碳纳米管改性泡沫混凝土物理力学与阻尼性能.pdf

2 0 1 5 年 第 4期 (总 第 3 0 6 期 ) N u mb e r 4 i n 2 0 1 5( T o t a l N o 3 0 6) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORE TI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 0 4 0 2 0 碳纳米管改性泡 沫混凝 土物理 力学与 阻尼性 能 张帅 ，罗健林 ， 李秋义 ，魏雪 ，孙胜伟 - ( 1 青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 2 6 6 0 3 3 ； 2 哈尔滨工业大学 土木工程学院， 黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 9 0 ) 摘要 ： 以普通硅酸盐水泥为基体 ， 结合化学发泡 、 表面活性剂超声分散纳米纤维法 ， 制备碳纳米管( MC N T ) 改性泡沫混凝土 ( MC N T F C ) 。 在研究 MC N T F C的基本物理性能( 干密度P 、 吸水率 、 抗压强度 ) 基础上， 进一步采用平板导热法、 自由激 振 一 半功率带宽识别法研究其隔热保温性能( 导热系数 A 。 ) 及阻尼减振性能 ( 阻尼比 ) ， 最后通过 S E M 分析微观结构。 结果表 明 ， 相比于空白泡沫混凝土， 适量 中空 、 多层的 MC N T( 0 0 5 ) 可均匀分散于泡沫混凝土 中， 微观空隙变少 、 变小， 实现对基体 的 增韧补强与稳泡成核效果 、 、 P 、 A 分别提高 5 0 0 、 降低 1 5 3 、 提高 1 3 3 、 降低 7 7 3 ， 性能达到最佳 ， 但 未能明显提 高 ； MC N T掺量0 1 0 时， 增幅为 3 0 O ， 且 达到最大 ( 0 0 6 0 1 ) ， 增幅为 3 6 2 ， 拥有平衡的力学与阻尼性能。 泡沫混凝土内 部细小孔隙、 MC N T良好 的层间摩擦力及其与水化产物间的内摩阻力对阻尼性能均有促进作用。 关键词 ： 泡沫混凝土 ； 碳纳米管分散度； 抗压强度； 阻尼性能 ； 模态分析 中图分类号： T u 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 4 0 0 7 8 0 4 P h y s i c ome c h a n i c a l a n d d a m p i n g p e rf o r ma n c e s o f c a r b o n n a n o t u b e s mo d i f i e d f o a med c o n c r e ZHANG S h u a i ，LUO i a n l i n ， U Qi ， WE IXu e ， S U N S h e n g w e i ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， Qi n g d a o T e c h n o l o g i c a l Un i v e r s i t y， Q i n g d a o 2 6 6 0 3 3 ， C h i n a 2 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g， Ha r b i n I n s ti t u t e o f T e c h n o l o g y ， Ha r b i n 1 5 0 0 9 0 ， Ch i n a ) Ab s t r a c t ： Us i n g o r d i n a r y P o r t l a n d c e me n t a s ma rx ， t h e mu l t i wa l l e d c a r b o n n a n o t u b e s ( MC NT) mo d i fi e d f o a me d c o n c r e t e ( MC N T F C) wa s p r e p are d c o mb i n i n g w i t h t h e me tho d s o f c h e mi c a l f o a mi n g， s u r f a c t a n t u l t r a s o n i c n a n o fi b e r d i s p e r s i o n O n t h e b a s i s o f the s t u d y o f p h y s i c o m e c h a n i c a l p r o p e r ti e s o f t h e MC N T F C ( d r y d e n s i ty P d ， w a t e r a b s o r p t i o n ， c o m p r e s s i v e s t r e n g t h ) ， i t s h e a t i n s u l a ti o n p e r f o r ma n c e ( t h e r ma l c o n d u c t i v i ty A 。 ) a n d d a mp i n g v i b r a t i o n r e d u c t i o n p e rf o rm a n c e ( d a mp i n g r a t i o 。 ) wa s f u r t h e r s t u d i e d b y t h e me th O d o ffla t h e a t c o n d u c ti o n， f r e e a g i t a t i o n a nd h a l fp o we r b a nd wi d th i d e n t i fic a tio n， r e s p e c tiv e l y F i na l l y， i t smi c r o s t r u c t u r e swa s a na l y z e d t h r o u g h S E M Th e r e s u l t s s h o w c o mp are d wi th t h e b l a n ka me d c o n c r e t e， h o l l o w， mu l til a y e r MC NT( O0 5 b y the ma s s ) c an b e d i s pe r s e d i n f o a me d c o n c r e t e u ni f o r m l y， th e mi c r o s c o p i c v o i d s t o b e f e we r a n d s ma l l e r ， a n d c a n i mp l e m e n t t h e r e i n f o r c i n g a n d b rid gi n g e f f e c t a n d b u b b l e n u c l e a t i o n e f f e c t o f t he m a m x the ， W o ，Pd ， A。i n c r e a s e s u p t o 5 0 O ， d e c r e a s e s u p t o 1 5 3 ， i n c r e a s e s u p t o 1 3 3 ， de c r e a s e s u p t o 7 7 3 ， r e s p e c t i ve l y， a c h i e v i ng the be s t p e rfo rm a n c e s ， b u t f a i l s t o i mp r o v e s i g n i fic a n t l y Whe n MCNT l oa d i n g i s0 1 0 b y t h e ma s s ， i n c r e a s e s u p t o 3 0 O ， 。 r e a c h e s the mi mu m v a l u e ( 0 0 6 0 1 )， a n d i n c r e a s e s u p t o 3 6 2 ， a c h i e v i n g the b a l anc e d me c h a n i c a l a n d d am p i n g p r o p e r t i e s Th e s e a t t r i b u t e t o the t i n y p o r e i nt e r n a l l y g e n e r a t e d b y f o a me d c o n c r e t e a n d g o o d f r i c tio n b e t we e n the l a y e r i n M CNT a s we l l a s t h e i n n e r f r i c t i o n r e s i s tan c e b e t we e n th e h y d r a ti o n p r o d u c t s K e y wo r d s： f o a m c o n c r e t e ； d i s p e r s i v i ty o f c arb o n n a n o t u b e s ； c o mp r e s s i v e s tr e n g t h ； d am p i n g p e rfo r manc e ； mo d a l a n a l y s i s 0 引 言 泡沫混凝土是在水泥 、 骨料 、 外掺料 、 改性剂和水等制 成的浆料中掺人泡沫剂 ， 通过化学反应生成气体使浆料膨 胀 ， 经硬化形成多孔结构所制成 的轻质材料 ， 具有质轻 、 隔 热保温性好等特点 。 