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摘要：在綜合国内外大量研究资料的基础上，介绍了碳纤维水泥基复合材料（CFRC）主要性能的研究现状，总结了影响CFRC的导电性能的因素及导电机理，为CFRC的研究提供相关依据。
关键词：碳纤维；水泥基复合材料；导电机理；研究现状
1概述
自20世纪以来，水泥基材料开始成为现代建筑胶凝材料的主角。随着社会的发展和土木工程技术日渐成熟，人们对水泥基材料的期望又不仅仅是作为一种胶凝材料或结构材料，而是通过与其它材料的复合，实现其功能的多样化和智能化。碳纤维水泥基复合材料（Carbon Fiber Reinforced Cement-based Composites，CFRC）便是其中的杰出代表之一。CFRC主要是以水泥基材料为基体，以碳纤维为主要导电材料，纳米碳纤维、钢纤维、石墨、炭黑、碳纳米管、氧化石墨烯等导电纤维或导电粉末为辅助导电介质，再加入水和外加剂混合拌制而成。CFRC材料不仅具有导电性能，还有电磁屏蔽功能、压敏性能、Seebeck效应、热电效应，并能增强水泥基材料的韧性，是一种多功能机敏材料。CFRC材料多功能的实现，正是在于其相对与普通混凝土拥有较高的导电性能。
2影响导电性能的主要因素
CFRC是一个复杂的多相体系，而影响这个多相体系导电性的因素也很多，总的来说包括直接因素和间接因素两个方面。直接因素：包括水泥基的微观结构；碳纤维的电阻率大小、掺量、长短和分散情况；试件的含水量和龄期以及水灰比、砂率等都会影响到CFRC的导电性能。间接因素：如碳纤维的表面处理、分散剂的使用、CFRC的制作工艺等也会引起CFRC导电性能的变化。
Bing Chen等用交流二级法系统的研究了碳纤维掺量（ω）、砂率（R）、纤维长度（L）、水化时间（T）和相对湿度（H）对CFRC导电性能（σ）的影响。试验发现σ随ω的增加存在“渗流”现象，“渗流阀”值为0.4%；盯随L值的增大和R的减少而增强，“渗流阀”值逐渐减少，变得不明显。此外，ω大于1.0%时，T对σ的影响不明显。钱觉时等试验发现，聚羧酸减水剂PC对不同碳纤维的分散性能明显优于甲基纤维素，且碳纤维较长时，PC的优势更为明显，但PC掺量过高时，会使CFRC内部引入气泡，降低其导电性能和力学性能。韩宝国等试验发现，采用超声分散或超声分散附加少量硅灰的方式均能提高CFRC的導电性能，也即碳纤维在水泥基中的分散性。此外，海然等指出将碳纤维在80℃的水中预分散也可有效增强碳纤维在CFRC中的分散性。
3导电机理
现有的CFRC的导电机理都是从有机复合材料导电理论发展而来的，主要包括宏观的导电通路理论和微观的隧道效应理论。自从1998年M.Sun等证明CFRC中也存在空穴导电效应后，关于CFRC的导电机理开始建立起完善的理论起来。即CFRC中除了离子导电和纤维搭接导电外，还存在靠电子跃迁产生的空穴导电（即隧道导电）来形成导电网络。往后在CFRC导电性能的实验中，很多研究者也证明了CFRC中存在隧道效应导电。因此，CFRC公认的导电机理为：随外界条件和纤维掺量等的变化，电子导电、离子导电和隧道效应导电这三种导电方式在CFRC中互相竞争，最后体现在其宏观的导电性能上。
4碳纤维水泥基主要性能研究现状
4.1压阻效应
压阻效应是引起众多研究者对CFRC进行研究的重要原因，这是因为人们发现CFRC的压阻效应可应用于结构健康监测。所谓压阻效应指的是CFRC在受到压力作用后，沿压力方向的电阻率会发生变化，并呈一定的规律性。
