铁粉掺量对碳纤维砂浆性能的影响研究

铁粉掺量对碳纤维砂浆性能的影响研究

宋良芬，王凡，王锋，杨培

（安徽弘昌新材料股份有限公司，安徽 淮北，235100）

摘要：本研究旨在研制一种具有特殊电磁性能的混凝土材料，并探究铁粉和碳纤维丝掺量对混凝土材料凝结时间、扩展度、力学性能和电阻率的影响。研究结果表明，碳纤维丝掺入水泥砂浆具有推迟凝结、缩小扩展度和降低强度的特性，但可以提升一定导电性能。在碳纤维丝砂浆中加入铁粉能够加速凝结和增加强度，并能够进一步提高砂浆的导电性能。1%的铁粉掺量是最优掺量，其能够提高碳纤维丝砂浆29.5%的抗压强度，并减少砂浆45.7%的电阻率。

关键词：水泥砂浆；碳纤维丝；铁粉；力学性能；导电性能

1 引言

随着电磁波污染和电磁辐射对人体健康和环境的影响越来越引起人们的关注，对电磁波防护材料的研究和应用越来越受到重视。电磁混凝土作为一种具有特殊电磁性能的混凝土材料，其电导率和磁导率较高，可以有效地吸收和反射电磁波[1, 2]。因此，电磁混凝土在电磁波防护、通信设备、气象雷达、智能材料等领域具有广泛的应用前景。

碳纤维混凝土是一种新型复合材料，具有良好的力学性能和导电性能，因此在许多领域得到了广泛的应用[3]。然而，随着人们对砂浆材料性能要求的不断提高，如何提高碳纤维砂浆的导电性能已经成为当前研究的热点之一。在研究过程中，有学者发现通过掺入一定量的金属颗粒可以显著提高砂浆的导电性能[4]，进而实现其更广泛的应用。其中，铁粉作为一种廉价的导电颗粒，具有良好的导电性能和化学稳定性，在混凝土材料中的应用备受关注。

本文旨在探究铁粉掺量对碳纤维砂浆性能的影响，并通过实验研究得出其变化规律。并运用多种实验方法和理论分析手段，系统地研究混凝土的电磁性能和力学性能，分析其影响规律。本研究的结果对于优化碳纤维砂浆的导电性能和实现其更广泛的应用具有一定的参考意义。

2 实验材料及方法

2.1 实验材料

水泥采用安徽海螺水泥有限公司生产的42.5级硅酸盐水泥，比表面积为1.652 (m2/g)化学成分见表1。碳纤维丝由安徽宏昌新材料有限公司提供，粒径为150μm。100目铁粉购于清河县安迪金属材料有限公司。砂为普通河砂，细度模数为2.36。水为普通自来水。

表1 水泥的化学成分 / %

2.2 配合比设计

使用硅酸盐水泥作为胶凝材料，以普通河砂作为细骨料，掺入碳纤维丝与铁粉，制备出具备特殊电磁性能的混凝土材料。以固定水灰比0.45，砂率为50%，碳纤维丝的掺入比例为水泥质量的0和1%，铁粉的掺入比例为相对水泥质量的0~2%。具体配合比见表2。

表2 配合比设计(g/100g)

2.3 试验方法

采用行星式砂浆搅拌机对实验材料进行拌和，先将硅酸盐水泥、砂、碳纤维丝以及铁粉进行干拌3min，然后加入水继续拌和3min，制作了50 mm×50 mm×50 mm立方体试块，并置于23℃，RH>95%标准环境下进行养护，分别测试3d, 7d和28d抗压强度；测试了净浆的凝结时间。并测试了砂浆的扩展度和不同龄期的电阻率。

3 实验结果与讨论

3.1 凝结时间

图1给出了各组净浆凝结时间。从图1可以发现，碳纤维丝掺入后，水泥净浆的凝结时间增加，提升幅度约为20%。这是因为碳纤维丝会吸附浆体中的硅酸盐和铝酸盐[5]，延长了孔隙溶液的饱和时间，进而抑制了浆体的凝结。在碳纤维丝的基础上引入铁粉，水泥净浆的凝结时间出现了随着铁粉掺量的增加而减少的现象，初凝时间与终凝时间分别缩短9.3-25.1%和6.7-23.5%。铁粉中的金属铁可以作为一种催化剂促进水泥水化[6]，从而加速浆体凝结。

