混凝土材料具备抗压强度高、耐腐蚀、耐久性好、施工方便等优点，被广泛应用在建筑材料。但由于此材料存在功能单一、拉伸强度低、自身质量大等缺陷，应用于特殊领域受到极大限制[1-2]，需要添加其他支撑材料以改善混凝土材料的性能。此外，钢筋支撑材料经多年使用后常常会锈蚀毁坏，且破坏生态环境，因此将环氧树脂与其他支撑材料相结合，可以改善混凝土因环境作用及疲劳应力而导致的强度下降和断面破坏，从而显著提升混凝土耐用性能[3]。环氧树脂/碳纤维复合材料具有质轻、模量高、强度高、耐腐蚀和耐疲劳性能好、结构尺寸稳定等优势，既可作为结构材料承载负荷，又可作为功能材料发挥作用，尤其适用于混凝土的结构性补强加固[3-5]。碳纤维增强塑料复合材料(CFRP)能够有效改善土木建筑领域中混凝土性能[6-8]，但是作为混凝土用增强剂[9-11]，应用场景复杂、对使用寿命、力学性能、热学性能和耐酸碱性能要求较高[12-14]。本实验选择碳纤维作为增强材料，对碳纤维进行改性，得到预处理后的碳纤维材料，分别考察碳纤维处理前后对环氧树脂复合材料力学性能、热学性能、耐酸碱性能的影响，为CFRP的进一步研究奠定基础。1实验部分1.1主要原料碳纤维(CF)，T300，日本东丽碳纤维有限公司；单向碳纤维布(CFF)，Turkey A49/12K，江苏天鸟科技有限公司；环氧树脂(EP)，TDE85，天津合成材料研究所；聚酰胺（固化剂），T-31，北京科贝灵科技发展有限公司；丙酮，分析纯，天津市凯通化学试剂有限公司；邻苯二甲酸二丁酯，分析纯，天津市光复精细化工研究所。1.2仪器与设备电子万能试验机，SDT1100，深圳美斯特工业系统有限公司；傅里叶红外光谱仪(FTIR)，Nicolet 6700，美国Thermo Fisher公司；场发射扫描电镜(SEM)，Gemini，德国卡尔蔡司有限公司；塑料磨损试验机，M200；北京中航鼎力仪器设备有限公司。1.3样品制备CF预处理：将CF放置在丙酮溶液中浸泡6 h，用去离子水反复冲洗3次，80 ℃箱式电阻炉中烘干6 h。冷却后将CF加入浓硝酸中放置1 h，用去离子水反复冲洗直至pH值呈中性，再将洗净的CF放在100 ℃烘箱中，烘干3 h，缓慢冷却至室温后取出，用密封袋包好置于干燥器中保存。EP/CF样品制备：表1为EP/CF样品的配方表。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.T001表1EP/CF样品的配方Tab.1Formula of EP/CF samples编号处理后CF未处理CFEP10010025095310090415085520080625075730070805959010901001585110208012025751303070%%称取质量比为5∶3的EP和聚酰胺，置于50 ℃的水浴锅中放置30 min，待黏度降低后气泡逸出，真空抽滤1 h。在干燥的EP中依次加入10%的丙酮和20%的邻苯二甲酸二丁酯，再依次加入CF和固化剂，超声0.5 h，得到的混合物置于50 ℃的水浴锅中放置30 min，真空抽滤1 h。置于钢制模具中完全填充满，真空干燥箱中20 ℃恒温3 h，100 ℃恒温2 h，120 ℃恒温1 h。将聚合物自然降温，脱模后得到样品。1.4性能测试与表征FTIR测试：波数范围在500~4 000 cm-1。SEM分析：对样品喷金处理，观察样品表面形貌。拉伸强度测试：按GB/T 1040—1992进行测试，样条为哑铃形状，拉伸速度为10 mm/min。抗压强度测试：按GB/T 1043.1—2008进行测试，样品尺寸为80 mm×10 mm×4 mm。热膨胀性能测试：按GB/T 1036—2008进行测试。2结果与讨论2.1CF表面形貌分析图1为处理前后CF的SEM照片。从图1a可以看出，未处理材料表面十分光滑，无明显的缺陷，只有白色块状物，说明未经处理的CF表面存在一定量的杂质。从图1b可以看出，处理后CF的表面已经没有白色块状物和杂质，且出现较多的细条状沟壑，这说明经过预处理可以有效去除CF表面杂质，同时纤维表面产生明显的刻蚀现象，可以有效增大CF与基体材料的接触面积。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F001图1处理前后CF的SEM照片Fig.1SEM photos of CF before and after treatment图2为处理前后CF的红外谱图。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F002图2处理前后CF的红外光谱图Fig.2FTIR spectra of CF before and after treatment从图2可以看出，两条曲线随波长的变化趋势一致，整体相差较小，这说明预处理过程对CF表面官能团的影响不大。经过处理后，CF表面在3 419 cm-1和1 579 cm-1处的吸收峰，分别对应为羟基的伸缩振动峰和羧基的吸收峰；1 428 cm-1处较弱的吸收峰，为羟基的弯曲振动峰。未经过处理的CF仅在3 398 cm-1和1 635 cm-1处出现较弱的羟基和羧基吸收峰，且没有羟基弯曲振动峰。说明经过处理后，CF表面官能团的浓度升高，与EP混合的过程中能够更好地与其结合，增强复合材料性能。2.2不同CF用量对EP/CF力学性能的影响图3为不同用量CF对EP/CF复合材料拉伸强度的影响。从图3可以看出，处理后CF含量为15%时，复合材料的拉伸强度达到峰值，且处理后的EP/CF拉伸强度更大，为27.28 MPa，比纯EP提升172.2%。这可能是因为CF经过改性后，表面出现沟壑使其变更粗糙，与EP的接触面积变大，同时CF表面官能团的浓度升高，更容易与EP结合。