文摘

为了研究水泥基复合材料的力学性能和耐久性与碳纳米管,测试和分析实验设计。原材料和相关医药器械准备,获得与碳纳米管水泥基复合材料样品的催化热解根据不同比例。准备的样品作为实验对象,和不同的承载力是应用于不同位置的样本,观察样品的变化,然后,实验结果得到了复合材料的力学性能。耐久性试验结果获得通过将测试对象的不渗透性和耐冻性。平均抗压强度为84.09 MPa,挠曲强度平均为16.9 MPa,抗裂性指数为22.5。另外,样品的结构和扩散系数也不同程度变化后浸和冻融处理的解决方案。通过纵向比较,碳纳米管添加到水泥基复合材料,其力学性能和耐久性越好。

1。介绍

碳纳米管是有特殊结构的一维量子材料。各种纳米粒子纳入矩阵时,创建纳米复合材料比传统材料的性能代价。主要原因为纳米复合材料的增强功能和品质是纳米颗粒的温和加载到基本矩阵,由于纳米粒子有优越的分散在父矩阵。(1- - - - - -3]。碳纳米管主要由六角形的碳原子,形成几美元到几十个同心管。层之间的距离约为0.34 nm,直径通常是2 - 20海里。根据的不同取向碳六角沿着轴向方向,它可以分为三种类型:锯齿形,扶手椅,螺旋。其中,螺旋碳纳米管手性,虽然曲折和扶手椅碳纳米管没有手性。碳纳米管作为一维纳米材料,重量轻,完全连接在六角结构中,有过许多不寻常的机械、电气、化学性质。近年来,随着碳纳米管和纳米材料的深入研究,他们的广阔的应用前景也不断涌现4,5]。碳纳米管可以看作是卷石墨烯表。因此,根据石墨烯表的数量,可以分为单壁碳纳米管和热合。根据碳纳米管的导电性能,他们可分为金属型碳纳米管和半导体型碳纳米管。根据是否有管壁缺陷,他们可分为完美的碳纳米管和碳纳米管缺陷。根据形状,它可以分为直管类型,碳纳米管包Y类型、蛇型等等。碳纳米管为原料,广泛应用于许多领域因其优异的机械、电气、传热和光学性质。

水泥基复合材料是一种基于硅酸盐水泥复合材料,它是由耐碱玻璃纤维、合成纤维,各种陶瓷纤维、碳和芳纶纤维,金属丝,天然植物纤维和矿物纤维为强化,添加填料、化学添加剂和水通过复合过程。它比普通混凝土。带着捷径耐碱玻璃纤维复合含量约3%的-10%作为一个例子,它的密度是1600 - 2500公斤/米³,冲击强度为8.0 N·毫米/ -24.5毫米²抗压强度是48 - 83 MPa,热膨胀系数(16)×10-6k-1 [6]。属性随原材料,比,过程,和固化条件使用。水泥基复合材料基本上都是用于生产建筑组件,如内外墙板、天花板。1994年,外国研究人员使用化学切割的方法介绍碳纳米管的表面活性官能团,同时,结合超声波处理方法得到良好分散的碳纳米管溶液,和研究的机理不同类型的阴离子表面活性剂对碳纳米管的分散,获得与碳纳米管水泥基复合材料。

Gillani et al。7]发现多层碳纳米管的均匀分散复合矩阵(热合)持有的关键力学性能的复合材料。Foldyna et al。8)提出了一种新颖的纳米分散技术使用发声器的脉动喷射。Saralch et al。9)发现,纳米黏土分散在聚丙烯基体中起着重要作用在纳米复合材料的制备。他们的研究在纳米复合材料的拉伸试验的应力-应变行为以及关键检查使用场发射扫描电子显微镜(FESEM)断裂表面的发展这部分每几百树脂(phr)值大约五提供最大的力量。