图1 水泥净浆的凝结时间

3.2 扩展度

图2 水泥砂浆的扩展度

图2给出了各组砂浆的扩展度。可以发现，碳纤维丝掺入后，水泥浆体的扩展度从246mm降至208mm。这是因为碳纤维丝具有较高的拉伸强度与模量，可以在水泥砂浆中形成一种网络结构，增加砂浆的黏着力，使其难以流动变形[6]。铁粉掺量在1 %以下时，浆体的扩展度随着铁粉的掺入而增加，最高达到250mm。而当铁粉掺量达到2%，浆体扩展度降至220mm。这可能是因为铁粉粒径较小，能够增加其与砂浆中其他颗粒的接触面积，从而进一步提高了砂浆的流动性。但铁粉本身具备一定的黏性，当其掺量过大时会使砂浆更为粘稠，造成浆体流动度降低。

3.2 抗压强度

图3 水泥砂浆的抗压强度

由于纤维的加入可能会导致混凝土出现图3给出了各组砂浆不同龄期的抗压强度。从图中可以发现，掺入1%的碳纤维丝后砂浆各龄期的抗压强度均出现下降，降低幅度为13.7-17.1%。这是因为碳纤维丝比水泥颗粒更长且更细，容易发生团聚

[7]，使得纤维在浆体中分布不均匀，导致应力不集中，造成强度降低。

掺入铁粉的砂浆各龄期均要高于碳纤维砂浆，这说明铁粉的掺入能够促进碳纤维砂浆的力学性能发展。这种促进力学发展的能力随着龄期的增长强度提升幅度越发明显。在28天，含铁粉砂浆强度较NM增加了18-29.5%。这是因为铁粉是一种具有良好机械性能的材料，具备很高的抗压强度与耐磨性。因此，铁粉本身的强度可以为砂浆提供增强作用。更重要的是，铁粉颗粒还能够为水泥水化提供结合位点，促进水泥水化产物的形成，从而增加水泥砂浆的强度。当铁粉掺量达到2%时(T4CM)，砂浆的抗压强度降低。这可能是因为过量的铁粉会影响水泥砂浆的流动性和可塑性[8]，导致砂浆难以塑性成形，从而降低了水泥砂浆的强度。

3.3 电阻率

图4 水泥砂浆的电阻率

为了研究碳纤维丝与铁粉的掺入对水泥砂浆电磁性能的影响，对不同龄期的砂浆进行了电阻率测试，如图4所示。从图中可以发现，碳纤维砂浆的电阻率在各龄期均要低于普通砂浆，降低幅度为5.6-15.3%。这是因为碳纤维丝具有一定的导电性能，当电流通过水泥砂浆时，碳纤维丝能够作为导电通路，使得电阻率降低。在碳纤维丝砂浆中加入铁粉后，各龄期的电导率均随着铁粉掺量增加进一步降低。这是因为铁粉的加入可以增强砂浆的导电性，进而降低电阻率。同时，随着铁粉掺量的增加，其在砂浆中所占比例也逐渐增加，砂浆中导电颗粒的总数增加，因此电阻率随之降低。需要注意的是，随着铁粉掺量的增加，其对电阻率的影响逐渐减小，因此在实际应用中根据需要进行适当控制。

4 结论

本文研制了一种具有特殊电磁性能的混凝土材料，通过改变铁粉以及碳纤维丝掺量研究了其对混凝土材料凝结时间、扩展度、力学性能和电阻率的影响，得出以下结论：

1）碳纤维丝掺入水泥砂浆具有推迟凝结、缩小扩展度和降低强度的特性，但可以提升其导电性能。

2） 在碳纤维丝砂浆中加入铁粉能够加速凝结和增加强度，并能够进一步提高砂浆的导电性能。

3）1%的铁粉掺量最优，其能够提高碳纤维丝砂浆29.5%的抗压强度，并减少砂浆45.7%的电阻率。

参考文献

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[2]朱毓豪, 任俊儒, 杨朝山, et al. 掺加碳纤维的Fe_2O_3功能集料电磁防护混凝土 [J]. 合成纤维, 2022, 51(04): 50-7.

[3]唐颢凌, 李小平. 浅谈常见纤维混凝土的性能与应用 [J]. 四川水泥, 2023, (04): 20-2.

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[6]张广兴. 铁粉对水泥砂浆的强度及其微观结构的影响 [J]. 国防交通工程与技术, 2021, 19(03): 27-31+13.

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[8]焦隽隽. 不同还原铁粉掺量下混凝土的电磁屏蔽和吸波特性 [J]. 中国科技论文, 2020, 15(08): 895-9+920.