水泥基材料是世界上應(yīng)用最廣泛的建筑材料,其生產(chǎn)和使用對(duì)資源、能源的需求和環(huán)境的影響巨大;同時(shí)由于工程結(jié)構(gòu)的大(巨)型化、復(fù)雜化,服役環(huán)境的極端化、多因素耦合化以及應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,發(fā)展高性能、多功能水泥基材料成為推動(dòng)水泥基材料及其結(jié)構(gòu)可持續(xù)發(fā)展的一條有效途徑。納米技術(shù)作為新工業(yè)革命的主導(dǎo)技術(shù),其向土木工程領(lǐng)域的滲透為水泥基材料的高性能、多功能化提供了新的發(fā)展動(dòng)力。本論文提出了納米改性水泥基材料的納米中心效應(yīng),并基于該效應(yīng)通過(guò)選用靜電自組裝納米填料克服納米填料與水泥基材料復(fù)合由于熱力學(xué)團(tuán)聚而引起的分散問(wèn)題,進(jìn)而研究不同的靜電自組裝單元對(duì)水泥基材料力學(xué)性能、電學(xué)性能、感知性能、電磁波屏蔽和吸收等性能的影響規(guī)律與機(jī)理,特別是靜電自組裝填料復(fù)合水泥基材料的等效電路模型和壓敏性模型。本文的主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果與結(jié)論如下:(1)為理解納米改性水泥基材料的機(jī)制進(jìn)而調(diào)控納米水泥基材料的性能,對(duì)不同納米填料復(fù)合水泥基材料的物相、微觀結(jié)構(gòu)、水化特性以及宏觀性能等方面進(jìn)行了分析,提出了納米材料改性水泥基復(fù)合材料的納米中心效應(yīng)機(jī)制。納米中心效應(yīng)涵蓋納米效應(yīng)和中心效應(yīng)兩個(gè)方面。其中納米效應(yīng)包括納米材料的小尺寸效應(yīng)和高比表面積特性。中心效應(yīng)通過(guò)納米填料本身的物理、化學(xué)性質(zhì)發(fā)揮作用,具體包括:吸附效應(yīng)(參與水化反應(yīng)、優(yōu)化水化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)水化進(jìn)程和吸附介入離子)、減少原生裂紋、功能效應(yīng)、填充效應(yīng)和粘結(jié)效應(yīng)。而中心效應(yīng)與納米填料本身的固有性質(zhì)、水泥基復(fù)合材料的配比和納米填料的分散程度密切相關(guān)。納米填料復(fù)合水泥基材料的行為主要受納米填料在復(fù)合材料中的分布及其效應(yīng)區(qū)即納米中心殼單元控制。(2)為克服碳納米管(CNT)直接添加而在水泥基材料中團(tuán)聚,并形成復(fù)合填料協(xié)同改性作用,選用具有粗短特征的CNT與小粒徑的納米炭黑(NCB)構(gòu)成的靜電自組裝填料S-CNT/NCB制備了多功能S-CNT/NCB復(fù)合水泥基材料,并對(duì)S-CNT/NCB復(fù)合水泥基材料的電學(xué)、壓敏、電磁波吸收等性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明:S-CNT/NCB復(fù)合水泥基材料具有低的下滲流閾值1.52vol.%。這是由于S-CNT/NCB填料在水泥基體中分散均勻及其具有CNT長(zhǎng)程導(dǎo)電和NCB短程導(dǎo)電的協(xié)同作用,從而在基體中更容易形成廣泛的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。所建立的等效電路可準(zhǔn)確描述S-CNT/NCB復(fù)合水泥基材料的交流阻抗譜特征。S-CNT/NCB復(fù)合水泥基材料的最大電阻率變化率、應(yīng)力靈敏度和應(yīng)變靈敏度分別為-22.18%、2.69%/]MPa和704(為普通金屬應(yīng)變片的352倍)。復(fù)合材料的高靈敏度是由于在復(fù)合材料受荷載時(shí)填料組裝單元自身和相互之間距離變化而導(dǎo)致導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的顯著變化。S-CNT/NCB復(fù)合水泥基材料具有優(yōu)異的電磁波吸收性能,吸波反射率可以達(dá)到-23.08dB,小于-10dB的帶寬為1.44GHz。(3)采用長(zhǎng)細(xì)特征的CNT和大粒徑的NCB構(gòu)成的靜電自組裝填料L-CNT/NCB研制了多功能L-CNT/NCB復(fù)合水泥基材料,并特別比較了 S-CNT/NCB與L-CNT/NCB中靜電自組裝單元的特征對(duì)水泥基材料電學(xué)和壓敏性能的影響,同時(shí)重點(diǎn)研究了含水量對(duì)L-CNT/NCB復(fù)合水泥基材料壓敏性的影響和復(fù)合材料的力-電本構(gòu)關(guān)系。