沥青路面是一种典型的黑色路面[1]，其对太阳辐射的反射率较低且吸热能力强[2]，在强辐射下，路面吸收的大量热量难以被排出，持续处于高温状态，这极易引发车辙病害[3]，还会加剧城市热岛效应[4]。降低沥青路面的温度是解决上述问题的手段之一[5]。现有研究提出的被动散热(树林荫蔽和人工洒水)和主动降温(提高反射率[6]、相变储热[7]和大空隙透水路面[8])等技术对沥青路面温度有一定的降温效果，但可能对路面结构强度和材料耐久性产生不利影响[9]。
基于三维散热网络构建理念[10]，一些研究者提出在沥青路面内部构建导热通道的新型路面散热结构设计方案。例如，通过在沥青路面内竖直植入钢棒可以形成导热通道，促使路面内部的热量向钢棒汇聚并加速传导，从而显著提升散热效率[11]。采用导热性能更优的碳棒代替钢棒时，热量诱导效果进一步加强[12]，但竖直插入的施工难度制约了该技术的工程应用。鉴于此，郑晓光等[13]提出利用水泥基浆体灌注多孔沥青混合料连通空隙网络的技术方案，旨在保障沥青路面力学性能的前提下，构建路面内部的连续导热通道。然而，传统水泥基材料的低导热性限制了其散热效率，而通过在水泥基材料中添加碳化硅[14]、石墨[15]、氧化铝粉[16]等填料提升导热性能，因填料的随机分散和掺量受限，易形成相互孤立的“海岛”结构[17]，不能使导热性能显著提升。
碳纤维因具有优异的轴向导热特性及细长结构，理论上可以在水泥基体中构建连续导热通道。然而，碳纤维的随机取向分布导致其导热优势不能充分发挥[18]。表面镀镍改性处理可使碳纤维具备磁响应特性[19]，使其在外部磁场作用下能够按规律偏转[20]，有利于形成平行于热量传导方向的连续导热路径，从而进一步提升水泥基材料导热性能[21]。同时，碳纤维具有较高弹性模量和抗拉强度，可以显著增强复合材料的力学性能[22]。这种磁场调控纤维取向技术为制备兼具高导热性和优异力学性能的水泥基材料提供了可能。
鉴于此，本文依托于磁化取向技术，在普通硅酸盐水泥基体中引入镀镍碳纤维增强相，以期纤维在水泥基材料内部构建高效轴向导热通道。并通过分散性与取向性测试，确定适于取向的纤维掺量范围。借助导热性能和力学性能试验分析碳纤维水泥基材料的性能演变规律，最后，结合有限元数值模拟结果验证其导热性能，为磁化取向碳纤维技术提升复合材料导热性能提供参考。
1 试验
1.1 原材料
采用425硅酸盐水泥和粒径为0.180~0.270 mm的石英砂制备试验砂浆，拌合水为普通自来水。为提高砂浆的工作性能和强度，选择高效聚羧酸减水剂。同时，为改善碳纤维的分散均匀性，选用聚羧醚类分散剂淀粉醚。
外掺纤维为短切镀镍碳纤维，其性能参数见表1。这些镀镍碳纤维具有良好磁性，有望在磁场中实现取向排列，从而提高复合材料的导热性能。
1.2 纤维取向和观测方法
为保证纤维性能的充分发挥，纤维在材料中的均匀分散至关重要[24]。研究发现，当纤维掺量过高或长度过长时，纤维在浆体中易相互缠绕结团，导致分散不均[25]，进而影响其在水泥基材料中的取向效果。若纤维未发生结团，则在施加足够大的匀强磁场(磁场的强度和方向在空间中处处相同)并配合外力震荡时，纤维在新拌水泥浆体中可发生偏转[22]。在本研究的预试验中，当镀镍碳纤维的掺量达到0.9%(质量分数，下同)时，水泥浆体中出现显著的纤维结团现象。基于以上分析和预试验结果，本研究最终确定镀镍碳纤维的最高掺量为0.9%，同时，将纤维的长度严格控制在2~4 mm范围内。
磁化后的镀镍碳纤维受到磁场力的驱动，倾向沿磁场方向取向，而水泥浆体的黏滞阻力会阻碍这一过程。浆体的黏度与黏滞阻力关系密切，随着黏度增大，纤维偏转速度会降低，取向难度也会增加[26-27]。综上所述，在一定强度的外磁场驱动下，纤维的掺量和浆体的黏度是影响其在新拌水泥浆体中取向效果的决定性因素。
