GPS隧道工程论文提纲

论文题目：碳基材料掺杂水泥基复合材料的制备与性能研究

摘要：水泥基材料以原料丰富、价格低廉、生产工艺简单、强度高等优点,成为最主要的建筑材料之一,并被广泛应用于民用建筑、市政工程、水利工程和隧道工程等现代化工程建设。但是随着人类社会的高度发展,现代建筑对水泥基材料提出了新的要求,不仅要有好的力学行为,还要具有尽可能多的附加功能,实现在同一制品或结构上的多功能化、小型集成化和智能化,最大限度的满足和促进人类物质文明的需要和发展。全世界的能源绝大部分是被我们以热能的形式所浪费掉,为了实现对产生的热量的有效控制,必须采取有效的方式充分利用热能。因此本文基于上述问题,研究选择合适的导热填料、填料改性手段、构建新型传热体系,同时研究不同的填料与制备工艺对水泥基材料力学性能和热学性能的影响,改善水泥基材料传热效率低、热相应滞后等问题。主要的研究内容及其得到的试验结果如下:（1）采用普通搅拌和超高速搅拌两种工艺将石墨（GP）单掺到水泥砂浆中,研究表明随GP掺量的增加两种工艺抗折强度先增加后降低,抗压强度则是一直保持下降趋势。普通搅拌工艺7d抗折、抗压强度优于超高速搅拌工艺,28d抗折、抗压强度则是恰恰相反。两种工艺之间抗压强度差距很小,甚至可以忽略,最为明显的是二者之间的抗折强度。在掺量为1%~5%时,抗折强度均呈现下降趋势,但是超高速搅拌工艺在5%时抗折强度为8.6MPa,仍大于普通搅拌时1%的8.4MPa。两种工艺的导热系数随GP掺量的增加而增加,超高速搅拌工艺的导热系数在研究掺量范围内均大于普通搅拌工艺,特别是在5%和7%时,超高速搅拌工艺导热系数相当于普通搅拌工艺掺量9%和12%时的导热系数,因此超高速搅拌工艺在减少导热填料的同时,提高了导热系数。结合力学和热学性能的表现,GP最佳掺量为7%,且超高速搅拌工艺优于普通搅拌工艺,更加适合用于GP-水泥基复合材料的制备。（2）将长度为3mm、5mm、7mm、9mm的碳纤维（CF）单掺到水泥砂浆中,形成CF-水泥砂浆单填料体系。该体系中砂浆抗折强度随着CF长度的增加而提高,抗压强度和导热系数均随着CF长度的增加而降低,采用3mm的CF时,抗折强度提高,抗压强度和导热系数降低最小,故3mm为最适宜的长度。将长度为3mm的CF以0.5%、1%、1.5%、2%掺量单掺到水泥中,砂浆抗折强度随着CF掺量的增加表现出递增趋势,抗压强度递呈减趋势,而砂浆的导热系数则随着掺量的增加先降低后提高。在含量为1%处时复合材料的导热系数降低了10.12%,但是CF含量在1%之后呈现上升趋势,故选取1%为CF的最佳掺量。（3）将3mm的CF等量替代最佳GP最佳掺量的2%、4%、6%、8%、10%加入到GP-水泥基复合砂浆中,形成GP-CF双掺体系。随着CF取代量的提高,GP-CF水泥基复合砂浆抗折强度得到了明显的改善,然而CF的取代,导致大量气泡的引入,从而使得水泥基复合砂浆的抗压强度下降,导热系数则是先降低后升高。6%为CF的最佳取代量,此时抗折强度提高了18.9%,抗压强度下降了13.6%,并且导热系数也大于了GP-水泥基复合砂浆。（4）将自制氧化石墨烯（GO）超声分散后加入到CF-水泥砂浆中,结果表明GO掺量对CF-水泥基复合砂浆的抗折、抗压强度和导热系数的影响趋势是一致的,均随GO掺量的增加呈现递增趋势,表明当掺量在一定范围内时,GO能够充分发挥了其纳米填充作用及桥接作用,显著提高了水泥砂浆的热力学性能。当GO掺量为0.6%时,28d抗折抗压强度和导热系数相对于CF-水泥砂浆的增加率分别为12.22%、17.39%和23.63%。（5）将苯丙乳液（SAE）以水泥质量的3%、6%、9%、12%加入到CF-水泥基复合砂浆中,SAE的加入在适量时对水泥基复合砂浆的抗折强度有所提高,当掺量在0~3%时,抗折强度逐渐上升,在3%~12%时,抗折强度则逐渐减小,但是在3%~6%之间时,虽然抗折强度在降低,最终下降之后强度仍然大于CF-水泥砂浆,是在掺量6%之后水泥基复合砂浆的抗折强度才低于CF-水泥基复合砂浆。在掺量为3%时抗折强度提升到最大值9.8MPa,相较于CF-水泥基复合砂浆8.7MPa提高了12.64%。抗压强度则是从一开始就是随着SAE掺量的增加而下降,在6%处前后出现下降速率先增后减的趋势,说明6%为掺量的转折点。随着SAE掺量的增加,水泥基复合砂浆导热系数呈现递增趋势,掺量为3%、6%、9%、12%时导热系数相对于CF-水泥基复合砂浆依次提高了7.10%、14.92%、18.00%、21.01%。（6）探讨不同养护制度下聚合物对GP-CF水泥基复合砂浆力学性能的影响。采用三种养护制度,分别为:标准养护28d、7d室温养护后,标准养护至28d和7d标准养护后,室温养护至28d。通过力学性能的表征得出最佳养护制度为7d标准养护后,室温养护至28d,即早期湿养护促进水泥水化,后期干养护促进水泥浆体孔隙液中聚合物颗粒凝聚成膜。采用这种最佳养护制度时,相较于其他两种养护制度,抗折强度在掺量为3%时得到了最大提升,提高了30.23%,其次是在掺量为6%时,提高了25.88%。抗压强度也是在掺量为3%时得到了最大提升,提高了23.32%,其次是在掺量为9%时,提高了22.42%。（7）为了制备出高导热、高强度的复合型水泥基砂浆,将SAE和EP两种聚合物各自加入到GP-CF水泥基复合砂浆中,制得SAE二元胶凝体系和EP二元胶凝体系。聚合物的加入,有效的改善了水泥基复合砂浆的导热系数。在0~6%的掺量之间时,导热系数均随着掺量的增加而递增,期间EP二元胶凝体系复合砂浆的导热系数均高于SAE二元胶凝体系复合砂浆,在6%时二者都达到了最高值,相对GP-CF水泥基复合砂浆各自提高了9.04%和7.11%。而在6%~12%掺量之间时,二者导热系数随掺量增加而减小,且在掺量接近9%时,EP二元胶凝体系复合砂浆的导热系数小于SAE二元胶凝体系复合砂浆的导热系数。28d标养后的改性水泥基复合砂浆中,SAE二元胶凝体系抗折强度在SAE掺量为3%时为最大值,相较于GP-CF水泥基复合砂浆提高了5.7%。而EP二元胶凝体系的抗压抗折强度在EP掺量为3%均为最大值,相较于GP-CF水泥基复合砂浆提高了6.82%和12.75%。（8）聚合物的加入,对改性后的水泥基复合砂浆的吸水率、弯折粘接强度、抗冻性都有所改善,并且采用EP改性时都比SAE改性时变现更加良好。同时聚合物还对改性水泥复合砂浆具有缓凝作用,SAE二元胶凝体系的初、终凝时间增加了60.53%和34.85%;而EP二元胶凝体系的初、终凝时间仅增加了47.37%和24.25%。因此SAE在改性水泥基复合砂时,缓凝作用相较于EP更为明显。

