碳纳米管的分散性及其水泥基复合材料耐久性能

摘要

碳纳米管凭借其优异的力学、电学等性能，成为目前最具发展前途的纳米材料之一。关于碳纳米管水泥基复合材料研究的报道已经比较广泛，其内容多数围绕水泥基材料的物理力学特性和电学特性，对其耐久性能的研究还很少。本文针对碳纳米管的分散性、碳纳米管水泥基复合材料的抗渗透性能、抗硫酸侵蚀性能以及早龄期自收缩性能四个方面展开了较为系统的研究;同时，借助SEM、XRD等微观测试技术对碳纳米管改善水泥基复合材料耐久性能的作用机理进行了深入探索。主要的研究工作包括:
　　通过多种分散剂以单掺和复掺的方式、结合超声分散法，制备了碳纳米管悬浮液。通过测定悬浮液的紫外可见光吸光度，结合静置观察法与离心分离法，对碳纳米管在水溶液中的分散性进行了研究。结果表明:单掺时，聚乙烯吡咯烷酮(PVP)对碳纳米管的分散效果最佳;复掺时，PVP与甲基纤维素对碳纳米管的分散效果最好。通过测定碳纳米管悬浮液的紫外可见光吸光度、等温吸附曲线法、表面张力法和Zeta电位法等方法系统研究了PVP对碳纳米管分散效果的影响，并分析讨论了PVP对碳纳米管的分散机理。结果表明:PVP与碳纳米管的浓度比为5∶1时，其对碳纳米管悬浮液的分散效果最佳;等温吸附曲线测试表明PVP在碳纳米管表面的吸附为典型的双平台型，当PVP浓度为0.5g/L时，其在碳纳米管表面达到饱和吸附;PVP作为分散剂可以使碳纳米管悬浮液的表面张力由60.86mN/m降至50.76mN/m; Zeta电位由-15.6mV升至-7.8mV。
　　采用快速氯离子迁移系数法测试碳纳米管水泥基复合材料的抗渗透性能;采用国家标准《GB/T50082-2009》中硫酸盐侵蚀性能测试方法来测定碳纳米管水泥基复合材料的抗硫酸盐侵蚀性能;采用安明喆提出的测试混凝土自收缩装置测试碳纳米管水泥基复合材料的早龄期自收缩性能。结果表明:碳纳米管的掺入可以降低水泥基复合材料的氯离子扩散系数，提高水泥基复合材料的抗硫酸盐侵蚀性能，减小水泥基复合材料的早龄期自收缩值。当碳纳米管的掺量为0.10wt.％时，水泥基材料的氯离子扩散系数达到最小值为1.43×10-12m2/s，与空白试件相比下降了39.7％;抗压强度耐蚀系数K120大于1.0;当碳纳米管的掺量为0.15wt.％时，水泥基复合材料的自收缩值最小，其7天龄期自收缩值比空白试件低28％。
　　SEM、XRD等微观测试结果表明:碳纳米管能够填充水泥基材料的微细孔，提高水泥石的密实度;当水泥硬化浆体内发生侵蚀破坏时，碳纳米管可以充分发挥其桥联作用，有效防止裂缝的产生和发展。碳纳米管的掺入可以促进水泥的水化，增加水化硅酸钙的生成量;能够细化孔径、降低孔隙率，明显改善水泥基复合材料的微观结构。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 碳纳米管水泥基复合材料的研究进展和发展趋势

1．2．1 碳纳米管分散性的研究

1．2．2 碳纳米管水泥基复合材料的力学性能研究

1．2．3 碳纳米管水泥基复合材料的电学性能研究

1．2．4 碳纳米管水泥基复合材料的数值模拟研究

1．2．5 碳纳米管水泥基复合材料的耐久性研究

1．2．6 碳纳米管水泥基复合材料研究发展趋势

1．3 碳纳米管在水泥基复合材料研究中存在的问题及本论文研究目标

1．3．1 存在的问题

1．3．2 研究目标

1．4 本论文的研究内容和技术路线

1．4．1 研究内容

1．4．2 技术路线

2 碳纳米管的性能参数与指标

2．1 碳纳米管的物理参数

2．2 碳纳米管的热氧化行为分析

2．3 碳纳米管的XRD分析

2．4 FT-IR分析

2．5 微观形貌分析

2．6 本章小结

3 碳纳米管在水溶液中的分散性能研究

3．1 引言

3．2 原材料及实验仪器

3．3 不同分散剂条件下碳纳米管的分散情况

3．3．1 碳纳米管悬浮液的制备

3．3．2 碳纳米管悬浮液的测试与表征

3．3．3 结果与讨论

3．4 聚乙烯吡咯烷酮对碳纳米管分散性能影响

3．4．1 碳纳米管悬浮液的制备

3．4．2 碳纳米管悬浮液的测试与表征

3．4．3 测试结果

3．4．4 讨论

3．5 本章小结

4 碳纳米管水泥基复合材料的制备与耐久性能研究

4．1 原材料与试件制备

4．1．1 原材料及仪器

4．1．2 试件制备

4．2 碳纳米管水泥基复合材料抗渗透性能研究

4．2．1 抗渗透性能的重要性

4．2．2 实验设计与测试方法

4．2．3 结果与讨论

4．3 碳纳米管水泥基复合材料抗硫酸盐侵蚀性能研究

4．3．1 硫酸盐侵蚀破坏的机理

4．3．2 实验设计与测试方法

4．3．3 结果与讨论

4．4 碳纳米管水泥基复合材料早龄期自收缩性能研究

4．4．1 自收缩的产生和机理

4．4．2 实验设计与测试方法

4．4．3 结果与讨论

4．5 本章小结

5 碳纳米管水泥基复合材料耐久性能改善的微观机理

5．1 SEM分析

5．2 EDS分析

5．3 XRD物相分析

5．4 TG／DSC综合热分析

5．5 压汞法孔结构分析

5．6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

作者简介