碳纳米管硫铝酸盐水泥基复合材料制备及性能

发布时间：2017-08-24 15:20

  本文关键词：碳纳米管硫铝酸盐水泥基复合材料制备及性能

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【摘要】：硫铝酸盐水泥具有早强、快硬的特性,是特种水泥的一种。生产硫铝酸盐水泥熟料不仅能耗低、易粉磨,并且二氧化碳排放量也很少,仅为硅酸盐水泥的二分之一左右,因此是一种节能、环保水泥。即便如此,硫铝酸盐水泥仍然属于一种韧性较差,抗折强度低的脆性材料,易产生裂纹,建筑结构的使用年限和安全性能会受到很大影响,因此研究人员应致力于增强水泥混凝土韧性方面的研究,提高水泥材料的安全性。多壁碳纳米管(Multi-wall Carbon Nanotubes, MWNTs)属于富勒烯家族,长度为几微米,却具有纳米级直径,通常为几纳米到几十纳米,由大量空心圆柱管嵌套而成。最早由日本电镜学家Iijima于1991年通过高分辨率透射电镜发现,被誉为21世纪最有前途的纳米级材料。碳纳米管具有超强的力学性能,优异的电学和光学性能,因此考虑将碳纳米管加入到硫铝酸盐水泥中,提高硫铝酸盐水泥的强度。本论文结合课题组对于碳纳米管分散性能的研究,选择阿拉伯树胶粉(GA)作为碳纳米管分散剂,研究了不同超声时间和超声功率对碳纳米管分散性的影响；接着研究了碳纳米管硫铝酸盐水泥基复合材料的力学性能和微观作用机理,通过碳纳米管与硫铝酸盐特种水泥的复合,扩展碳纳米管在水泥基材料中的应用。(1)使用GA为分散剂,制备了不同超声时间和不同超声功率的碳纳米管悬浮液,通过紫外可见分光光度计对悬浮液的吸光度进行测试,分析了超声时间对吸光度的影响。同时,结合纳米粒度、Zeta电位分析以及TEM等微观测试手段,表征碳纳米管的在GA溶液中的分散性。结果表明：随着超声时间的增加,碳纳米管悬浮液的吸光度和浓度越来越高,在超声时间100min时达到最大值,平均粒径越来越小,Zeta电位表明超声处理的时间越长,所测得Zeta电位绝对值越大,说明分散的溶液越稳定。超声功率实验结果与超声时间对碳纳米管分散性影响相类似,碳纳米管的吸光度以及浓度会随着超声功率的增大而增加,超声功率360W时,碳纳米管在260nm处的吸光度和浓度达到最大值,分别为2.62、0.205g/L,继续加大超声功率,碳纳米管悬浮液的吸光度和浓度又有所降低。Zeta电位也表明在超声功率360W时,Zeta电位的绝对值最大,达到了22.3 mV,说明此时的分散的溶液最稳定。(2)碳纳米管硫铝酸盐水泥净浆试件的抗折强度和抗压强度随碳纳米管掺量的增加出现先增后减的抛物线趋势,且均高于空白试件。对于抗折强度而言,在养护龄期为28d,水灰比为0.25条件下,硫铝酸盐水泥净浆试件表现最好的是碳纳米管掺量0.08wt.%,此时的抗折强度达到21.3MPa,相比于空白试件的13.4MPa提高了58.9%。碳纳米管同样可以提高硫铝酸盐水泥的抗压强度,在0.25和0.30水灰比碳纳米管掺量为0.08wt.%时,与空白试样相比,抗压强度增长了8.6%和20.6%,在此条件下,碳纳米管还可以改善硫铝酸盐水泥基材料的韧性,硫铝酸盐水泥净浆的折压比分别提高了46.2%和29.0%；在0.35、0.40水灰比以及0.1wt%碳纳米管掺量条件下,硫铝酸盐水泥净浆抗压强度分别增长了6.2%和4.2%。(3)随着碳纳米管的掺量的增加,硫铝酸盐水泥砂浆的抗折强度和抗压强度都呈抛物线趋势,在碳纳米管掺量为0.1wt.%时达到最大值,继续加大掺量反而出现降低趋势。其中抗折强度达到最大值12.9MPa,与空白试件相比提高了13.16%；抗压强度达到最大值80.6 MPa,与空白试件相比提高了13.20%。并且随着养护龄期的增加,硫铝酸盐水泥砂浆的抗折、抗压强度都逐渐增大。最后,结合SEM、TEM、EDS、XRD、TG、MIP等多种微观测试手段,对碳纳米管增强硫铝酸盐水泥性能的微观机理进行了分析。结果如下：分散性能良好的碳纳米管加入到硫铝酸盐水泥浆体中后,可以促进水化,密实浆体,从而改善硫铝酸盐水泥浆体微观结构,提高性能。
【关键词】：碳纳米管 硫铝酸盐水泥 力学性能 机理
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ172.7;TB33
