碳納米管-聚乙烯醇復合改性水泥砂漿的力學性能及機敏性能.pdf

1、碳納米管/水泥基材料具有較好的力學性能和機敏性能，有望在提高混凝土安全性和耐久性方面發(fā)揮重要作用，已經(jīng)成為國際研究熱點。但已有研究表明，碳納米管在水泥基材料中的應用仍然存在如下問題：1）碳納米管在水泥基體中極易發(fā)生團聚，難以均勻分散；2）碳納米管與水泥材料之間的界面性能差，協(xié)同工作能力弱；3）碳納米管尺度小，宏觀控裂能力差。
　　為了解決以上問題，本文基于材料科學基本原理出發(fā)，利用1）碳納米管可在聚乙烯醇膠體中均勻分散且具有晶核作

2、用，及2）聚乙烯醇具有較強粘結(jié)力、良好的分散性、與水泥基材料的相容性好并能與之結(jié)合形成三維網(wǎng)膜的特點，提出了通過適當?shù)臉?gòu)筑技術(shù)，先獲取均勻分散的碳納米管/聚乙烯醇預聚合溶液，再配制碳納米管/聚乙烯醇復合改性水泥砂漿的思路。以期得到分散均勻、界面性能優(yōu)良、控裂能力強并具有良好機敏性的新型水泥砂漿。考慮到問題的復雜性，本文制定了三階段研究方案，對這一新型水泥砂漿的力學性能、微觀特征和機敏性能進行了一系列研究。
　　1.聚乙烯醇改性水泥

3、砂漿的性能研究
　　為了確定聚乙烯醇的合理摻量，本文首先研究了聚乙烯醇摻量對水泥砂漿（30組試件）的抗壓強度、抗折強度、軸壓性能、斷裂性能、吸水率的影響，并結(jié)合X射線衍射、掃描電鏡、傅里葉紅外光譜等分析方法對其微觀結(jié)構(gòu)進行了細致分析。宏觀實驗結(jié)果表明，聚乙烯醇在水泥砂漿中的合理摻量為0.6～1.0wt.％。當聚乙烯醇摻量為0.6wt.%時，水泥砂漿的28天抗壓強度、抗折強度、斷裂韌性和斷裂能分別提高了12.15%、15.79%、2

4、9.85%和69.53%，吸水率降低了38.54%。掃描電鏡測試結(jié)果表明，適量聚乙烯醇在水泥基體中形成了均勻分布的網(wǎng)狀薄膜，這些網(wǎng)狀薄膜能填充孔洞和橋接裂縫。而X射線衍射和傅里葉紅外光譜分析表明，適量的聚乙烯醇能與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣發(fā)生化學反應，促進水泥水化并提高聚乙烯醇與水泥的界面性能，進而改善了水泥砂漿的宏觀物理性能。但是，當摻量較多時，聚乙烯醇會形成連續(xù)的聚合物薄膜，覆蓋在水泥顆粒表面阻礙水泥水化，降低水泥砂漿的早期力學性能。并

5、且，過量的聚乙烯醇還會增加水泥砂漿的孔隙率，降低水泥砂漿的宏觀物理性能。另外，通過掃描電鏡分析還能觀察到斷裂的聚乙烯醇網(wǎng)狀薄膜，這一現(xiàn)象說明，聚乙烯醇薄膜的應力傳遞能力尚有待提高。
　　2.碳納米管改性聚乙烯醇薄膜的性能研究
　　為了有效提高聚乙烯醇薄膜在水泥砂漿中的應力傳遞能力，本文進而研究了碳納米管種類（普通碳納米管、羧基碳納米管和羥基碳納米管）及其摻量對聚乙烯醇薄膜的力學性能的影響，同時還對其機敏性能和耐水性進行了系統(tǒng)

6、分析，并與納米炭黑進行了對比（共136個試件）。實驗結(jié)果表明：碳納米管和納米炭黑的種類和摻量顯著影響聚合物薄膜的宏觀性能，其中羥基碳納米管增強效果良好。當羥基碳納米管摻量為10wt.%時，聚乙烯醇薄膜的抗拉屈服強度和斷裂強度分別提高了31.56%和57.65%，而吸水率降低了47.75%。并且該復合薄膜具有良好的耐水性能，其在淡水中6個月質(zhì)量損失率較純聚乙烯醇薄膜降低了64.77%，在氫氧化鈣溶液中（模擬水泥基材料的堿性環(huán)境）浸泡6個月