为进一步提升泡沫混凝土力学性 能 ， 陈兵等 J 、 潘志华等 、 韩珀等 引入微米纤维来增韧 补强 ， 但用作隔墙时相应抗压强度及抗震性能仍偏低。 作为准一 维纳米 纤维 ， 多壁碳 纳米管 ( MC N T) 长径 比高 、 强度 韧性大 ， 一 方面 ， 其 独特 的纳 米尺寸效 应使 MC N T能较好地发挥泡沫成核作用 ， 进而可提高相应泡沫 混凝土的强度 ， Y a k o v l e v等 研究发现 C N T掺加到发 泡水泥材料中明显提高了材料的保温性能和力学性能。 另 一 方面， MC N T的中空管状结 构可 以增加 材料 内部 的摩 擦 ， 提高阻尼减振 特性 。 当然 ， 相关研究表 明 ， MC N T 间的范德华力较大 ， 易发生相互缠 绕的团聚效应 ， 使成核 效率 降低 。 为 了充 分发挥 MC N T 的成 核作用 ， 需要 保证 MC N T在泡沫混凝土 中均匀分散 。 周明杰等 还发现 ， 掺加细骨料不但可以提高泡沫混凝土的抗压强度 ， 还可以 减小泡沫混凝土 的收缩 。 收 稿 日期 ： 2 0 1 4 0 8 1 6 基 金项 目： 国家博士后科学基金面上项 目( 2 0 1 2 M 5 2 1 2 9 9 ) ； 国家级大学生创新训练计划项 目( 2 0 1 3 1 0 4 2 9 0 3 0 ) ； 山东省优秀中青年科学家科研奖励基 金项 目( B S 2 0 1 3 C L 0 1 7 ) ； 山东省高校优秀科研创新 团队计划资助 78 混凝土结构的阻尼 比一般在 0 0 3 - 0 0 8之 间 ， 空 白 泡沫混凝土 。 为 0 0 4 4 ， MC N T掺量达到 0 1 0 时 提高 3 6 2 ， 说明 MC N T纳米成核剂的引入及泡 沫混凝土 内部 产生的细小孑 L 隙对材料阻尼性 能有一定提升作用。 图 5所 示为掺 0 1 MC N T的 MC N T F C孔径约 2 5 m 微泡孔 的 显微结构图。 S E M 图显示 ， 少数 MC N T散布 于基 体 中， 发 挥其纤维桥联 增强作用 ； 而多数 MC N T有一定 的缠 绕成 束 ， 界面位错 、 缺陷较多 ， 发挥微观耗能作用 。 图 5掺 0 1 MC NT的 MCNT F C显 微结构 图 2 4 2 MC NT F C阻尼性能结果分析 强度和阻尼是水泥基材料的两个重要指标 。 由表 1 可 看 出： 相 比于空 白泡沫混凝 土 ， MC N T含量 为 0 0 5 时， 增 幅达 到 5 0 0 ， 但 没 有 明 显 提 升 ； MC N T含 量 为 0 1 时 增 幅为 3 0 0 ， 同时 。 达 到 0 0 6 0 1 ， 增 幅可 达 3 6 2 ； MC N T含量为 0 1 5 时 ， 和 均减小 ， 比空 白 F C 还小 。 事实上 ， 0 0 5 MC N T纤维掺量下 ， 分散度好的 MC N T 纤维搭接好 ， 成核效率高 ， F C中的孔结构致密 、 孔径 较小 ， 封闭孔多 ， 耗 能较少 ， 实现 了增 韧补强 效果 ， 但 阻 尼性 能 未能有提升 ； 0 1 0 掺量下 ， MC N T分散度适 中， 分散均匀 的 MC N T纤维能发挥成核与桥联效应 ， 使孔 隙缩小 ， 结构 趋于密实 ； 分散不均匀的 MC N T纤维使微观层 间位 错 、 缺 陷增多 ， 进而使得泡沫 昆 凝 土既具有一定强 度 ， 又有较好 的阻尼减振性能； 而更高掺量下 MC N T ( 0 1 5 ) 在基体中 的分散度进一步下 降， 不仅成 核效率变低 ， MC N T形 成了 更大的团聚体 ， 孔洞缺陷大幅度增加 ， 相应 MC N T F C的 和 。 减小 ， 此 时 MC N T对 MC N T F C的性 能反 而有相 对 抑制作用 。 3 结论 ( 1 ) 掺 0 0 5 MC N T的 MC N T F C的 、 、 P d 、 A 。 分 别为 0 4 5 MP a 、 3 7 1 1 k g m 、 1 1 8 7 0 0 3 5 W ( m K) ， 但 其阻尼系数未见明显变化 。 相 比于空 白试样 ， 、 、 P 、 A 。 分别提 高 5 0 0 、 降低 1 5 3 、 提 高 1 3 3 、 降低 7 7 3 。 MC N T在基体 中能够发挥泡沫成核与纤维桥联效应 。 ( 2 ) 掺加适量的 MC N T ( 0 1 0 ) 后 ， MC N T F C拥有平 衡 的力学与阻尼性能 ， 、 Wc 、 P 、 A 分别提 高 3 0 0 、 降低 1 2 3 、 提高 1 1 8 、 降低 6 9 5 ， 且 达到最大( 0 0 6 0 1 ) ， 增 幅为 3 6 2 ， 泡沫混凝 土 内部细小 孔隙 、 MC N T 良好 的 层间摩擦力及其与水 化产物 间的内摩 阻力对 阻尼性 能均 有促进作用 。 参考文献： 1 佳奇 ， 霍 冀川 ， 雷永 林， 等 发泡 剂 及泡沫 混凝 土的研 究进 展 J 化学工业与工程， 2 0 1 0 ， 2 7 ( 1 ) ： 7 3 7 8 E 2 R AMA MU R T H Y K， N A MB I A R K E K， R AN J A N I G I S A c l a s s i fi c a t i o n o f s t u d i e s o n p r o p e r t i e s o f f o a m c o n c r e t e J c e me ri t C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 0 9 ， 3 1 ( 6 ) ： 3 8 8 3 9 6 3 陈兵， 刘睫 纤维增强泡沫混凝土性能试验研究 J 建筑材料 学报， 2 0 1 0 ， 1 3 ( 3 ) ： 2 8 6 2 9 0 4 周栋梁， 潘志华 新型水泥基泡沫吸声材料的研制 J 噪声与 振动控制 ， 2 0 1 0 ， 3 0 ( 4 ) ： 5 8 6 0 5 韩珀 ， 张君 泡沫混凝土复合墙体材料力学及热物理性能研究 ( 1 ) J 新型建筑材料 ， 2 0 1 2 ， 3 9 ( 7 ) ： 1 9 2 4 6 L U O J L ， D U A N Z D， X I A N G J ， e t a 1 F a b ri c a t i o n a n d f r a c t u r e t o u g h n e s s p r o p e r t i e s o f c a r b on n a n o t u be r e i n f o r c e d c e me nt c o mp o s i t e J E u r o p e a n P h y s i c a l J o u r n a lA p p l i e d P h y s i c s ， 2 0 1 1 ， 5 3 ( 3 ) ： 3 0 4 3 1 0 7 Y AK O V L E V G， K E R I E N J ， G A 1 L I US A， e t a 1 C e me n t b a s e d f o a m c o n c r e r e i n f o r c e d b y c a r b o n n a n o t u b e s J Ma t e ri al S c i - e n c e ， 2 0 0 6 ， 1 2 ( 2 ) ： 1 4 7 1 5 1 8 罗健林， 段忠东 ， 李惠 纳米级硅灰及碳管对水泥基材料减振 性能的影n E J 材料工程 ， 2 0 0 9 ( 4 ) ： 3 1 3 4 E 9 H A N B G， Z H A N G K， Y u X， e t a 1 E l e c t ri c a l c h ar a c t e r i s t i c s a n d p r e s s ur e s e n s i t i v e r e s po n s e me a s u r e me n t s o f c a r b o x y l M W NT c e me n t c o mp o s i t e s J C e me n t a n d C o n c r e t e C o m p o s i t e s ， 2 0 1 2 ， 3 4 ( 6 ) ： 7 9 4 8 0 0 1 0 周明杰 ， 王娜娜 ， 赵晓艳 ， 等 泡沫混凝土的研究和应用最新进 展I- J 混凝土， 2 0 0 9 ( 4 ) ： 1 0 41 0 7 1 1 曹树谦 ， 张文德， 萧龙翔 振动结构模态分析 一 理论、 试验与应 用 M 天津 ： 天津大学出版社 ， 2 0 0 1 ： 1 1 1 6 1 2 3 王新敏 A N S Y S工程结构数值分析 M 北京： 人民交通出版 社 ， 2 0 0 7 ： 5 0 1 5 0 9 1 3 秦东， 孙利民， 范立础 钢筋混凝土扩展散体单元法的阻尼 系 数研究r J 结构工程师 ， 2 0 0 0 ( 4 ) ： 2 5 2 8 作 者简 介 ： 联 系地址： 联 系电话 ： 张帅( 1 9 8 9 一) ， 男， 硕士研究生 ， 主要从事纤维复合材 料工作。 山东省青岛理工大学土木工程学院( 2 6 6 0 3 3 ) 1 3 8 6 9 8 5 5 08 3 81