王帥飛， 潘廣釗， 盧 東

(1.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南 鄭州 450000 2.深圳市博克立納米材料有限責(zé)任公司，廣東 深圳 518055)

0 引 言

水泥基材料因具備強(qiáng)度高、耐久性好和價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，成為使用量最大宗的建筑材料[1]。然而，變形性能差、易產(chǎn)生裂紋等缺陷成為限制其在某些特定領(lǐng)域應(yīng)用的最大障礙[2]。近年來(lái)，隨著納米技術(shù)的興起，大量學(xué)者投身于納米二氧化硅、納米纖維和氧化石墨烯等納米增強(qiáng)水泥復(fù)合材料的研究，并取得優(yōu)異成果[3,4]。

碳納米管作為一種典型的納米材料，具有圓柱形納米結(jié)構(gòu)，其長(zhǎng)徑比高達(dá)132 000 000∶1，遠(yuǎn)大于其他納米材料，使其具備提升水泥基材料韌性、壓縮和拉伸等變形性能的潛力[5,6]。張迪等[7]指出0.03%和0.05%的CNT可分別提升水泥試件14%的抗壓強(qiáng)度和36%的抗折強(qiáng)度。黎恒桿等[8]和竇倩等[9]的研究也得到類似結(jié)論，即CNT摻量在0.1%范圍內(nèi)均對(duì)水泥基材料力學(xué)性能有不同程度的提升作用。袁嬌等[10]研究指出，CNT-水泥復(fù)合材料在25～55 ℃具有較好的溫敏性，0.5%CNT摻量的水泥試件電阻率變化率達(dá)最大值(91.2%)。牛荻濤等[11]研究結(jié)果顯示，CNT獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性對(duì)于提升水泥基材料的耐久性有明顯積極作用。

阻尼是指系統(tǒng)在振動(dòng)過程，由于外界作用或系統(tǒng)自身引起的振動(dòng)幅度下降的特性，即物體在運(yùn)動(dòng)中的能量耗散能力，對(duì)結(jié)構(gòu)物提高穩(wěn)定性、安全性及抗震防災(zāi)具有重要現(xiàn)實(shí)意義[12]。而目前，鮮有關(guān)于CNT對(duì)水泥基材料阻尼性能影響研究。

基于此，本研究首先利用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)分散多壁碳納米管，制備分散均勻的CNT懸浮液，再和水泥混合制備CNT-水泥復(fù)合材料。研究分析了CNT-水泥復(fù)合材料力學(xué)性能(抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度)和阻尼性能(阻尼比和損耗因子)。研究成果對(duì)CNT改性增強(qiáng)水泥基材料的進(jìn)一步推廣具有重要意義。

1 原材料和試驗(yàn)方案

1.1 原材料

山東山水集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的PO.42.5硅酸鹽水泥，符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)要求。多壁碳納米管購(gòu)自上海熹垣生物科技有限公司，采用化學(xué)氣相沉積法(CVD)制備而成。表面活性劑選用購(gòu)自Gobekie公司生產(chǎn)的聚乙烯吡咯烷酮(polyvinyl pyrrolidone，PVP)非離子粉狀表面活性劑，由吡咯烷酮基(親水性)和碳鏈(疏水性)組成。水泥、CNT和PVP主要性能指標(biāo)分別見表1～表3。

表1 水泥主要技術(shù)性能

表2 多壁碳納米管主要技術(shù)性能

表3 PVP主要技術(shù)性能

1.2 試樣制備

CNT懸浮液制備：將 PVP按CNT的10 wt%和水在燒杯中混合，先磁力攪拌15 min，再用超聲處理(JY92-IIN，650 W)30 min，輸出功率為190 W，超聲波發(fā)生器的工作周期為2 s，間隔為2 s。

水泥凈漿制備：制備好的CNT懸浮液和水泥攪拌7 min。CNT分別按水泥質(zhì)量0.03 wt.%，0.60 wt.%，0.09 wt.%和0.12 wt.%引入，PVP按CNT質(zhì)量10 wt.%引入，試驗(yàn)配合比見表4，試樣制備過程如圖1所示。

