納米碳纖維水泥基復(fù)合材料的制備及其性能研究.pdf

1、迄今為止，在建筑土木工程領(lǐng)域，憑借其抗壓強(qiáng)度高、來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，水泥混凝土是使用量最大、應(yīng)用最為廣泛的結(jié)構(gòu)材料。但是水泥混凝土仍有抗拉強(qiáng)度低、脆性大等缺點(diǎn)。為了克服這些問(wèn)題，研究人員嘗試將水泥混凝土中引入宏觀(guān)纖維以解決水泥混凝土抗拉強(qiáng)度低等缺點(diǎn)。但是這種宏觀(guān)只能起到起到延緩的作用，無(wú)法從微觀(guān)尺度進(jìn)行抑制。因此有關(guān)高性能納米纖維增強(qiáng)水泥混凝土的研究成為了當(dāng)前研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。
　　納米碳纖維（Carbon Nanofibe

2、rs,簡(jiǎn)稱(chēng)CNFs），是化學(xué)氣相生長(zhǎng)碳纖維的一種形式，是通過(guò)裂解氣相碳?xì)浠衔锒苽涑龅囊环N非連續(xù)的納米級(jí)尺寸石墨纖維。納米碳纖維的平均直徑約為50-100 nm，長(zhǎng)度為0.5-100μm。納米碳纖維的平均抗拉強(qiáng)度為7 GPa，平均彈性模量為400 GPa。憑借其優(yōu)越的性能，納米碳纖維已經(jīng)廣泛應(yīng)用于聚合物、生物科學(xué)、場(chǎng)發(fā)射等領(lǐng)域。
　　由于納米碳纖維具有較大的長(zhǎng)徑比和較強(qiáng)的范德瓦爾斯力，納米碳纖維極易團(tuán)聚纏繞在一起，無(wú)法有效增強(qiáng)基

3、體的性能。納米碳纖維的分散效果直接影響復(fù)合材料的性能，因此如何提高納米碳纖維的分散性能，成為制備納米碳纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料的前提準(zhǔn)備工作。對(duì)于納米碳纖維的分散問(wèn)題，本文進(jìn)行了如下研究:
　　(1)采用多種分散劑（甲基纖維素，羥丙基甲基纖維素，十二烷基硫酸鈉，十二胺，N,N-二甲基甲酰胺，十六烷基三甲基溴化銨）以單摻和復(fù)摻的方式制備納米碳纖維懸浮液，并對(duì)懸浮液進(jìn)行紫外可見(jiàn)光吸光度(UV-vis)測(cè)試。結(jié)果表明，當(dāng)分散劑單摻時(shí)，十二

4、烷基硫酸鈉對(duì)納米碳纖維在水溶液中的分散效果最佳，甲基纖維素和羥丙基甲基纖維素對(duì)納米碳纖維懸浮液的分散穩(wěn)定性效果最佳;當(dāng)分散劑復(fù)摻時(shí)，十二烷基硫酸鈉和甲基纖維素的組合對(duì)納米碳纖維在水溶液中的分散效果最佳。當(dāng)CMC∶CsDs=1∶5時(shí)，納米碳纖維能夠在水性體系中均勻分散。此時(shí)納米碳纖維懸浮液的分散程度最佳，而且納米碳纖維懸浮液的穩(wěn)定性良好。
　　(2)采用甲基纖維素作為分散劑對(duì)納米碳纖維在水溶液中的分散性能進(jìn)行了探索和研究。通過(guò)測(cè)定懸

5、浮液的紫外可見(jiàn)光吸光度(UV-vis)、等溫吸附曲線(xiàn)、zeta電位及表面張力等方法研究了甲基纖維素對(duì)納米碳纖維分散性能的影響，并討論分析了甲基纖維素對(duì)納米碳纖維的分散機(jī)理。測(cè)試結(jié)果表明:甲基纖維素的加入使納米碳纖維懸浮液的zeta電位由-15.4 mV升至0;表面張力由38.87 mN·m-1降至36.54 mN·m-1;等溫吸附曲線(xiàn)表明甲基纖維素在納米碳纖維的表面為“單階段吸附”，當(dāng)甲基纖維素濃度達(dá)到0.4 g·L-1時(shí)，甲基纖維素在