研究結(jié)果表明:L-CNT/NCB靜電自組裝單元體積比S-CNT/NCB小,相同填料摻量時(shí)L-CNT/NCB復(fù)合水泥基材料中的納米中心效應(yīng)控制單元數(shù)量較多,因此L-CNT/NCB復(fù)合水泥基材料具有更低的下滲流閾值1.41vol.%,且出現(xiàn)最優(yōu)壓敏性能對(duì)應(yīng)的填料摻量低。隨含水量降低,L-CNT/NCB復(fù)合水泥基材料壓敏性顯著降低。這是由于含水量降低,填料之間的接觸電阻降低、復(fù)合材料干縮引起填料之間的距離縮小導(dǎo)致其未受荷載時(shí)導(dǎo)電通路增加,同時(shí)填料的含水量降低引起隧道效應(yīng)減弱導(dǎo)致復(fù)合材料受壓過(guò)程中導(dǎo)電通路的增加受阻�；谟行Ы橘|(zhì)方程和隧道效應(yīng)理論所建立的L-CNT/NCB復(fù)合水泥基材料的壓敏性模型可準(zhǔn)確描述力-電本構(gòu)關(guān)系。(4)為克服上述兩種靜電自組裝填料組裝單元中的NCB對(duì)水泥基材料工作性以及力學(xué)性能的不利影響,采用具有微米尺寸的TiO2和CNT所組成的靜電自組裝CNT/Ti02填料制備了多功能CNT/TiO2復(fù)合水泥基材料,并對(duì)其力學(xué)、電學(xué)、壓敏、溫敏和電磁波吸收性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明:靜電自組裝CNT/TiO2填料對(duì)水泥基材料具有良好的力學(xué)增強(qiáng)效果,復(fù)合材料28d抗折強(qiáng)度可達(dá)到9.9MPa,比空白水泥基材料提高了 17.9%。靜電自組裝CNT/TiO2復(fù)合水泥基材料的滲流區(qū)間為0.15vol.%-0.45vol.%,直流電導(dǎo)率和交流電導(dǎo)率都具有顯著的滲流特征。在極限荷載下,CNT/TiO2復(fù)合水泥基材料電阻變化率、應(yīng)力靈敏度和應(yīng)變靈敏度可達(dá)-84.09%、1.04%/MPa和217。靜電自組裝CNT/TiO2復(fù)合水泥基材料的溫敏性隨填料摻量的增加而降低。這是由于隨填料摻量的增加導(dǎo)電方式由離子導(dǎo)電變?yōu)殡娮訉?dǎo)電。電子導(dǎo)電受溫度的影響比離子導(dǎo)電小。CNT/TiO2復(fù)合水泥基材料具有良好的電磁波吸收性能,電磁波反射率最小可達(dá)-32.01dB,小于-10dB的帶寬和小于-15dB的帶寬分別為2.16GHz和0.72GHz。
【學(xué)位單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB383.1
【部分圖文】：

Ｅｎｅｒｇｙ?ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ?ｆｏｒ?ｃｏｎｃｒｅｔｅ?ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ；?（ｃ）?Ｔｈｅ?ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ?ｃａｒｂｏｎ?ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ?ｆｒｏｍ??１９３０?ｔｏ?２０１３；?（ｄ）?Ｅｌｅｍｅｎｔａｌ?ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｅａｒｔｈ；?（ｅ）?Ｃｅｍｅｎｔ?ｄｅｍａｎｄ?ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ［１０］??如圖１．２所示，混凝土是多尺度復(fù)雜體系，雖然骨料相為毫米至厘米級(jí)，普通水泥??本身的顆粒粒徑通常在７－２００ｐｎ，但水泥水化相實(shí)際上為以Ｃ－Ｓ－Ｈ凝膠（幾十個(gè)納米）為??主凝聚而成的初級(jí)納米材料。因此，混凝土中存在納米行為是其自然屬性。另外，在混??凝土發(fā)展過(guò)程中，科學(xué)界和工業(yè)界也一直在自發(fā)地應(yīng)用納米技術(shù)對(duì)混凝土內(nèi)部的納米行??為進(jìn)行操控以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)或改性，如納米晶種的應(yīng)用、礦物摻合料的使用、外加劑的使用??等。所以，納米技術(shù)對(duì)于混凝土領(lǐng)域并不是新科學(xué)或新技術(shù)，只是在最近１０－２０年納米??技術(shù)的飛速發(fā)展，加深了人們對(duì)混凝土納米行為的理解，并豐富了納米增強(qiáng)或改性混凝??土的方法，使納米混凝土領(lǐng)域的研究達(dá)到一個(gè)非�；钴S的時(shí)期。納米技術(shù)在混凝土領(lǐng)域??的自覺(jué)應(yīng)用起于２００１年。研宄者們最早采用納米氧化硅對(duì)混凝土進(jìn)行增強(qiáng)