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-18
• 1.1 课题的理论背景及意义11-12
• 1.2 研究进展12-16
• 1.2.1 碳纳米管分散性研究12-13
• 1.2.2 碳纳米管水泥基复合材料基本力学性能研究13-14
• 1.2.3 碳纳米管水泥基复合材料的电学性能研究14-15
• 1.2.4 碳纳米管水泥基复合材料的数值模拟研究15
• 1.2.5 发展趋势15-16
• 1.3 论文的研究内容和技术路线16-18
• 1.3.1 主要研究内容16-17
• 1.3.2 技术路线17-18
• 2 原材料及实验设计18-27
• 2.1 碳纳米管的表征18-24
• 2.1.1 碳纳米管的物理参数18
• 2.1.2 热重分析18-19
• 2.1.3 XRD分析19-20
• 2.1.4 微观形貌观察20-22
• 2.1.5 EDS能谱分析22-24
• 2.2 硫铝酸盐水泥的表征24
• 2.2.1 硫铝酸盐水泥的物理参数24
• 2.2.2 硫铝酸盐水泥的成分分析24
• 2.3 总体实验设计24-26
• 2.3.1 超声时间和超声功率对碳纳米管分散性影响实验设计24
• 2.3.2 硫铝酸盐水泥净浆配合比设计24-25
• 2.3.3 硫铝酸盐水泥砂浆配合比设计25-26
• 2.4 本章小结26-27
• 3 超声时间和超声功率对碳纳米管分散性能的影响研究27-43
• 3.1 引言27
• 3.2 原材料及实验仪器27-28
• 3.3 超声时间对碳纳米管分散效果的影响28-35
• 3.3.1 碳纳米管悬浮液的制备28
• 3.3.2 碳纳米管悬浮液的UV-vis表征28-29
• 3.3.3 碳纳米管悬浮液的纳米粒度以及Zeta电位测试29
• 3.3.4 碳纳米管悬浮液的TEM测试29-30
• 3.3.5 结果与讨论30-35
• 3.4 超声功率对碳纳米管分散效果的影响35-41
• 3.4.1 碳纳米管悬浮液的制备35
• 3.4.2 碳纳米管悬浮液的测试与表征35
• 3.4.3 结果与讨论35-40
• 3.4.4 机理讨论40-41
• 3.5 本章小结41-43
• 4 碳纳米管复合硫铝酸盐水泥基材料力学性能研究43-67
• 4.1 试验原材料和试验测试仪器43-44
• 4.1.1 试验原材料43-44
• 4.1.2 试验测试仪器44
• 4.2 碳纳米管硫铝酸盐水泥净浆的基本性能研究44-47
• 4.2.1 碳纳米管对硫铝酸盐水泥净浆安定性和凝结时间的影响44-46
• 4.2.2 碳纳米管对硫铝酸盐水泥净浆干燥收缩的影响46-47
• 4.3 碳纳米管硫铝酸盐水泥净浆的力学性能研究47-61
• 4.3.1 试验安排与试件制备47-49
• 4.3.1.1 试验安排47-48
• 4.3.1.2 试件制备48-49
• 4.3.1.3 力学性能测试49
• 4.3.2 测试结果49-61
• 4.3.2.1 抗折强度测试结果49-55
• 4.3.2.2 抗压强度测试结果55-61
• 4.4 碳纳米管硫铝酸盐水泥砂浆力学性能研究61-66
• 4.4.1 试验安排与试件制备61-62
• 4.4.1.1 试验安排61
• 4.4.1.2 试件制备61-62
• 4.4.1.3 力学性能测试62
• 4.4.2 结果与讨论62-66
• 4.5 本章小结66-67
• 5 碳纳米管改善硫铝酸盐水泥基材料性能的作用机理研究67-81
• 5.1 SEM分析67-70
• 5.2 EDS分析70-75
• 5.3 XRD分析75-76
• 5.4 热稳定性分析76-78
• 5.5 压汞孔结构分析78-80
• 5.6 本章小结80-81
• 结论81-84
• 参考文献84-89
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况89-90
• 致谢90-91

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本文编号：732030