碳纳米管增强水泥基注浆材料力学特性及其微观作用机理

发布时间：2020-11-09 00:51

　　 水泥基注浆材料固结体的强度特征是影响岩体注浆加固效果的关键因素,进一步提高水泥基注浆材料的力学特性对维护裂隙岩体稳定性而言有重要意义。本文结合国家重点基础研究发展计划(973)项目(2013CB036003)和国家自然科学基金重点项目(51734009),研究了碳纳米管对水泥基注浆材料力学特性的影响,结合多种纳米表征技术和分子动力学模拟方法,从微观角度揭示了碳纳米管增强水泥基注浆材料力学特性的机理,并对提高碳纳米管在水泥环境下的分散稳定性进行初步探索。主要成果及结论如下:(1)通过常规力学试验研究了碳纳米管对水灰比为0.6的水泥基注浆材料固结体28天龄期力学性质的影响,结合压汞法和扫描电镜试验等细观表征手段对固结体的孔隙率和微观结构特征进行分析。结果表明,碳纳米管能提高普通水泥基注浆材料固结体的抗压、抗拉和抗剪强度;碳纳米管可通过纳米充填作用降低固结体的孔隙率和毛细管孔含量,分布在裂隙内的碳纳米管还可发挥桥接作用,从而提高注浆材料的力学特性。当用制备的浆体对含节理面的岩石胶结加固后,加固体破坏时胶结面的平均能量释放率随碳纳米管含量的增大而增大,表明碳纳米管增强水泥基注浆材料在岩石注浆加固领域有较好的应用前景。(2)基于原子力显微镜技术,采用Peak Force QNM方法对碳纳米管增强水泥基注浆材料的纳米力学特性进行大量测试,着重分析了碳纳米管对浆液固结体微观杨氏模量和表面粘附力的影响。测试结果表明,加入0.018~0.036 wt%的碳纳米管使基体内低密度和高密度水化产物的平均杨氏模量分别增加了21~36%和5~13%,使材料表面微观粘附力平均提高10~13%左右。微观力学特性测试结果进一步揭示了碳纳米管对水泥基注浆材料的力学特性增强机理。(3)在浆液固结体微观结构特征和纳米力学性质的基础上,建立模拟含碳纳米管水泥基注浆材料微单元的分子动力学模型,在原子尺度上研究了模型单元在剪切作用下的力学行为,进一步从纳米尺度阐述了碳纳米管的增强机理。模拟结果显示,碳纳米管可通过增大材料单元破坏过程中的纳米摩擦作用来提高断裂能;分布在低杨氏模量单元内的碳纳米管的增强效应更明显;碳纳米管对材料纳米摩擦作用的增强效应随其倾角的增大而变弱,当倾角增加至一定值时,碳纳米管能起到引导裂隙扩展的作用,反而降低材料单元的强度。(4)对于碳纳米管在水泥环境下易发生重新团聚的现象,通过在碳纳米管水性分散液内引入适量甲基纤维素,不仅可以抑制水泥孔隙溶液内金属阳离子对碳纳米管的吸附作用,还可以提高分散液粘滞系数,降低纳米颗粒因布朗运动碰撞而团聚的几率,有利于维持碳纳米管在水泥环境下稳定分散,从而提高碳纳米管对水泥基注浆材料力学特性的增强作用。当甲基纤维素含量过高时,不仅不利于碳纳米管的分散,还会在浆液固结体内引入大量气泡,使固结体内孔洞更发育,于最终强度有不利影响。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU528
【部分图文】：

例如：硅粉虽然可以提高水泥类注浆材料的稳定性和固结强度，然而由于其比表面积较大，在浆体搅拌过程中容易导致颗粒间吸附抱团，降低浆体的流动性[28]；粉煤灰、高炉矿渣等对浆体性能影响也较为复杂，甚至降低浆液的稳定性和强度[43]；通纤维材料能抑制水泥固结基体内的裂纹萌生扩展，但影响浆体在岩体裂隙内的运移扩散[44]；植物灰、废橡胶颗粒等的使用无疑又增加了浆体制备的工序。因此需要通过引入新的改性技术，在能保证水泥基注浆材料强度特性得到提高的同时不影响其其他方面的性能，在岩体注浆加固领域有较好的应用前景。1.2.2 碳纳米管增强水泥基复合材料研究现状（1）碳纳米管的性质碳纳米管（Carbon nanotubes，以下简称为 CNTs），自 1991 年被日本科学家 Ijim发现以来[64]，由于其新颖独特的结构和优异的物理力学特性，已引起国内外物理、化学、材料、电子界的极大兴趣[65-68]。CNTs 是由单层或多层石墨片卷曲而成的无缝纳米级纤维状材料，是由一个碳原子通过 sp2杂化与周围三个碳原子完全键合而成的六边形平面组成的圆柱面[19]。CNTs 可分为单壁碳纳米管（SWCNTs）和多壁碳纳米管（MWCNTs）两种[69-71]（图 1-1）。

1 绪论Al-Rub 等[83]研究了普通的和经酸化处理后的 CNTs 分别对水泥材料 28 天龄期的杨氏模量、抗弯强度的影响，发现 0.2 wt%含量的 CNTs 能使材料的杨氏模量和抗弯强度分别提高约 27%和 85%左右，而加入酸化处理后的 CNTs 却对材料的力学特性有不利影响。他们将这一现象归因于酸化处理后的 CNTs 能使水泥基体内钙矾石物相的组分增加，从而降低 C-S-H 凝胶的含量的缘故。Gdoutos 等[84]从断裂力学角度分析了碳纳米纤维和 CNTs 对水泥砂浆力学特性的影响，发现 CNTs 能使水泥砂浆内 I 型裂纹尖端应力强度因子、应变能释放率分别提高约 128%和 155%左右。

目前关于碳纳米管改性水泥基复合材料的研究已日趋成熟，这为制备高性能水泥注浆材料提供了依据。水泥基注浆材料水灰比通常较大，然而纵观国内外文献，关于 CNTs 对高水灰比水泥基材料力学特性的影响的研究较少，有待于进一步探索。1.2.3 碳纳米管增强水泥基复合材料微观作用机理研究现状Makar 等[109]通过扫描电镜观测了 CNTs 对水泥水化过程的影响，发现无论是聚集成束还是独立分散，CNTs 在水泥的早期水化过程中都起到了结晶成核（nucleationeffect）的作用；水化产物以 CNTs 为媒介附着，加快了水化反应的速率，促进了水化产物之间的联结，使最终材料基体的结构更加致密（图 1-3）。Luo 等[89]发现水化过程中 CNTs 表面会被 C-S-H 凝胶包裹，水化产物呈网状分布、互相联结。Balasubramaniam等[110]也研究了CNTs对水泥水化反应的促进效应。Skripkiūnas等[111]分析了含碳纳米管水泥砂浆的傅里叶变换红外光谱（FT-IR），并基于差示热量扫描法（differential scanning calorimetry）计算了水泥砂浆内氢氧化钙的含量的变化量，发现基体内钙矾石和氢氧化钙含量都明显降低，这也说明了 CNTs 对水泥水化反应有促进作用。
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本文编号：2875622