?Ｉ?—．．．：．．．．．，．．．．．．．．?＾．．．??￣￣＊ｉ￣３?：９９０?Ｓ？Ｘｌ?２０ｉＱ?２ＱＫ?Ｊ０３０?ｉＷｉ??圖１．１混凝土的應(yīng)用現(xiàn)狀和前景：（ａ）混凝土的價(jià)格和用量；（ｂ）混凝土生產(chǎn)的能耗；??（ｃ）混凝土年封存碳量（１９３０年－２０１３年）；（ｄ）地球資源的元素組成；（ｅ）水泥用量預(yù)測(cè)［１＿５］??Ｆｉｇ．?１．１?Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ?Ｓｔａｔｕｓ?ａｎｄ?Ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ?ｏｆ?Ｃｏｎｃｒｅｔｅ：?（ａ）?Ｃｏｎｃｒｅｔｅ?ｐｒｉｃｅ?ａｎｄ?ｕｓａｇｅ；?（ｂ）??Ｅｎｅｒｇｙ?ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ?ｆｏｒ?ｃｏｎｃｒｅｔｅ?ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ；?（ｃ）?Ｔｈｅ?ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ?ｃａｒｂｏｎ?ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ?ｆｒｏｍ??１９３０?ｔｏ?２０１３；?（ｄ）?Ｅｌｅｍｅｎｔａｌ?ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｅａｒｔｈ；?（ｅ）?Ｃｅｍｅｎｔ?ｄｅｍａｎｄ?ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ［１０］??如圖１．２所示，混凝土是多尺度復(fù)雜體系，雖然骨料相為毫米至厘米級(jí)，普通水泥??本身的顆粒粒徑通常在７－２００ｐｎ，但水泥水化相實(shí)際上為以Ｃ－Ｓ－Ｈ凝膠（幾十個(gè)納米）為??主凝聚而成的初級(jí)納米材料。因此，混凝土中存在納米行為是其自然屬性。另外，在混??凝土發(fā)展過(guò)程中，科學(xué)界和工業(yè)界也一直在自發(fā)地應(yīng)用納米技術(shù)對(duì)混凝土內(nèi)部的納米行??為進(jìn)行操控以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)或改性，如納米晶種的應(yīng)用、礦物摻合料的使用、外加劑的使用??等。所以，納米技術(shù)對(duì)于混凝土領(lǐng)域并不是新科學(xué)或新技術(shù)，只是在最近１０－２０年納米??技術(shù)的飛速發(fā)展，加深了人們對(duì)混凝土納米行為的理解，并豐富了納米增強(qiáng)或改性混凝??土的方法

?年，Ｚｏｕ等用超聲能來(lái)定量研究超聲分散效果［５（）］。ＣＮＴ摻量為０．０９４ｗｔ．％（ＣＮＴ－ｌ系列）??和０．１８８ｗｔ．％（ＣＮＴ－２系列）的懸濁液在不同超聲能下的吸光度如圖１．４所示。由圖１．４可??知，ＣＮＴ的吸光度隨著超聲能的增加而增加。０．０９４ｗｔ．％ＣＮＴ的吸光度值在超聲能為??１５０Ｊ／ｍＬ處開(kāi)始出現(xiàn)平原區(qū)，０．１８８ｗｔ．％ＣＮＴ的吸光度在超聲能為２５０Ｊ／ｍＬ處開(kāi)始出現(xiàn)??平原區(qū)。０．０９４ｗｔ．％ＣＮＴ的吸光度出現(xiàn)平原區(qū)對(duì)應(yīng)的超聲能約為０．１８８ｗｔ．％ＣＮＴ的吸光??度出現(xiàn)平原區(qū)所對(duì)應(yīng)的超聲能的１／２。這說(shuō)明分散高摻量ＣＮＴ需要的超聲能量高。從不??同超聲能分散的ＣＮＴ的光學(xué)圖像（圖１．５）可以直觀看出，當(dāng)超聲能從２５Ｊ／ｍＬ增加到??４００Ｊ／ｍＬ時(shí)，大的ＣＮＴ團(tuán)聚體消失，這與圖１．４的研究結(jié)果相符。??１．６?－????？??１．４?－?ｆ?一?Ｉ’?［―—￣？??？??１．２?ＡＥＳ?ｐｌａｌｅａｕ??爸卜?Ｉ?＾??句―——＾????０．６?－?Ａ??０．４?－／?——??ｑ?２?—Ｃ－ＮＴ－２?ｓｅｒｉｅｓ??０?５０?１００?〖５０?２００?２切?３００?３５０?４（Ｋ）?４５０??ＵＥ?（Ｊ／ｍｌ）??圖１．４不同超聲能量下，ＣＮＴ為０．０９４ｗｔ．％（ＣＮＴ－ｌ系列）和０．１８８
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2868694