表4 CNT-水泥基復(fù)合材料配合比

圖1 CNT-水泥復(fù)合材料制備流程圖

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 CNT懸浮液表征

單個(gè)CNT顆粒在200～1 200 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有活性，而CNT團(tuán)聚體在該波長(zhǎng)范圍內(nèi)不具有活性，根據(jù)比爾-朗伯定律，在一定波長(zhǎng)處的吸光度(absorbance，ABS)與稀釋后懸浮液中單個(gè)CNT濃度成正比。因此，采用紫外分光光度計(jì)(UV-1800)表征CNT分散程度，測(cè)量的CNT懸浮液均預(yù)先稀釋1 000倍。

1.3.2 力學(xué)性能

依據(jù)《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO)法》(GB/T 17671—1999)規(guī)定測(cè)試水泥凈漿力學(xué)性能，試樣尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，試樣在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下(20±2 ℃，RH>95%)至測(cè)試齡期(7 d和28 d)。

1.3.3 阻尼性能

采用錘擊法測(cè)試CNT-水泥復(fù)合材料阻尼比，試件尺寸為40 mm×40 mm×160 mm，試件一端固定在夾具上，另一端采用試驗(yàn)力錘施加簡(jiǎn)諧動(dòng)荷載，如圖2(a)所示，利用INV3062T型動(dòng)態(tài)信號(hào)儀采集振動(dòng)曲線，測(cè)試界面如圖2(b)所示，采用半功率帶寬法，按照式(1)計(jì)算得到試件阻尼比，如圖2(c)所示。

圖2 錘擊法測(cè)試CNT-水泥復(fù)合材料阻尼比

(1)

式中：ξ為阻尼比，%；ω2-ω1為共振曲線振幅最大值0.707倍的頻寬；ω0為共振頻率。采用動(dòng)態(tài)力學(xué)分析儀(DMA Q800)測(cè)試水泥基材料損耗因子，加載頻率范圍為0.5～3.5 Hz，選用雙懸臂梁夾緊裝置作為加載夾緊裝置，試件尺寸為35 mm×15 mm×5 mm。水泥基材料損耗因子計(jì)算公式見式(2)：

(2)

式中：η為損耗因子；Θ為應(yīng)變滯后應(yīng)力相位差；E″和E′分別為損耗模量和存儲(chǔ)模量。

2 結(jié)果與討論

2.1 CNT懸浮液

CNT懸浮液分散性測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 CNT懸浮液分散性測(cè)試結(jié)果

由圖3可知，CNT懸浮液在250～270 nm范圍均出現(xiàn)峰值，這歸因?yàn)镃NT獨(dú)特的大長(zhǎng)徑比結(jié)構(gòu)。未摻加PVP的CNT懸浮液吸光度基本保持穩(wěn)定，表明不摻加PVP的CNT在水溶液中分散性很差，這是因?yàn)槲舛戎蹬cCNT在水中濃度成正比。

與不摻加PVP的懸浮液相比，引入PVP后，CNT懸浮液吸光度值大幅度提高，當(dāng)CNT摻量高于0.09 wt.%時(shí)(CP3和CP4)，CNT分散程度相差不大，以600 nm處的ABS值為例，0.09 wt.%和0.12wt.% 的CNT懸浮液吸光度值分別為0.324和0.391。結(jié)果表明，引入PVP可明顯改善CNT在水溶液中的分散性，當(dāng)CNT摻量超過0.09 wt.%時(shí)，PVP表面活性劑作用效果不是很明顯，當(dāng)CNT摻量為0.12 wt.%時(shí)，CNT懸浮液濃度達(dá)到峰值。

2.2 CNT-水泥復(fù)合材料力學(xué)性能

由CNT-水泥復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果可知，CNT摻量低于0.06wt.%時(shí)，其摻量對(duì)水泥基材料抗壓強(qiáng)度提升效果不明顯[圖4(a)]；當(dāng)CNT摻量增加至0.09 wt.%時(shí)，試件7 d和28 d強(qiáng)度分別較基準(zhǔn)組增加了1.40%和12.23%；而隨CNT摻量進(jìn)一步增加至0.12wt.%，試件抗壓強(qiáng)度出現(xiàn)小幅度降低現(xiàn)象，這是因?yàn)橐氲腃NT在水泥體系中形成團(tuán)聚，反而形成缺陷，當(dāng)水泥試件承壓時(shí)，產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致其抗壓強(qiáng)度受損[13]。

