納米碳纖維水泥基復合材料的制備及其性能研究.pdf

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

2、rs,簡稱CNFs），是化學氣相生長碳纖維的一種形式，是通過裂解氣相碳氫化合物而制備出的一種非連續(xù)的納米級尺寸石墨纖維。納米碳纖維的平均直徑約為50-100 nm，長度為0.5-100μm。納米碳纖維的平均抗拉強度為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)廣泛應用于聚合物、生物科學、場發(fā)射等領域。
　　由于納米碳纖維具有較大的長徑比和較強的范德瓦爾斯力，納米碳纖維極易團聚纏繞在一起，無法有效增強基

3、體的性能。納米碳纖維的分散效果直接影響復合材料的性能，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水泥基復合材料的前提準備工作。對于納米碳纖維的分散問題，本文進行了如下研究:
　　(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）以單摻和復摻的方式制備納米碳纖維懸浮液，并對懸浮液進行紫外可見光吸光度(UV-vis)測試。結(jié)果表明，當分散劑單摻時，十二

4、烷基硫酸鈉對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納米碳纖維懸浮液的分散穩(wěn)定性效果最佳;當分散劑復摻時，十二烷基硫酸鈉和甲基纖維素的組合對納米碳纖維在水溶液中的分散效果最佳。當CMC∶CsDs=1∶5時，納米碳纖維能夠在水性體系中均勻分散。此時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納米碳纖維在水溶液中的分散性能進行了探索和研究。通過測定懸

5、浮液的紫外可見光吸光度(UV-vis)、等溫吸附曲線、zeta電位及表面張力等方法研究了甲基纖維素對納米碳纖維分散性能的影響，并討論分析了甲基纖維素對納米碳纖維的分散機理。測試結(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;等溫吸附曲線表明甲基纖維素在納米碳纖維的表面為“單階段吸附”，當甲基纖維素濃度達到0.4 g·L-1時，甲基纖維素在

6、納米碳纖維表面飽和吸附。當納米碳纖維達到最佳分散狀態(tài)時，納米碳纖維與甲基纖維素的濃度比為1∶2。
　　在此基礎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合材料，系統(tǒng)研究了納米碳纖維水泥基復合材料的力學性能，研究成果如下:
　　(1)納米碳纖維摻加進入水泥凈漿拌合物中，不會影響水泥凈漿拌合物的凝結(jié)時間，也并未影響其塌落擴展度，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、泥凈漿的力學性能，凈漿試件的力學強度會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，納米碳纖維水泥凈漿的力學性能隨養(yǎng)護齡期的增長而增長，當水灰比分別為0.25，0.30，0.35和0.40養(yǎng)護28天時，納米碳纖維摻量為0.1wt.％時，納米碳纖維水泥凈漿復合材料的抗折強度提高最大，抗折強度分別為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、對納米碳纖維水泥凈漿復合材料的抗壓強度起到了增強效果，變化規(guī)律與抗折強度的變化規(guī)律相似。凈漿試件的劈裂抗拉強度也會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，納米碳纖維的摻量為0.1wt.％時，劈裂抗拉強度提高到6.63MPa，提高了28.5％。與此同時，納米碳纖維水泥凈漿復合材料的彎曲韌性達到最強。納米碳纖維水泥凈漿復合材料的韌性系數(shù)（斷裂能、初裂點、完全斷裂點、極限荷載力、曲線面積）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，納米碳纖維對水泥凈漿的增韌效果達到最佳。
　　(3)納米碳纖維的摻加能夠顯著改善水泥砂漿的力學性能，砂漿試件的力學強度會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，納米碳纖維水泥砂漿的抗折強度隨養(yǎng)護齡期的增長而增長，當水灰比分別為0.25，0.30，0.35和0.40養(yǎng)護28天時，納米碳纖維摻量為0.1wt.％時，納米碳纖維水泥砂漿復合材料的抗折強度提高最大，抗折強度分別為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納米碳纖維水泥砂漿復合材料的抗壓強度起到了增強效果，變化規(guī)律與抗折強度的變化規(guī)律相似。與此同時，納米碳纖維水泥砂漿復合材料的彎曲韌性達到最強。納米碳纖維水泥砂漿復合材料的韌性系數(shù)（斷裂能、初裂點、完全斷裂點、極限荷載力、曲線面積）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，納米碳纖維對水泥凈漿的增韌效果達到最佳。斷裂能、初裂點位移、完全斷裂點位移、極限荷載力分別提高了118.11％、118.07％、117.86％和50.51％。
　　采用多種微觀分析方法，對納米碳纖維增強水泥基材料進行了微觀機理分析。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)展過程中起到吸收傳遞破壞能的作用，對水泥基材料起到了改善作用。同時納米碳纖維表面附有水泥水化產(chǎn)物，這