Chung DDL教授等最早对CFRC的电阻率在拉、压、弯等工况，单向、和循环加载作用下的响应规律进行了较多研究，指出了CFRC可应用于结构应力和损伤监测。Sun MQ等研究了试件尺寸和加载速率对受压的CFRC的影响，发现试件越大，敏感性越好，而加载速率并不影响其电阻率的响应情况；循环加载作用下CFRC的电阻率对外加荷载具有极好的反馈效应，具有良好的压阻性能。郑立霞等试验发现，同单向受压时相比，试样三向受压时可逆自感知阶段和平衡阶段相对较长，且三向受压时试样压阻的应变灵敏系数线性要好。陈兵、姚武等实验证明，CFRC可以作为结构内部损伤检测的一种材料。韩宝国等采用适当的合成工艺，制备成了压阻性能稳定的CFRC传感器（PCSS），并证明了PCSS可用于结构健康监测。汕头大学的王玉林等发现了CFRC具有正、负压敏性：含水量较高时，CFRC呈现正压阻特性；含水量较少时，CFRC呈现出负相关压阻特性。因此CFRC的压阻性能受试件尺寸，试验方法和含水量等较多因素影响。
4.2热电效应
孙清明等在1998年最早发现CFRC具有热电效应，即CFRC试件两端具有适当的温度差At，则在试件两头会产生电动势E，也称seebeck效应，并指出碳纤维掺量大小是影响CFRC的seebeck效应主要原因。Shihai Wen等的研究表明，普通的水泥基材料也具有相同效应，但是由于CFRC存在碳纤维的原因，使得E随Δt的增加和减少的关系曲线呈线性，并变得可逆。Madronero A等的最新研究发现，蒸汽生成的碳纤维制成的CFRC试件，其seebeck效应变化与其氢气的吸收量有关，因此可以用seebeck效应来反应这种CFRC试件吸收氢气的大小，并且将来有可能用来测量工厂中氢气的含量。Haiyong等研究了同时掺有含有10%～30%质量百分比的石墨和碳纤维的CFRC的seeback效应，结果表明石墨的加入有利于增强CFRC的seeback效应。左俊卿]等发现在CFRC中掺入同时加入碳纤维和碳纳米管能有效增强CFRC的seeback效应，并能改善E与Δt的曲线可逆性。
4.3电磁屏蔽效应
电磁屏蔽（Electromagnetic Interference）是为了阻碍电磁波穿过屏蔽材料继续传播的过程。电磁波传输到障碍体上时，一般被3种方式所阻碍而减弱：入射表面的反射减弱、被材料吸收、在材料内部多次反射而衰减。普通混凝土对具有一定的电磁屏蔽效应，但基本由自身的反射和吸收来屏蔽，屏蔽性能较差。Wangchuang等研究显示：1100℃高温处理后的碳纤维制成的CFRC材料电磁屏蔽性能也提高很多。Guoxuan X等实验表明，在体积掺量相同的情况下，含碳纤维CFRC的电磁屏蔽性能相对石墨、CNTs、炭黑等最好。杨玉山等研究了同时掺有石墨和碳纤维的CFRC的电磁屏蔽性能，结果发现在30～200MHz低频率间，屏蔽效果较好，在200MHz～1.SGHz高频间，电磁屏蔽效果较差。
4.4用作阴极保护的辅助阳极
混凝土阴极保护是目前制止钢筋腐蚀最有效的方法之一。辅助阳极作为外加电流阴极保护系统中的一部分具有重要意义，它具有使得钢筋表面形成均匀的保护电流，避免因电流集中导致的钢筋处于过保护状态。DDL最早证明CFRC可作为阴极保护的辅助阳极。国内姚武等研究发现，碳纤维水泥砂浆的碳纤维0.5%～0.7%的掺量范围内作为阴极保护的辅助阳极性能最好。左俊卿等应用腐蚀电位、腐蚀电流和交流阻抗谱研究了CFRC铺覆层作为辅助阳极对混凝土中钢筋阴极保护效果。试验表明，CFRC覆盖层作为阳极能有效地保护钢筋，与只含有碳纤维的CFRC相比，采用同时含有碳纳米管、碳纤维的CFRC作为辅助阳，阴极保护效果更好。
5结语
综上所述，CFRC在合成、导电机理、机敏性能、磁屏蔽性能研究和利用压阻性能作为结构健康监测传感器、阴极保护的阳极应用等方面有了一定的进展；但在新型CFRC的开发、导电机理研究及应用上，仍存在诸多问题，主要包括以下几个方面。
（1）目前，提高CFRC的导电性能的方式局限于导电介质。很少有研究者基于不同胶凝材料的特性来对CFRC进行改性，CFRC常用的基体材料一直为硅酸盐水泥混凝土。
（2）CFRC的导电机理仍需深入研究。随目前已对CFRC的导电机理已形成一定公认的理论，但含有多种导电填料的CFRC导电机理及水对其导电性能的影响仍需深入研究。
