水灰比，最小的是分散剂掺量。
(6)对于MC35000，三个因素对扩展度、抗压强度和电阻率的影响大小顺序相同：水灰比作用最大，其次是纤维分散剂的掺量，最小的是消泡剂掺量。
3 结论
(1)分散剂对纤维的分散是有效的，但会降低水泥石的抗压强度和水泥粒子的分散度，分散剂的掺量越多、粘度越大越明显，它只是提高整个碳纤维－水泥浆体系分散而获得优异导电性能的必要条件；
(2)消泡剂可以提高水泥浆的流动度以及水泥石的导电性和抗压强度，最为显著的是对压强度的改善作用；
(3)水灰比的增加对抗压强度是不利的，但可增强水泥粒子和碳纤维的分散，因而可以提高水泥浆的流动性和水泥石的导电性。
(4)对于多性能指标受多因素影响的碳纤维水泥基材料性能研究，正交试验法是一个有效方法。
作者：管洪海 曹庆波 孙仁杰 何琳