由圖4(b)可知，CNT摻量對(duì)水泥基材料抗折強(qiáng)度影響較抗壓強(qiáng)度更敏感，提升效果更明顯，這與張迪等[7]的研究結(jié)果類似。當(dāng)CNT摻量為0.09 wt.%時(shí)，水泥凈漿抗折強(qiáng)度達(dá)到最大值，分別為5.8 MPa(7 d)和8.9 MPa(28 d)。這是因?yàn)镃NT在水泥基體中發(fā)揮類似納米纖維的“橋接作用”，增加水泥基材料韌性[7,12,14]。另一方面，PVP分子部分鏈與CNT結(jié)構(gòu)反應(yīng)強(qiáng)烈，其余鏈能很好地錨定在水泥水化產(chǎn)物，進(jìn)一步增加水泥基材料韌性。

圖4 CNT-水泥復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

2.3 CNT-水泥復(fù)合材料阻尼性能

由CNT-水泥復(fù)合材料阻尼性能測(cè)試結(jié)果可知(圖5)，水泥漿體阻尼比隨CNT摻量增加，其變化可分為三個(gè)階段[圖5(a)]：大幅增長(zhǎng)階段(≤0.06wt.%)，平緩增長(zhǎng)階段(0.06%～0.09%wt.%)和陡增階段(≥0.09%wt.%)。與基準(zhǔn)試件相比，養(yǎng)護(hù)28 d的CNT-水泥復(fù)合材料阻尼比分別增加了36.69%(CP1)、46.07%(CP2)、46.93%(CP3)和65.70%(CP4)。含0.12%wt.% CNT的試件阻尼比出現(xiàn)陡增是因?yàn)橐脒^量的CNT在水泥體系中不能均勻分散，反而形成“團(tuán)聚”，水泥漿體/水化產(chǎn)物和CNT界面結(jié)合較弱，增加界面間摩擦耗能可能性，同時(shí)CNT團(tuán)聚導(dǎo)致孔隙率提高，孔徑增大，從而引起試件阻尼性能陡增。

圖5 CNT-水泥復(fù)合材料阻尼性能測(cè)試結(jié)果

由CNT-水泥復(fù)合材料28 d損耗因子測(cè)試結(jié)果可知[圖5(b)]，加載頻率為1.0 Hz時(shí)，水泥基材料損耗因子達(dá)到峰值，即具備最佳的耗散能量能力。以加載頻率1.0 Hz下試件損耗因子為例：基準(zhǔn)試件(CP0)損耗因子為0.028 4，CNT-水泥試件損耗因子分別增加了11.97%(CP1)、15.49%(CP2)、21.83%(CP3)和28.46%(CP4)。結(jié)果表明，向水泥基材料中引入CNT可明顯改善其阻尼性能，阻尼提升效果和CNT摻量成正相關(guān)關(guān)系，考慮到CNT對(duì)水泥凈漿力學(xué)性能影響，其最佳摻量為0.09wt.%。

3 結(jié) 論

通過PVP分散CNT制備出均勻的CNT懸浮液，再與水泥拌和制備CNT-水泥復(fù)合材料，研究分析了CNT-水泥復(fù)合材料的力學(xué)性能與阻尼性能。主要得到以下結(jié)論：

(1)PVP可以將CNT很好地分散于水溶液中；將CNT引入水泥基材料中，對(duì)于提升水泥基材料的抗折強(qiáng)度效果要優(yōu)于抗壓強(qiáng)度。

(2)水泥基材料阻尼性能與CNT摻量呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，CNT摻量對(duì)水泥基材料阻尼性能影響可分三階段：大幅增長(zhǎng)階段(≤0.09wt.%)，平緩增長(zhǎng)階段(0.06%～0.09%wt.%)和陡增階段(≥0.09%wt.%)。

(3)為兼顧水泥基材料力學(xué)性能和阻尼性能，建議CNT最佳摻量為0.09wt.%。