碳纳米管复合材料国内外研究了。然而,与其他基体材料不同,很少有报道与碳纳米管水泥基复合材料。近年来,一些学者做出了初步探索的机械和电气性能与碳纳米管水泥基复合材料。外国研究人员研究了水泥基复合材料的力学性能与nanocarbon纤维。为了提高可分散性纳米碳纤维的水泥矩阵,分散剂和超声用于治疗第一,分散碳纳米纤维制备溶液。时可以获得最好的分散悬浮分散剂和碳纳米纤维的比例是相同的。在水泥基复合材料,分析表明,nanocarbon纤维控制纳米级微裂隙的发展,而弯曲强度、弹性模量、和复合材料的硬度大大增强。在最近的两年里,哈尔滨理工大学,同济大学,大连理工大学和其他大学已经开始探索碳纳米管增强水泥基材料和做了一些基本的突破。通过单轴压缩试验和疲劳裂纹试验,普通混凝土和自密实混凝土的基本力学性能与三种类型的混合nanocarbon纤维测试,和最优混合量进行了讨论。发现nanocarbon纤维通过适当的混合量和良好的色散可以提高混凝土的抗压强度和分裂的抗拉强度和混凝土材料具有良好的加固效果。

碳纳米管优良的理化性质和有一个很宽的水泥基复合材料的应用前景。然而,目前,世界各地的研究人员正面临着以下常见问题:大规模制备碳纳米管仍然是一个瓶颈,这就极大地限制了碳纳米管的应用程序的开发和研究;碳纳米管的力学性能及其强化机制不明确;水泥基复合材料的耐久性研究几乎没有。解决这些常见的问题,我们需要加强合作材料化学领域的研究人员和专家、学者。一方面,我们需要突破的关键技术,进一步研究和发展新技术与低成本,适合大规模生产的碳纳米管,并继续研究其力学性能。另一方面,通过建模和仿真加强增长现象和机制的研究,实验分析结果得到了复合材料的耐久性,从而真正实现在水泥混凝土中的应用。

2。制备碳纳米管水泥基复合材料

的研究现状分析的基础上与国内外碳纳米管水泥基复合材料,这个实验的研究内容,提出了主要包括四个方面:第一是研究碳纳米管的制备和表征结果通过不同类型的水减少代理人;二是研究macromechanical改性水泥基材料的性能与碳纳米管和碳纳米管增强水泥的机制;第三是研究碳纤维取向排列的方法和技术在水泥和水泥基材料的力学性能改性的碳纤维取向排列;第四是研究水泥基复合材料的耐久性与碳纳米管(10]。因此,首先,水泥基复合材料的力学性能和耐久性与碳纳米管准备为研究样本。

2.1。原材料的准备

原材料的成分是他们macroproperties密切相关。原材料的属性和类型对实验结果有至关重要的影响。因此,原材料的选择和应用应该满足实验的要求,这是关键环节,以确保实验的顺利进行。原材料的准备将在以下内容中详细介绍。

2.1.1。碳纳米管

实验中使用的碳纳米管包括常见的多层碳纳米管(IMC6)和常见的羧基热合(IMC6-CH),这是由北京波宇高科技新材料科技有限公司有限公司(11]。IMC6-CH是改性羧酸盐的导数IMC6接受化学治疗在液相氧化。IMC6表面惰性,缺乏活跃的官能团。有大量的羧基官能团IMC6-CH表面,这使得它更容易为热合羧基与水泥基体和桥接剂。碳管的物理参数如表所示1。

从表可以看出1碳纳米管的尺寸非常小,长度直径比大,纯度高,比表面积大。

2.1.2。分散剂

阿拉伯树胶被选中作为碳纳米管的水分散剂。阿拉伯树胶可以改善的亲水性和可分散性热合的长链涂层。聚乙烯醇与水泥具有良好的化学交联矩阵,和聚乙烯醇的羟基与羧基相连。聚丙烯酰胺用于改善砂浆性能与其他纤维与纤维同时显示了良好的兼容性,所以聚乙烯醇、聚丙烯酰胺选择两个连接代理。去沫剂磷酸三丁酯。

2.1.3。水泥

作为建筑工程最重要的胶结材料,水泥的物理和化学性质对水泥产品的性能有很大的影响。水泥使用基准水泥生产的水泥科学与新型建筑材料科学研究所的中国建筑材料科学研究院根据中华人民共和国的国家标准GB 8076 - 2008。其化学成分如表所示2。

此外,P-O42.5水泥的物理参数需要进行分析,以及分析结果如表所示3。

2.1.4。减水剂

减水剂的关键是提高碳纤维复合水泥砂浆的工作性能。减水剂分子吸附在颗粒胶结材料的新鲜水泥浆和释放水和发挥的作用形成的溶剂化层膜起到润滑作用,从而起到减水效应的混合物(12,13]。使用的减水剂是减速器MELFLUX Bsaf粉水^®华氏2651度,这是一个修改多羧酸的醚由喷雾干燥过程。水的体积密度参数减速器30-60/100厘米³,干燥损失2%,pH值为6.5 - -8.5,添加量是0.05% - -1.5%。