（3）CFRC材料虽被证明可应用于结构应力和损伤监测，但其压阻性能受较多因素影响，因此进一步开发压阻性能稳定的CFRC应用于工程实践具有重要意义。
关键词：碳纤维；水泥基复合材料；导电机理；研究现状
1概述
自20世纪以来，水泥基材料开始成为现代建筑胶凝材料的主角。随着社会的发展和土木工程技术日渐成熟，人们对水泥基材料的期望又不仅仅是作为一种胶凝材料或结构材料，而是通过与其它材料的复合，实现其功能的多样化和智能化。碳纤维水泥基复合材料（Carbon Fiber Reinforced Cement-based Composites，CFRC）便是其中的杰出代表之一。CFRC主要是以水泥基材料为基体，以碳纤维为主要导电材料，纳米碳纤维、钢纤维、石墨、炭黑、碳纳米管、氧化石墨烯等导电纤维或导电粉末为辅助导电介质，再加入水和外加剂混合拌制而成。CFRC材料不仅具有导电性能，还有电磁屏蔽功能、压敏性能、Seebeck效应、热电效应，并能增强水泥基材料的韧性，是一种多功能机敏材料。CFRC材料多功能的实现，正是在于其相对与普通混凝土拥有较高的导电性能。
2影响导电性能的主要因素
CFRC是一个复杂的多相体系，而影响这个多相体系导电性的因素也很多，总的来说包括直接因素和间接因素两个方面。直接因素：包括水泥基的微观结构；碳纤维的电阻率大小、掺量、长短和分散情况；试件的含水量和龄期以及水灰比、砂率等都会影响到CFRC的导电性能。间接因素：如碳纤维的表面处理、分散剂的使用、CFRC的制作工艺等也会引起CFRC导电性能的变化。
Bing Chen等用交流二级法系统的研究了碳纤维掺量（ω）、砂率（R）、纤维长度（L）、水化时间（T）和相对湿度（H）对CFRC导电性能（σ）的影响。试验发现σ随ω的增加存在“渗流”现象，“渗流阀”值为0.4%；盯随L值的增大和R的减少而增强，“渗流阀”值逐渐减少，变得不明显。此外，ω大于1.0%时，T对σ的影响不明显。钱觉时等试验发现，聚羧酸减水剂PC对不同碳纤维的分散性能明显优于甲基纤维素，且碳纤维较长时，PC的优势更为明显，但PC掺量过高时，会使CFRC内部引入气泡，降低其导电性能和力学性能。韩宝国等试验发现，采用超声分散或超声分散附加少量硅灰的方式均能提高CFRC的導电性能，也即碳纤维在水泥基中的分散性。此外，海然等指出将碳纤维在80℃的水中预分散也可有效增强碳纤维在CFRC中的分散性。
3导电机理
现有的CFRC的导电机理都是从有机复合材料导电理论发展而来的，主要包括宏观的导电通路理论和微观的隧道效应理论。自从1998年M.Sun等证明CFRC中也存在空穴导电效应后，关于CFRC的导电机理开始建立起完善的理论起来。即CFRC中除了离子导电和纤维搭接导电外，还存在靠电子跃迁产生的空穴导电（即隧道导电）来形成导电网络。往后在CFRC导电性能的实验中，很多研究者也证明了CFRC中存在隧道效应导电。因此，CFRC公认的导电机理为：随外界条件和纤维掺量等的变化，电子导电、离子导电和隧道效应导电这三种导电方式在CFRC中互相竞争，最后体现在其宏观的导电性能上。
4碳纤维水泥基主要性能研究现状
4.1压阻效应
压阻效应是引起众多研究者对CFRC进行研究的重要原因，这是因为人们发现CFRC的压阻效应可应用于结构健康监测。所谓压阻效应指的是CFRC在受到压力作用后，沿压力方向的电阻率会发生变化，并呈一定的规律性。
Chung DDL教授等最早对CFRC的电阻率在拉、压、弯等工况，单向、和循环加载作用下的响应规律进行了较多研究，指出了CFRC可应用于结构应力和损伤监测。Sun MQ等研究了试件尺寸和加载速率对受压的CFRC的影响，发现试件越大，敏感性越好，而加载速率并不影响其电阻率的响应情况；循环加载作用下CFRC的电阻率对外加荷载具有极好的反馈效应，具有良好的压阻性能。郑立霞等试验发现，同单向受压时相比，试样三向受压时可逆自感知阶段和平衡阶段相对较长，且三向受压时试样压阻的应变灵敏系数线性要好。陈兵、姚武等实验证明，CFRC可以作为结构内部损伤检测的一种材料。韩宝国等采用适当的合成工艺，制备成了压阻性能稳定的CFRC传感器（PCSS），并证明了PCSS可用于结构健康监测。汕头大学的王玉林等发现了CFRC具有正、负压敏性：含水量较高时，CFRC呈现正压阻特性；含水量较少时，CFRC呈现出负相关压阻特性。因此CFRC的压阻性能受试件尺寸，试验方法和含水量等较多因素影响。
