碳纳米管水泥基复合材料阻尼性能研究.pdf

2023年第6 期（总第40 4期）Number 6 in 2023(Total No.404)doi:10.3969/j.issn.1002-3550.2023.06.015混凝土ConcreteMATERIALAND ADMINICLE原材料及辅助物料碳纳米管水泥基复合材料阻尼性能研究吴经纬1，徐凯，刘修良1，曾晨1，王激扬1(1.浙江大学建筑工程学院，浙江杭州310 0 58；2.浙江交投高速公路建设管理有限公司，浙江杭州310 0 2 4)摘要：为了研究碳纳米管不同掺量下水泥基复合材料的阻尼性能和力学性能，采用了动态力学分析仪研究其在不同应变下的阻尼，采用抗压抗折试验测试力学性能变化,并结合扫描电镜及压汞试验，探究力学性能变化原因和阻尼增强的微观机理。研究表明：2 8 d龄期时，掺量为0.1%的碳纳米管水泥基复合材料的抗折强度相比对照组提高43%，抗压强度下降15%，损耗因子提高55.9%，损耗模量提高8.5%。碳纳米管在水泥基体中可以桥联水化产物，延缓裂缝的发展。表面活性剂TNWDIS的抑制水化和引气作用将导致碳纳米管水泥基复合材料抗压强度的降低。碳纳米管能在水泥基体中建立一种可触发的界面摩擦耗能机制，触发的应变阈值约为0.0 3%0.0 4%。关键词：碳纳米管；水泥基复合材料；阻尼性能；力学性能；微观结构中图分类号：TU528.0412.Zhejiang Transportation Investment Highway Construction Management Co.,Ltd.,Hangzhou 310024,China)Abstract:The damping and mechanical properties of CNT-reinforced cementitious composites with different contents of CNTs werestudied.Dynamic mechanical analysis was used to study the damping performances of CNT-reinforced cementitious composites underdifferent strains.The changes of mechanical properties were tested by compressive and flexural strength tests.The reasons of the mechanicalproperties changes and the mechanism of damping enhancement were analyzed by the scanning electron microscope and mercury intrusionporosimetry.The results show that the flexural strength,the loss factor and loss modulus of the CNT-reinforced cementitious compositeswere improved by 43%,55.9%and 8.5%,respectively,with the addition of 0.1%CNTs.However,the compressive strength of theCNT-reinforced cementitious composites was decreased by 15%with 0.1%dosage of CNTs,at the age of 28 days.Carbon nanotubes couldbridge hydration products in cement matrix and limit the development of cracks.The compressive strength of cementitious composites wasdecreased by the air entrainment and hydration inhibition of TNWDIS surfactant.CNTs could establish a triggering damping mechanism incementitious composites,and the triggering threshold strain is about 0.03%o0.04%o.Key words:carbon nanotubes;cementitious composites;damping property;mechanical behavior;microstructures文献标志码：ADamping properties of CNT-reinforced cementitious compositesWU Jingwei,XU Kai?,LIU Xiuliang,ZENG Chen,WANG Jiyang!(1.College of Civil Engineering and Architecture,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China;文章编号：10 0 2-3550(2 0 2 3)0 6-0 0 7 5-0 6体的界面数量受掺量影响极大，高掺量应用下引起的搅拌0引言不均匀、流动性降低、孔隙和缺陷增加是微米级纤维在水混凝土结构的动力特性在现代社会中非常重要，有效泥基复合材料中应用的巨大障碍12。的振动控制能延长结构使用寿命,减少结构维护费用和降碳纳米管的力学性能、比表面积远远优于传统材料 13-14,低噪音污染。