纤维取向后可在复合材料中搭建连续通道[20]。但因水泥浆体不透明且其密度与碳纤维密度接近，难以直接观察或者通过CT扫描得到纤维水泥基材料的内部微观结构。本研究采用透明无色的二甲基硅油作为替代品，以近似表征镀镍碳纤维在水泥浆体中的取向情况，此时，新拌水泥C—S—H键尚未形成，且减水剂的加入进一步破坏了水泥颗粒间的絮状结构，导致其屈服应力远小于磁场力，在低剪切速率下出现线性黏性行为[28]，故相同黏度的新拌水泥浆体和牛顿流体对纤维的黏滞阻力相近。在30 ℃下，通过布氏黏度计测试不同纤维掺量的硅油和新拌水泥浆体的动力黏度，以保证两者具有相似的流变特性。
水泥浆体、硅油的黏度和纤维掺量的关系如图1所示。从图1可见：在不同纤维掺量下，新拌水泥浆体和二甲基硅油的动力黏度相近。因此，可以使用该种硅油表征镀镍碳纤维在水泥浆体中的分散与取向情况。
1.3 样品制备和试验前处理
1.3.1 材料配比
本试验水泥砂浆掺量和初始流动度(倒锥法)如表2所示。分散剂淀粉醚的添加量为水质量的0.1%。碳纤维掺量分别为0、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%。预试验结果表明，适量的细砂有助于改善纤维的分散性能，然而，过量的细砂会导致浆体出现离析现象。因此，本研究确定水泥与细砂的质量比为4꞉1。
| 材料配合比/(kg·m-3) | 水固比 | 流动度/s | |||
|---|---|---|---|---|---|
| 水泥 | 细砂 | 水 | 聚羧酸 | ||
| 1 667 | 417 | 729 | 6.25 | 0.350 | 12.3 |
1.3.2 样品制备
1) 水泥砂浆制备。首先，将碳纤维于淀粉醚溶液中浸泡20 h后，置于烘箱中蒸干。随后，将水泥、细砂倒入水泥砂浆搅拌锅中，以62 r/min
的转速搅拌2 min。加入纤维后，继续以62 r/min的转速搅拌3~4 min，最后加入聚羧酸减水剂溶液以200 r/min的转速搅拌2 min，浇模制成水泥砂浆试件。
2) 纤维取向。将制备的水泥砂浆倒入试模至3/4高度，放入导电线圈中进行取向处理2 min。随后，将试模倒满，继续放入线圈中进行取向，持续4~5 min，具体操作如图2所示。在磁场中对纤维进行取向时，需要对试模进行振动处理。取向完成后，取出置于室内条件养护24 h，将试件放入养护箱中进行养护。用于产生匀强磁场的通电线圈参数如表3所示，其中，I为电流，D为线圈直径，H为线圈高度，d为铜丝直径，N为铜丝缠绕圈数，B为线圈生成磁场强度。
| I/A | D/cm | H/cm | d/mm | N/圈 | B/mT |
|---|---|---|---|---|---|
| 10 | 10 | 15 | 1 | 4 | 127 |
1.4 试验方案
1.4.1 纤维分散和取向测试
1) 分散均匀性计算。从新鲜水泥基体的不同区域取等质量的混合物，将纤维用清水浸泡后洗净表面携带的水泥，干燥并称质量，然后计算碳纤维的质量分数。标准差S、变异系数Ψ、离散系数β的计算式如下：
式中：Xi为试样i的碳纤维质量分数；
2) 取向系数计算。使用高分辨率相机对取向后的纤维拍照，然后，用Photoshop的标尺工具测量纤维的偏转角度，通过式(4)计算纤维的取向系数：
式中：α为纤维的取向系数；l为纤维长度；θ为纤维方向和竖直方向的夹角；m为纤维的数量。
1.4.2 力学性能测试
为确保取向纤维水泥基材料具有良好的力学性能，本文测试了添加镀镍碳纤维的水泥基材料的抗压强度[29]。具体步骤为：待水泥砂浆拌合完成后，制成长×宽×高40 mm×40 mm×40 mm的试件，并将其置于湿度大于90%、温度为20 ℃的养护箱中养护7 d。之后，将试件取出并置于压力机上进行测试，以2.4 kN/s的速率加载外荷载，取9个平行试件的抗压强度平均值作为试件的7 d抗压强度。