6、納米碳纖維表面飽和吸附。當(dāng)納米碳纖維達(dá)到最佳分散狀態(tài)時(shí)，納米碳纖維與甲基纖維素的濃度比為1∶2。
　　在此基礎(chǔ)上以甲基纖維素為分散劑，制備了分散均勻的納米碳纖維水泥基復(fù)合材料，系統(tǒng)研究了納米碳纖維水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能，研究成果如下:
　　(1)納米碳纖維摻加進(jìn)入水泥凈漿拌合物中，不會(huì)影響水泥凈漿拌合物的凝結(jié)時(shí)間，也并未影響其塌落擴(kuò)展度，納米碳纖維水泥凈漿拌合物的安定性良好。
　　(2)納米碳纖維的摻加能夠顯著改善水

7、泥凈漿的力學(xué)性能，凈漿試件的力學(xué)強(qiáng)度會(huì)隨著納米碳纖維摻量的增加呈現(xiàn)先提高后降低的變化趨勢(shì)，納米碳纖維水泥凈漿的力學(xué)性能隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，當(dāng)水灰比分別為0.25，0.30，0.35和0.40養(yǎng)護(hù)28天時(shí)，納米碳纖維摻量為0.1wt.％時(shí)，納米碳纖維水泥凈漿復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度提高最大，抗折強(qiáng)度分別為15.2MPa，14.1MPa，12.9MPa和12.3MPa，分別提高了16.0％，29.4％，24.0％和28.1％。納米碳纖維的摻加

8、對(duì)納米碳纖維水泥凈漿復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度起到了增強(qiáng)效果，變化規(guī)律與抗折強(qiáng)度的變化規(guī)律相似。凈漿試件的劈裂抗拉強(qiáng)度也會(huì)隨著納米碳纖維摻量的增加而呈現(xiàn)出先提高后降低的變化趨勢(shì)，納米碳纖維的摻量為0.1wt.％時(shí)，劈裂抗拉強(qiáng)度提高到6.63MPa，提高了28.5％。與此同時(shí)，納米碳纖維水泥凈漿復(fù)合材料的彎曲韌性達(dá)到最強(qiáng)。納米碳纖維水泥凈漿復(fù)合材料的韌性系數(shù)（斷裂能、初裂點(diǎn)、完全斷裂點(diǎn)、極限荷載力、曲線(xiàn)面積）均高于空白試件。試件J35-3的韌性系

9、數(shù)最大，即納米碳纖維的摻加量為0.1wt.％時(shí)，納米碳纖維對(duì)水泥凈漿的增韌效果達(dá)到最佳。
　　(3)納米碳纖維的摻加能夠顯著改善水泥砂漿的力學(xué)性能，砂漿試件的力學(xué)強(qiáng)度會(huì)隨著納米碳纖維摻量的增加呈現(xiàn)先提高后降低的變化趨勢(shì)，納米碳纖維水泥砂漿的抗折強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，當(dāng)水灰比分別為0.25，0.30，0.35和0.40養(yǎng)護(hù)28天時(shí)，納米碳纖維摻量為0.1wt.％時(shí)，納米碳纖維水泥砂漿復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度提高最大，抗折強(qiáng)度分別為1

10、9.9MPa，16.5MPa，15.6MPa和11.6MPa，分別提高了41.1％，38.7％，54.5％和20.8％。納米碳纖維的摻加對(duì)納米碳纖維水泥砂漿復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度起到了增強(qiáng)效果，變化規(guī)律與抗折強(qiáng)度的變化規(guī)律相似。與此同時(shí)，納米碳纖維水泥砂漿復(fù)合材料的彎曲韌性達(dá)到最強(qiáng)。納米碳纖維水泥砂漿復(fù)合材料的韌性系數(shù)（斷裂能、初裂點(diǎn)、完全斷裂點(diǎn)、極限荷載力、曲線(xiàn)面積）均高于空白試件。試件S35-3的韌性系數(shù)最大，即納米碳纖維的摻加量為0.

11、1wt.％時(shí)，納米碳纖維對(duì)水泥凈漿的增韌效果達(dá)到最佳。斷裂能、初裂點(diǎn)位移、完全斷裂點(diǎn)位移、極限荷載力分別提高了118.11％、118.07％、117.86％和50.51％。
　　采用多種微觀(guān)分析方法，對(duì)納米碳纖維增強(qiáng)水泥基材料進(jìn)行了微觀(guān)機(jī)理分析。研究結(jié)果表明:納米碳纖維在水泥基基體中起到橋聯(lián)、拔出等一系列的作用，納米碳纖維在微裂縫發(fā)展過(guò)程中起到吸收傳遞破壞能的作用，對(duì)水泥基材料起到了改善作用。同時(shí)納米碳纖維表面附有水泥水化產(chǎn)物，這