2.2。连接的准备工具

相应的仪器准备根据与碳纳米管水泥基复合材料的制备方法,包括QM-3SP2行星球磨机、水泥砂浆搅拌机、水泥砂浆测试身体形成振动平台,40毫米×40毫米×160毫米水泥砂浆试验模具,分析天平,称量纸,等等14),此外,超声仪器的类型由上海Shenganalytical超声波仪器有限公司有限公司的微机控制全自动压力试验机由上海华龙检测仪器有限公司,有限公司,微机控制电子万能试验机的类型由济南Sida测试技术有限公司有限公司和电液servouniversal试验机的类型由美国系统公司制造的。准备准备仪器连接根据制备原理,以及由此产生的制备实验装置如图1。

2.3。烟尘排放实时监控子系统

根据机械性能的碳纳米管硫酸铅水泥浆,硫酸铅的力学性能变化与不同水灰比和水泥贴相同数量的碳纳米管,和年龄的影响水泥的力学性能,基于参考高性能水泥基复合材料的混合比例,制备混合比例的水泥基复合材料和碳纳米管如表所示4设计。

2.4。执行的准备过程

作为最有潜力的材料在纳米材料的制备碳纳米管被广泛关注。目前,碳纳米管的制备方法主要包括电弧放电法、激光蒸发法、催化热解方法,其中催化热解方法广泛用于制备碳纳米管由于其优势反应过程容易控制、适用性强、简单的制备方法,产品纯度高(15]。原材料被添加到实验设备根据设计的混合比例,然后,磁力搅拌和超声进行治疗。然后,样品与碳纳米管水泥基复合催化热解获得的。催化热解的过程如下:溶解一定量的分析纯在去离子水中,添加一定量的硅胶有一定规模,搅拌均匀,然后,忍受;把沉淀,放到一个瓷船,把它放在一个石英管,并得到nanometal粒子附着在硅胶通过干燥、燃烧、高纯氢还原。这是碳氢化合物的热裂解的催化剂(16]。的表达反应过程如下所示:

与此同时,发生以下反应:

碳氢化合物的热解的反应过程是混合与一定比例的氮压缩气体通过一个石英管,排水的氧气。在高温下,分解碳和生长碳纳米管的催化作用下金属粒子。反应如下:

实验后,沉积物在瓷船进行分析,并准备结果如图2。

2.5。标本形成

悬浮碳纳米管添加到水泥基材料形成复合测试块。复合测试块大小的40毫米×40毫米×160毫米。碳纳米管的弹性模量之间的关系,它的直径和长度。碳纳米管的弹性模量随直径的增加,但最终趋于收敛。碳纳米管的弹性模量随长度的增加也会收敛(17]。这样,有些要求分子结构力学模型的长度和直径的大小。在碳纳米管的直径和长度进行分析。碳纳米管(10,10)进行分析,选择和标本的外径和厚度结构如图3。

3所示。力学性能与碳纳米管水泥基复合材料

根据GB / t17617 - 1999试验方法对水泥砂浆的强度,dkz - 5000型弯曲强度试验机是用来测试碳管对水泥基复合材料的弯曲强度的影响,以及为什么式微机控制自动机用于测试碳管对水泥基复合材料的抗压强度的影响(18]。水泥基复合材料的断裂形态与热合的特点是通过su - 70扫描电镜和碳纳米管之间的相互作用机理,探讨了水泥。结合力学分析的结果与碳纳米管水泥基复合材料,具体测试进行不同的力学性能,和相应的力学性能试验结果。

3.1。力学性能的理论分析

碳纤维水泥纳米复合材料的力学性能测试,WDW-50微机控制电子万能试验机是用来进行三点弯曲试验,跨度为100 mm,均匀加载0.20毫米/分钟的速度直到断裂。抗压强度测试的原因- 300微机控制自动加载压力试验机和2400 N / s的速度直到标本损坏(19]。WDW-50微机控制电子万能试验机是用来测试疲劳裂纹的拉伸强度,以及加载速率为0.20毫米/分钟。标本的弯曲性能测试由MTS318通用电动液压servotesting机加载速率的0.10毫米/分钟。最后,水泥基复合材料的力学性能与碳纳米管合成获得的一些力学性能。