7、后，質(zhì)量累計損失僅為1.43%，且后期性能穩(wěn)定不變，6個月質(zhì)量損失率相對未改性聚乙烯醇薄膜減少了70.93%。碳納米管/聚乙烯醇薄膜在堿性環(huán)境中的高耐水性為其在水泥混凝土中的廣泛應用尤其是在嚴酷環(huán)境中的應用提供了條件。另外，本文的實驗結(jié)果還表明，適量的納米炭黑也能改善聚乙烯醇薄膜的宏觀性能尤其是機敏性能，但是納米炭黑在聚乙烯醇薄膜中的滲流閾值高于碳納米管，其對力學性能的增強效果亦不及碳納米管。同時，本文還采用拉曼光譜、熱分析、X射線衍射

8、、紅外光譜及掃描電鏡對碳納米管改性聚合物薄膜的微觀性能進行了對比分析。結(jié)果表明，羧基碳納米管和羥基碳納米管能與聚乙烯醇形成氫鍵或發(fā)生縮聚和脂化反應，不但提高了碳納米管的分散特征，還能改變聚乙烯醇薄膜的本體及界面性能。因此，羧基碳納米管和羥基碳納米管能顯著提高改性薄膜的宏觀力學性能、機敏性能和耐久性，由于羥基碳納米管的活性基團多，其作用效果尤為顯著。其次，微觀分析還表明，碳納米管降低了聚乙烯醇的結(jié)晶度，一方面能提高聚乙烯醇薄膜的耐化學腐蝕

9、能力，另一方面降低了聚乙烯醇薄膜的變形性能，以此有望增強聚乙烯醇與水泥材料的協(xié)同工作能力。
　　3.碳納米管/聚乙烯醇復合改性水泥砂漿的性能研究
　　基于上述實驗結(jié)果和機理分析，本文進一步研究了羥基碳納米管/聚乙烯醇復合改性水泥砂漿的各項性能，并與其他納米碳/聚乙烯醇復合改性水泥砂漿對比(共459個試件)。首先研究了復合改性水泥砂漿包括抗壓強度、抗折強度以及斷裂韌性等力學性能，其次研究了復合改性砂漿的吸水率和耐水性能，并對其

10、在單調(diào)加載和循環(huán)加載狀態(tài)下的機敏性能進行了系統(tǒng)分析。實驗結(jié)果表明：三種碳納米管/聚乙烯醇復合體系均能顯著提高水泥砂漿的力學性能，并且均存在最佳摻量，其中羥基碳納米管/聚乙烯醇復合體系的增強效果最好，0.5wt.%羥基碳納米管結(jié)合1.0wt.%聚乙烯醇使得水泥砂漿的28天抗壓強度、抗折強度、斷裂韌性和斷裂能分別提高了53.48%,100.70%,101.36%和344.19%，遠高于單摻碳納米管或聚乙烯醇的作用效果。并且復合改性水泥砂漿的

11、毛細孔吸水率降低了57.69%。機敏性能測試結(jié)果表明：三種碳納米管/聚乙烯醇復合體系以及納米炭黑/聚乙烯醇體系均能顯著提高水泥砂漿的機敏性能，其中納米炭黑/聚乙烯醇體系的作用效果最為顯著，在受到15kN的壓應力時，其最大敏感系數(shù)為4.96%。羥基碳納米管/聚乙烯醇復合改性水泥砂漿的最大敏感系數(shù)為4.36%。另外，本文還結(jié)合了掃描電鏡、傅里葉紅外光譜、拉曼光譜等分析了碳納米管/聚乙烯醇復合改性水泥砂漿的微細觀結(jié)構(gòu)。掃描電鏡測試結(jié)果表明，碳

12、納米管復合聚乙烯醇形成三維網(wǎng)狀薄膜。這些網(wǎng)狀薄膜能橋接脆性水泥砂漿中的宏微裂縫、填充和密閉孔洞，使得水泥砂漿的微觀性能優(yōu)越。傅里葉紅外光譜和拉曼光譜分析表明羥基碳納米管或羧基碳納米管與聚乙烯醇及水泥水化產(chǎn)物之間存在化學作用。最后，本文結(jié)合宏觀性能測試和微觀結(jié)構(gòu)分析，對碳納米管/聚乙烯醇改性水泥砂漿的作用機理進行了初步分析。
　　本文研究表明，通過合理的設(shè)計，利用聚乙烯醇和碳納米管的物理化學特征，能顯著提高碳納米管的分散特性、改善碳