1.4.3 导热系数测试
采用湘潭仪器仪表制导热系数仪(DRE-2C)(图3)测试试件的导热系数。该方法基于瞬态平面热源法，在测试前需要将被测物体切成2个光滑的平面，将热源探头伸入其中后用夹具将其夹紧，在测试系统开始工作时，有恒定电流流过热源探头，使其温度上升，然后，测量探头本身和与探头相隔一定距离的圆球面上的温度随时间的关系，通过数学模型拟合，同时得到样品的导热系数。
试验测试了1组不加入碳纤维的试件以及2组分别掺入0、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%碳纤维(其中一组纤维取向，一组纤维朝向随机)的水泥砂浆导热系数。试验共测试了3组(每组包含6个)水泥试件。对每个试件在3个不同位置的测试点测量导热系数，取其平均值作为该组试件的导热系数。
1.4.4 导热能力验证
采用室内水浴传热试验测试不同碳纤维掺水泥试件的导热能力。水浴加热示意图见图4。试件长×宽×高为40 mm×40 mm×40 mm，在纤维掺量分别为0、0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%的水泥试件四周裹上一层EPS泡沫板，只露出上、下2个导热面，将导热底面置于不锈钢盘中，顶面暴露在空气里自然对流。再将钢盘置于水浴箱中(不浸没)。室内温度为20 ℃，水浴恒温为60 ℃，使用手持式热成像相机(FLIR)每隔15 min测量试件上表面温度，通过温度变化速率表征试件实际的导热性能，整个过程持续60 min。
采用COMSOL软件的固体传热接口进行瞬态分析，模拟水浴加热过程。设置室温为20 ℃，在试件底部设置60 ℃恒温热源，四侧设置热绝缘，顶面设置与外部空气自然对流。模拟持续60 min，时间步长设置为15 min，模拟示意图见图5。
2 结果与讨论
2.1 纤维分散和取向结果分析
不同掺量的镀镍碳纤维在二甲基硅油中经分散取向后，通过高像素相机拍摄的结果如图6所示。从图6可以看到白色丝状纤维束；当纤维掺量低于0.7%时，试件中的纤维分散良好，呈白色束状，且取向纤维朝向基本一致，表明浆体中纤维取向效果较好；当纤维掺量超过0.7%时，试件中黑色区域明显增多。这是因为纤维在此掺量下开始过度聚集结团，导致光线反射受限。
通过式(1)~(3)计算碳纤维在水泥浆体中分散均匀性的变异系数Ψ和离散系数β，并依据式(4)计算纤维取向系数，计算结果如图7所示。从图7(a)可见：随着纤维掺量增大，其分散性变差；当掺量低于0.7%时，变异系数低于5.0%，说明纤维分布较分散；当掺量达到0.9%时，变异系数升至7.5%，表明分散性显著下降；在拌合过程中，随着纤维掺量增加，纤维倾向于聚集并缠绕成球状纤维团；清洗水泥浆体后，浆体底部所含纤维团总质量明显比上层区域的高。这是因为在水泥浆体水化过程中，球状团聚物因自身重力向底部沉降，导致底部纤维质量分数增加，纤维分布不均匀。
从图7(b)可知：纤维的取向系数最高可达0.97；随着纤维掺量增加，取向系数逐渐下降，且下降速率变大；当纤维掺量达到0.9%时，浆体中出现大量结团现象，取向系数不能准确反映纤维的取向水平；而未经过磁场取向的对照组，其取向系数均在0.4左右，表明纤维在浆体中取向混乱。这是由于纤维之间的间距过小，在偏转过程中相互阻碍，同时，纤维结团数量增加，进一步降低了取向系数。
2.2 力学性能测试结果分析