假设的直径和长度与碳纳米管水泥基复合材料D和l,圆柱形固体的力学性能可以由其应变能量等于分子结构力学模型的应变能。与碳纳米管水泥基复合样品横向各向同性材料,所以他们应该有五个弹性常数。通过这种方式,结合的直观几何特征分子力学和分子结构力学测试,它可以基于碳纳米管是横向各向同性,也就是说,他们是对称的横截面,因此等效连续体也是横向各向同性(20.]。根据复合材料力学的理论,有一个应力-应变关系。首先,根据广义胡克定律,不同线性弹性体的应力-应变关系可以表示如下:

在(4),刚度系数,弹性应变系数,是压力系数。通过矩阵的变换(4模),五个独立的压力 , , , ,和得到了。压力模获得相对应的宏观等效连续介质模型的常数与碳纳米管水泥基复合材料(21]。与碳纳米管水泥基复合材料的弹性刚度系数的定义是 , , , ,和 ,横向剪切模量 ,横向体积弹性模量 ,轴向剪切模量 ,和轴向模量是风格 。然后,水泥基复合材料的应力弹性刚度系数与碳纳米管可以表示如下:

从前面提到的描述和理论,可以看出,连续的应力-应变关系可以获得只有通过试验方法确定弹性常数。

3.2。设置机械性能测试指标

前面提到的支持下力学性能理论与碳纳米管水泥基复合材料,测试力学性能指数。与碳纳米管水泥基复合材料的弯曲强度指数计算如下:

在(6),参数挠曲强度,代表了加载力与碳纳米管水泥基复合材料试样断裂时,和l和b代表跨度的边长和直接接触表面的实验标本,分别为(22]。同样,抗压强度指数的计算公式可以获得力学性能如下: 在哪里抗压强度,标本时的最大载荷力受损,然后呢是压缩表面的面积。此外,将抗拉强度指数的计算公式如下: 在哪里和 ,分别代表了分裂试样的抗拉强度和分裂表面区域(23]。最终的机械性能测试指标的弯曲韧性指数与碳纳米管水泥基复合材料。相应的断裂能量公式如下:

在(9),的断裂能量准备样品,是封闭的载荷挠度曲线下的面积,和代表质量和重力加速度的准备样品,代表了位移后的最终断裂与碳纳米管水泥基复合材料试样,代表了载荷挠度曲线和分别为标本的高度和厚度。

3.3。机械性能测试和结果分析

准备的水泥基复合材料和碳纳米管样品平均分成几组,放入不同的实验环境来测试不同的力学性能。

3.3.1。抗弯强度测试

在相同水灰比、不同碳纳米管的弯曲强度的碳纳米管水泥基复合标本进行测试。准备标本放置在水平位置,力量应用设备用于应用两端的标本,分别应用价值记录的力,和表面变化的复合是观察到的24]。50 0 N, N, 100 N, 200 N应用,复合的变化如图4。

加载力与碳纳米管应用于水泥基复合材料和实验材料的状态集成。所有的数据替换成(6),弯曲强度测试结果。

结果在表5表明,水泥基复合材料的弯曲强度与碳纳米管在1 d为6.9 MPa, 14.1 MPa和16.8 MPa在3 d和28 d,分别和16.9 MPa 56 d [25]。

3.3.2。抗压强度测试

当任何6个抗压强度超过平均值,平均值作为抗压强度结果后消除。抗压强度测试过程如图5。

通过压缩加载数据的记录和计算,复合材料抗压强度的实验结果如表所示6。

根据表6、在同一水灰比的水泥基复合材料和碳纳米管并没有显著改善水泥的抗压强度包。四种不同水灰比下,水泥基复合材料的抗压强度与碳纳米管接近空白样品或部分增强其抗压强度(26]。与碳纳米管水泥基复合材料的平均抗压强度为84.09 MPa。

3.3.3。混凝土抗裂能力的测试指标

表7显示了裂纹阻力指数的测试结果与不同的碳纳米管水泥基复合材料。

在表7,和d的长度和厚度与碳纳米管水泥基复合标本,分别。最后,抗裂性指数测试结果的综合指数22.5。

4所示。耐久性试验与碳纳米管水泥基复合材料

与碳纳米管水泥基复合材料的耐久性是材料抵抗的能力造成的长期损害自己和自然环境。这是确保其耐久性。更好的耐久性,延长材料的使用寿命。以复合材料为研究对象,复合材料的耐久性实验从两个方面进行不渗透性和耐冻性。