4.2热电效应
孙清明等在1998年最早发现CFRC具有热电效应，即CFRC试件两端具有适当的温度差At，则在试件两头会产生电动势E，也称seebeck效应，并指出碳纤维掺量大小是影响CFRC的seebeck效应主要原因。Shihai Wen等的研究表明，普通的水泥基材料也具有相同效应，但是由于CFRC存在碳纤维的原因，使得E随Δt的增加和减少的关系曲线呈线性，并变得可逆。Madronero A等的最新研究发现，蒸汽生成的碳纤维制成的CFRC试件，其seebeck效应变化与其氢气的吸收量有关，因此可以用seebeck效应来反应这种CFRC试件吸收氢气的大小，并且将来有可能用来测量工厂中氢气的含量。Haiyong等研究了同时掺有含有10%～30%质量百分比的石墨和碳纤维的CFRC的seeback效应，结果表明石墨的加入有利于增强CFRC的seeback效应。左俊卿]等发现在CFRC中掺入同时加入碳纤维和碳纳米管能有效增强CFRC的seeback效应，并能改善E与Δt的曲线可逆性。
4.3电磁屏蔽效应
电磁屏蔽（Electromagnetic Interference）是为了阻碍电磁波穿过屏蔽材料继续传播的过程。电磁波传输到障碍体上时，一般被3种方式所阻碍而减弱：入射表面的反射减弱、被材料吸收、在材料内部多次反射而衰减。普通混凝土对具有一定的电磁屏蔽效应，但基本由自身的反射和吸收来屏蔽，屏蔽性能较差。Wangchuang等研究显示：1100℃高温处理后的碳纤维制成的CFRC材料电磁屏蔽性能也提高很多。Guoxuan X等实验表明，在体积掺量相同的情况下，含碳纤维CFRC的电磁屏蔽性能相对石墨、CNTs、炭黑等最好。杨玉山等研究了同时掺有石墨和碳纤维的CFRC的电磁屏蔽性能，结果发现在30～200MHz低频率间，屏蔽效果较好，在200MHz～1.SGHz高频间，电磁屏蔽效果较差。
4.4用作阴极保护的辅助阳极
混凝土阴极保护是目前制止钢筋腐蚀最有效的方法之一。辅助阳极作为外加电流阴极保护系统中的一部分具有重要意义，它具有使得钢筋表面形成均匀的保护电流，避免因电流集中导致的钢筋处于过保护状态。DDL最早证明CFRC可作为阴极保护的辅助阳极。国内姚武等研究发现，碳纤维水泥砂浆的碳纤维0.5%～0.7%的掺量范围内作为阴极保护的辅助阳极性能最好。左俊卿等应用腐蚀电位、腐蚀电流和交流阻抗谱研究了CFRC铺覆层作为辅助阳极对混凝土中钢筋阴极保护效果。试验表明，CFRC覆盖层作为阳极能有效地保护钢筋，与只含有碳纤维的CFRC相比，采用同时含有碳纳米管、碳纤维的CFRC作为辅助阳，阴极保护效果更好。
5结语
综上所述，CFRC在合成、导电机理、机敏性能、磁屏蔽性能研究和利用压阻性能作为结构健康监测传感器、阴极保护的阳极应用等方面有了一定的进展；但在新型CFRC的开发、导电机理研究及应用上，仍存在诸多问题，主要包括以下几个方面。
（1）目前，提高CFRC的导电性能的方式局限于导电介质。很少有研究者基于不同胶凝材料的特性来对CFRC进行改性，CFRC常用的基体材料一直为硅酸盐水泥混凝土。
（2）CFRC的导电机理仍需深入研究。随目前已对CFRC的导电机理已形成一定公认的理论，但含有多种导电填料的CFRC导电机理及水对其导电性能的影响仍需深入研究。
（3）CFRC材料虽被证明可应用于结构应力和损伤监测，但其压阻性能受较多因素影响，因此进一步开发压阻性能稳定的CFRC应用于工程实践具有重要意义。