水泥基材料阻尼性能的提升能提高结构耗将碳纳米管掺加到水泥基材料中能很好地避免聚合物应用散能量的能力,降低结构的振动响应。近年来,国内外学者后水泥基复合材料出现强度、刚度、耐久性下降的问题 15-16，对水泥基复合材料的阻尼提升进行了大量相关研究，将聚同时碳纳米管的低掺量应用也能很好规避微米级纤维高合物、纤维等掺合料加人到水泥中，设法增强水泥基复合掺量应用后出现的负面效应。材料的阻尼,进而提升材料在循环荷载下的耗能能力。聚合Suhr等17 将碳纳米管应用于环氧树脂薄膜中,实现了物水泥基复合材料能凭借聚合物的黏性阻尼显著提高材在不降低聚合物强度和刚度的情况下,阻尼比提升140 0%。料阻尼2-4,但是常常伴随着复合材料刚度、强度、耐久性的虽然国内外学者对碳纳米管在聚合物阻尼性能提升领域降低 5-8 。掺加微米级纤维的水泥基复合材料能借助界面脱已经取得了一些成果，但是碳纳米管提升水泥基复合材料黏和界面库伦摩擦提升材料阻尼 9-1,但是纤维与水泥基在不同动态应变下阻尼特性的相关研究却很少。收稿日期：2 0 2 2-0 3-0 8基金项目：国家重点研发计划（2 0 19 YFE0112600）；国家自然科学基金（5157 8 49 5）；住房和城乡建设部科技项目（2 0 19-K-041）75本试验着重研究碳纳米管水泥基复合材料在不同掺量下和不同应变下的阻尼性能，为此设计制备了6 种不同碳纳米管掺量（水泥质量的0.0.0 5%、0.1%、0.5%、1%、1.5%）的水泥基复合材料，同时测定了其抗压、抗折强度，结合MIP压汞试验和SEM扫描电镜进一步探究碳纳米管对水泥基复合材料阻尼提升机理。1试验材料与试验方案1.1试验原材料试验原材料包括普通硅酸盐水泥、碳纳米管、表面活性剂TNWDIS、水,其中水泥采用上海海螺水泥有限责任公司生产的PO42.5级水泥；试验用水为蒸馏水；碳纳米管和表面活性剂TNWDIS为中国科学院成都有机化学有限公司生产,其中碳纳米管材料性能如表1所示。表1砭碳纳米管的基本参数外径纯度长度比表面积灰分堆积密度材料/nm/%/um/(m/g)多壁碳纳米管30 8 09860 10 GPa)远高于水泥基体的抗拉强度，当水泥基体与碳纳米管某处界面的剪切应力大于黏结强度，碳纳米管就容易在水泥基体上脱黏滑移并在此过程中耗散能量。一旦发生这种脱黏，水泥基体将在持续的应变下与碳纳米管外壁进行摩擦，同时多壁碳纳米管内壁间也会在相对运动中发生脱黏和摩擦 2 ,以此进一步耗散能量。因此，界面滑动摩擦耗能可能成为碳纳米管第一次脱黏滑移后耗能的主要机制。由图中可以发现，触发碳纳米管水泥基复合材料优异的阻尼耗能机制的应变阈值约为 0.0 3%0.0 4%0。在这种情况下，脱黏滑移后的碳纳米管水泥基复合材.770.050.050.10碳纳米管掺量/%0.10碳纳米管掺量/%0.501.000.501.001.501.502827262523122210.0500.0450.0400.035F0.0300.0250.0200图5碳纳米管水泥基复合材料损耗因子与应变关系曲线料的阻尼将与施加应变大小紧密相关 17。从图5中可以发现，对照组由于未掺加碳纳米管，损耗因子几乎不受应变影响，损耗因子一直稳定在0.0 31左右。掺加碳纳米管的水泥基复合材料，当应变施加到0.0 4%o之后，所有试件损耗因子随着应变增大都有不同程度的增强。当应变为0.2 5%时，碳纳米管掺量为0.1%的C2试件，其损耗因子比对照组CO提高了55.9%。图6(a)为碳纳米管水泥基复合材料损耗因子与频率的关系。在频率为2 Hz,预定振幅为7 m,碳纳米管掺量为0.05%（C1试件）和0.1%(C2试件）时，损耗因子比对照组分别提高了11.2%和2 9.3%。图6(b)为碳纳米管水泥基复合材料损耗模量与频率的关系曲线图,从图6 中可以看出，当碳纳米管掺量为0.1%(C2试件）,振幅为7 m,频率为2 Hz时，其损耗模量比对照组提高了8.5%。所有样品在2 Hz，7m振幅时,同时具有最高损耗因子和损耗模量，但所有试件损耗因子和损耗模量受频率变化影响不大。0.0400.0380.0360.034子0.032年0.0300.0280.0260.0240.0220.5650r6005505004504003503002500.5图6 损耗因子和损耗模量与频率关系图2.3微观形貌分析图7 为碳纳米管水泥基复合材料在2 8 d龄期的水化产物图（1mm尺度下），通过C3、C 4C 5组的扫描电镜图可以观察到，水泥基体表面的圆形空气孔显著增加，原本致密的微观形貌逐渐变得疏松空洞，这主要是由于随着碳纳米管掺量的增加,TNWDIS含量随之增加，引气作用愈加78空气孔孔洞阅值应变CoC1+C2+C3C4C50.050.10应变/%1.01.5频率/Hz(a)损耗因子-频率关系曲线图1.01.5频率/Hz(b)损耗模量-频率关系曲线图0.152.02.00.2010.25Co1+C2C3C4C52.5CoC1+C2C3C4C52.5IFW0.00K(a)Co8.4mm2.30mm(c)C22.98.mHFW(e)C4图7 2 8 d龄期下碳纳米管水泥基复合材料微观形貌（1mm尺度下）明显,搅拌过程中引入的气泡影响了水泥基体的孔隙结构 2 5。图8 为碳纳米管水泥基复合材料2 8 d龄期时1m尺度下的扫描电镜图,C1、C 2、C 3组的碳纳米管通过表面活性剂和超声处理均匀地分散在水泥基体中,具有较高长径比的碳纳米管在基体中起到了单线桥联、网状桥联的作用，将松散的水化硅酸钙凝胶整合为碳纳米管包裹的致密网状结构 30 。当基体中的微裂缝开始形成时，碳纳米管可以很好地横跨在裂缝之间起到桥联作用和荷载传递，有效阻止和限制了裂缝的发展 2 0 。