随着CF含量的进一步增加，EP/CF的拉伸强度发生下降，这说明CF含量进一步增大，不能有效地分散在EP内部，CF更容易发生团聚现象。EP/CF受到拉伸时，作用力无法有效均匀传导至材料内部，容易发生局部破坏。因此，最佳的CF用量为15%，此时对EP/CF拉伸强度改善效果最好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F003图3CF用量对EP/CF拉伸强度的影响Fig.3Effect of CF content on tensile strength of EP/CF图4为CF含量对EP/CF抗压强度的影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F004图4CF用量对EP/CF抗压强度的影响Fig.4Effect of CF content on the compressive strength of EP/CF从图4可以看出，加入5%未处理的CF，EP/CF抗压强度下降；而添加同等含量处理后的CF，EP/CF的抗压强度得到提升，说明处理后的CF对EP的抗压强度改善效果更好。当CF含量大于5%，处理前后EP/CF抗压强度随CF含量的增加先增大后减小。CF含量为25%时，处理前后EP/CF的抗压强度达到峰值，分别为92.1 MPa和110.52 MPa，较纯EP分别提升79.9%和115.9%，改善效果显著。这可能是因为CF含量增加，EP树脂中的增强相不断增加；但CF含量过多时，分散不均导致界面能降低，使复合材料抗压强度下降。从整体上来看，加入处理后CF的复合材料抗压强度均优于加入未处理CF的复合材料，说明CF通过表面氧化改性可以有效改善其与EP的结合性能，提升传递载荷的作用，改善复合材料的抗压性能。2.3处理前后EP/CF的SEM分析由于添加15%的CF可使复合材料的抗压性改善效果最好，因此对CF含量为15%的EP/CF进行SEM分析。图5为对添加处理前后CF的EP/CF的截面SEM照片。从图5a可以看出，CF在复合材料中的分布不够均匀，截面出现比较多的孔洞和孔隙，CF之间甚至互相团聚，在受到外力作用时不能有效地传导载荷。从图5b可以看出，CF的分布更加均匀，截面表面基本上没有孔隙出现，说明此时CF与EP结合紧密，破坏形式多是断裂，出现拔出的现象很少，这也进一步验证了处理后的CF表面更粗糙且有更多的官能团，可以有效地与EP发生结合，从而改善复合材料的力学性能。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F005图5处理前后EP/CF的SEM照片Fig.5SEM images of EP/CF before and after modification2.4不同CF用量对EP/CF热膨胀系数的影响以玻璃化转化温度(Tg)为分界点，分为温度小于Tg、处于Tg附近和高于Tg三个区间，图6为处理后CF用量对EP/CF热膨胀系数的影响。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.F006图6处理后CF用量对EP/CF复合材料热膨胀系数的影响Fig.6Effect of treated CF content on coefficient of thermal expansion of EP/CF composites从图6可以看出，温度小于Tg和高于Tg，CF含量为5%，热膨胀系数达到最高值；CF含量为10%时迅速降低至最小值，热膨胀系数分别为31×10-6 K-1和62×10-6 K-1，较纯EP分别降低68.23%和76.11%；CF含量为20%时逐渐趋于平稳。当温度在Tg附近时，热膨胀系数呈现不断下降的趋势，并迅速降至负值，在-100×10-6 K-1时逐渐趋于稳定，表明EP/CF已经发生软化。因此，添加处理后的CF可以显著增强EP/CF的热稳定性，最佳的CF含量为10%。2.5处理后CF对EP/CF耐酸碱性能的影响加入15%处理后的CF，制备EP/CF，并探究CF对EP/CF耐酸碱性能的影响，表2为加入处理后CF的EP/CF的耐酸碱结果。从表2可以看出，在碱的腐蚀环境下，CF增强复合材料的拉伸强度、抗压强度分别为27.06 MPa和108.54 MPa，较普通环境下的样品降低0.8%和1.8%。酸溶液浸渍下，对复合材料的力学性能影响更大，拉伸强度、抗压强度分别为26.84 MPa和106.28 MPa，但是较普通环境下的样品仅降低1.6%和3.8%，这说明酸碱腐蚀对改性后EP/CF的力学性能影响较小，复合材料耐酸碱性能较好。10.15925/j.cnki.issn1005-3360.2021.07.001.T002表2处理后EP/CF的耐酸碱结果Tab.2The results of acid and alkali resistance of treatment EP/CF试样环境拉伸强度抗压强度普通环境27.28110.52碱溶液浸渍27.06108.54酸溶液浸渍26.84106.28MPaMPa3结论（1）SEM测试表明，经过处理后CF表面具有较多的细条状的沟壑，产生明显的刻蚀现象。FTIR测试发现，处理后CF表面出现浓度更高的官能团，使其与EP更好的结合，增强复合材料性能。（2）处理后EP/CF的拉伸强度和抗压强度均优于未处理EP/CF。处理后CF含量为15%时，EP/CF的拉伸强度达到峰值，为27.28 MPa；在碱腐蚀下，EP/CF的拉伸强度、抗压强度降低0.8%和1.8%；酸溶液下，仅降低1.6%和3.8%，说明酸碱腐蚀对处理后EP/CF的力学性能影响较小，耐酸碱性能较好。（3）在温度小于Tg和高于Tg，CF含量为10%时，EP/CF的热膨胀系数迅速降低至最小值，改善效果最佳，此时热稳定性最好，较纯EP分别降低68.23%和76.11%。