碳纤维掺量对抗压强度的影响如图8所示。从图8可见：加入碳纤维后，水泥试件的抗压强度最大增幅为54.9%；试件的抗压强度与纤维掺量在一定范围内呈正相关，峰值出现在纤维掺量为0.5%时，超过此掺量后，抗压强度开始下降，如当纤维掺量为0.7%时，抗压强度仅上升22.2%。其原因是当碳纤维掺量超过0.3%时，纤维在浆体中结团[20]，破坏了材料的均匀性和连续性，这种分布状态的变化会影响材料内部的应力分布和裂缝扩展路径。同时，纤维分散不足，导致复合材料中出现孔隙和孔洞[25]，局部强度降低引发应力集中，进一步削弱其抗压性能。
取向组与对照组抗压强度相近，说明取向纤维加入对水泥试件的抗压性能无负面影响。这是因为在均匀分散的情况下，纤维取向不会影响水泥基体的水化产物和孔隙形成。此外，受压破坏模式主要取决于基体-纤维界面黏结强度[30]，在外部压力作用下，无论纤维取向如何，界面破坏的临界阻力大致相同。
2.3 导热系数测试结果分析
碳纤维掺量对导热系数的影响如图9所示。从图9可见：随着取向碳纤维掺量增加，水泥基材料的导热系数逐渐提高；取向组的导热系数提升更显著，在碳纤维掺量为0.7%时，导热系数达到最大值1.53 W/(m·K)，相比于未添加镀镍碳纤维的水泥试件，导热系数提高32.0%，增幅较对照组增加20.0%。这是由于取向后的碳纤维相互搭接，形成连续的导热通道，显著提升了热量的传输效率。
当2组材料的纤维掺量达到0.9%时，导热系数均有所下降。这是由于纤维结团现象以及过多的纤维导致水泥颗粒间填充效果变差，孔隙增多，从而延长了热传导路径，降低了对热量的传导性能。
2.4 导热能力验证结果分析
水泥试件在水浴加热过程中，上表面温度变化如图10所示。从图10可见：水泥试件温度曲线随加热时间增大逐渐趋于平缓；在取向条件下，最大温差为3.6 ℃，出现在掺量为0.7%的试验组与未掺纤维组之间，模拟组最大温差为3.0 ℃；加入取向碳纤维后，试验组上表面的升温速率(20~35 ℃)提升了30.4%，模拟组提升了25.0%；在不取向条件下，试验组和模拟组的温度以及不同掺量间的温差均较小，最大温差为1.6 ℃，上表面的升温速率仅提升了约9.8%。
取向组的导热能力显著高于对照组的导热能力，其最大温差比对照组高2.0 ℃，升温速率提升了20.6%；当纤维掺量低于0.7%时，随着掺量增加，水泥试件上表面升温速率加快，表明导热能力增强；然而，当掺量达到0.9%时，升温速率迅速下降，这是由于高掺量下纤维结团，无法均匀分散并形成有效导热通道；模拟组设置的均质固体模型的导热能力略比试验测试试件的低。这是因为模拟组设置的导热系数是基于探头在试件表面的测试结果，难以完全体现热量在导热通道中的快速传递，且均质模型也不能考虑纤维-基体界面热阻以及孔隙效应，与实际情况存在偏差。有限元模拟结果与试验测试结果大致相同。
3 结论
1) 掺量低于0.7%的碳纤维在纤维浆体内具有较好的取向性和分散性，其中，取向系数最高可达0.97。随着纤维掺量增加，取向系数呈加速下降趋势，但分散均匀性的变异系数仍能维持在5%以下。
2) 镀镍碳纤维的掺入显著提升了水泥基材料的抗压强度。当纤维掺量为0.5%时，试件的抗压强度达到峰值，较未添加纤维的试件提升54.9%。同时，纤维取向不会显著降低水泥试件抗压强度。
3) 当纤维掺量为0.7%时，材料导热系数达到最大值，与未添加镀镍碳纤维的试件相比，导热系数提高32.0%；与同等掺量的对照组(碳纤维不取向)相比，导热系数提高20.0%。
4) 添加取向碳纤维的水泥试件的升温速率(从20~35 ℃)提升30.4%，上表面最大温差达3.6 ℃，分别较对照组提升20.6%和2.0 ℃。此外，添加取向碳纤维的水泥试件试验的升温速率比模拟组高5.5%。
5) 综合考虑材料的力学性能和导热性能，高导热水泥基材料设计的镀镍碳纤维最佳掺量为0.7%。
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http://dx.doi.org/10.11817/j.issn.1672-7207.2025.09.030