C4、C 5组扫描电镜图显示当碳纳米管掺量提高至1%和1.5%时，当分散均匀的碳纳米管分散液与水泥搅拌过程中，碳纳米管容易在新鲜的水泥基体中重新团聚 2 4,形成直径为1 5 m的碳纳米管团聚体，进而影响碳纳米管水泥基复合材料的力学性能和阻尼性能。2.4孔隙结构分析不同碳纳米管掺量下水泥基复合材料孔体积和累积孔体积分布曲线见图9,从图9(a)中可以观察到随着碳纳米管和TNWDIS的掺人材料孔隙率显著增加，劣化了孔隙结构。根据孔对混凝土性能的危害程度进行划分，将孔隙分为无害孔级（2 0 0 nm)31。图9(b)中与对照(b)C1.00kVl01100z.5mml2.0mml空气孔孔洞空气孔O孔洞FAhean(d)C3空气孔孔洞mm12.98mHFA(fC5nivesit现表面活性剂引气的负面效应远远超过了纳米填充的正面效应，水泥基复合材料中的有害孔体积显著增加。3结论CNT(1)分散较好的碳纳米管能大幅提高水泥基复合材料的抗折强度，2 8 d龄期时，当碳纳米管掺量为0.1%时，碳纳CNT米管水泥基复合材料抗折强度相比对照组提高43%FV(2)碳纳米管水泥基复合材料具有优异的界面摩擦耗(a)CI(b)C2CNTCNTdetspot98(c)C3N图8 2 8 d龄期下碳纳米管水泥基复合材料微观形貌(1m尺度下）0.180.16(3/)/0.140.120.100.080.060.040.02010.20200 nm2050nm150200nm20nm(3/Tu)/注0.150.100.050图9 碳纳米管水泥基复合材料孔体积分布曲线(2 8 d）组相比可以发现，当碳纳米管掺量为0.0 5%、0.1%时，碳纳米管的纳米填充效应细化了部分少害孔，使无害孔占比增加。但当碳纳米管掺量提高至0.5%、1%和1.5%后，可以发能机制，当应变为0.2 5%o，碳纳米管水泥基复合材料的损耗因子可以相比对照组提高55.9%，损耗模量提高8.5%。此外，发现触发碳纳米管水泥基复合材料优异阻尼耗能机制的应变阈值约为0.0 3%0.0 4%。（3）表面活性剂TNWDIS的抑制水化和引气作用是导致碳纳米管水泥基复合材料抗压强度降低的主要原因。2 8 d龄期时，当碳纳米管掺量为0.1%,TNWDIS掺量为0.0 2%时，碳纳米管水泥基复合材料抗压强度相比对照组降低15%。rstythe(d)C4(e)C5coC1C2-C3C4C510100孔径/nm(a)累积孔体积分布曲线00.05(b)孔体积分布曲线(4)碳纳米管具有纳米填充效应,分散较好的碳纳米管可以填充水泥基体中部分少害孔(2 0 50 nm）,细化孔隙结构。参考文献：1 CHUNG D D L.Structural composite materials tailored for dampingJournal of Alloys and Compounds,2003,355(1-2):216-223.2 ADAM G B.Comparison and analysis of the strength,stiffness,anddamping characteristics of concrete with rubber,latex,and carbonateadditivesDVirginia:Virginia Polytechnic Institute and State Univ-ersity,201l.3 GISBERT A N,BORRELL J M G,GARCiA F P,et al.Analysisbehaviour of static and dynamic properties of ethylene-propylene-diene-methylene crumb rubber mortarJJ.Construction and BuildingMaterials,2014(50):671-682.4 张忠明,刘宏昭,王锦程,等.金属材料阻尼性能测试系统 西安理工大学学报,2 0 0 0(2)：133-137.5 XUE J,SHINOZUKA M.Rubberized concrete:a green structuralmaterial with enhanced energy-dissipation capabilityJJConstructionand Building Materials,2013(42):196-204.6 NAJIM K B,HALL M R.Mechanical and dynamic properties of self-compacting crumb 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3-),男,博士,副教授,主要从事结构工程抗震与加固,高性能建筑材料的研究。联系电话：1300363558815混凝土结构设计规范(2 0 15版)：GB500102010S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 15.第一作者：黄靓(19 7 4-),男,博士,教授,博士生导师,研究方向：主要从事混凝土和砌体结构以及固废资源化研究。联系地址：湖南省长沙市岳麓区麓山南路2 号湖南大学土木工程学院(410 0 8 2)联系电话：[phone]通讯作者：吴玉前（19 9 7-）,男,硕士研究生,研究方向：地聚物再生混凝土。联系电话：[phone]孔隙特征研究 建筑材料学报,2 0 2 1(6)：117 9-118 6.7 秦拥军,严文龙,于江.掺锂渣再生混凝土弹性模量及应力-应变曲线试验 J.科学技术与工程，2 0 16,16(16)：2 54-2 6 2.第一作者：胡明华(19 6 8-）,男,高级工程师,主要从事土木工程材料与施工研究。联系地址：江西省南昌市国家经济技术开发区广兰大道418 号东华理工大学土木与建筑工程学院(330 0 13)联系电话：[phone]