渗透率是指运输和运动过程的解决方案在某些媒体的压力梯度。混凝土,其渗透率一般指是否空气,水,盐离子在水溶液中外部环境很容易侵入到混凝土的内部特征和渗透系数表示。水泥基材料耐久性直接影响建筑结构的安全性和服务时间,和不渗透性是其最重要的耐久性。水泥基材料的不渗透性也耐久性相关的其他方面,如渗透的水,空气,和氯离子在钢筋混凝土;硫酸的渗透到混凝土也由于渗透水和氯离子侵入混凝土的冻融破坏,碱骨料反应,等等,渗透性密切相关。如果水泥基材料的渗透性很好,各种积极的离子,水,和空气不容易进入混凝土,从而保证混凝土结构的耐久性。韩国的样品在饱和溶液饱和氯一小时,然后浸泡24小时。试样的安装前,应进行超声波浴三分钟,以确保试样的表面干净,无油、灰尘和水滴。修复后的试样夹,约300毫升,0.3 mol / l氢氧化钠溶液(或KOH溶液)注入的圆柱试样在阳极表面,和大约12 l氯化钠溶液的质量浓度为10%投入测试阴极表面的容器。测试主机连接上电测试。 According to the initial temperature, the instrument will automatically determine the test time, and the test data will be automatically recorded and saved. The permeability resistance of the cement-based composite with carbon nanotube is determined by observing the microstructure of the composite. The microstructure observation results of the composite at different soaking stages are shown in Figure6。发现碳纳米管发生的重逢,然后,桥梁也被观察到。扫描电子显微镜(SEM)图像样本A3表明水化产品的连接管有增长/沉积。

根据相关数据的统计和比较,氯离子扩散系数与不同的碳纳米管水泥基复合内容的年龄28天,如图7。

抗寒性是指材料抵抗的财产多个“冻融循环”没有疲劳,破损或损坏。测试应当根据相关要求进行速冻保鲜方法的规范。四天前开始的冻融试验、碳纳米管样品应采取目视检查的标准养护箱,然后,要沉浸在水溶液中20±2°C,和水位超过20毫米以上样品的顶面外表面。四天之后,样品从水中取出,表面水干,开始的质量测试和动态弹性模量测试样品后,样品标签。每组样品放入样品盒,然后,投入的样本框示例框架在冻融框。在测试期间,它需要确保盒子里的水面的高度是5毫米高于样品的顶面。冻融的解决方案是添加到冻融框直到冻融溶液的液面超过盒子里的液位。中心的冻融盒,样品盒放置一个温度测量样本,并插入到冻融温度测量传感器周围的液体。经过多次冻融处理,表面的变化与碳纳米管水泥基复合图所示8。

在图8图片1 - 4显示,试样的表面形态随着冻融循环的数量逐渐增加。水泥基复合材料的孔隙量化结果与不同碳纳米管后冻融循环图所示9。

从图9可以看出,与高含量碳纳米管水泥基复合小毛孔和更少的毛孔,这证明了高含量的复合碳纳米管具有较高的耐冻性。基于耐冻性和渗透性的测试结果与碳纳米管水泥基复合材料的电阻,可以得出结论,更添加碳纳米管水泥基复合材料,相应的材料耐久性越好。

5。结论

目前,碳纳米管的研究已成为全球热点,已应用于场发射、纳米电子设备,nanomachinery,复合材料等等。的日益成熟的技术准备和碳纳米管的合成和纯化,低成本大规模生产的碳纳米管已经成为可能。然而,当前高科技混凝土仍然脆弱,抗压强度。目前,高科技混凝土一直很强,与金属材料,但抗拉强度的金属材料,因此研究高科技混凝土的关键是强化,以及碳纳米管的出现提供了可能性来解决这个问题。因此,它已成为一个紧迫的任务,探索和研究碳纳米管在水泥混凝土中的应用。目前的研究发现,与碳纳米管水泥基复合材料的平均抗压强度为84.09 MPa。挠曲强度的水泥基复合材料在一维碳纳米管是6.9 MPa, 14.1 MPa和16.8 MPa在3 d和28 d,分别和16.9 MPa 56 d。一旦生产、准备和碳纳米管的应用做一个重要的突破,它必将推动整个纳米技术的发展。与此同时,它还将推动一系列相关高新技术产业的崛起,导致一场新的技术革命,给整个社会带来巨大的好处。

数据可用性

本文中使用的数据是可用的。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

我们想感谢中国国家自然科学基金的研究工作提供指导。