关键词：水泥砂浆;制备工艺;力学性能;导热系数;碳基材料;聚合物

学科专业：材料科学与工程

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 水泥基复合材料的定义、分类及应用

1.2.1 水泥基复合材料的定义

1.2.2 水泥基复合材料的分类及应用

1.2.2.1 纤维水泥基复合材料

1.2.2.2 纳米水泥基复合材料

1.2.2.3 聚合物水泥基复合材料

1.3 碳基复合材料

1.3.1 炭基材料的分类

1.3.2 国内炭基复合材料的研究现状

1.3.3 国外炭基复合材料的研究现状

1.4 主要研究内容

1.5 课题研究意义

1.6 本文创新点

第2章 实验原料与测试方法

2.1 主要原材料

2.1.1 水泥、砂

2.1.2 石墨

2.1.3 碳纤维

2.1.4 苯丙乳液

2.1.5 氧化石墨烯

2.1.6 消泡剂

2.1.7 减水剂

2.1.8 羧甲基纤维素

2.2 主要实验仪器及设备

2.3 实验测试方法

2.3.1 初凝时间以及终凝时间的测定

2.3.2 力学性能测试

2.3.2.1 抗折强度测试

2.3.2.2 抗压强度测试

2.3.3 热学性能测试

2.3.4 抗冻融性能测试

2.3.5 粘接强度测试

2.3.6 吸水率测定方法

第3章 碳基单填料体系水泥基复合材料的制备与性能研究

3.1 前言

3.2 GP单掺水泥基复合材料的不同制备工艺

3.2.1 普通搅拌工艺

3.2.2 超高速搅拌工艺

3.3 不同制备工艺对GP水泥砂浆性能的影响

3.3.1 不同制备工艺对GP水泥砂浆抗折强度的影响

3.3.2 不同制备工艺对GP水泥砂浆抗压强度的影响

3.3.3 不同制备工艺对水泥砂浆热学性能的影响

3.3.4 SEM分析

3.4 CF单掺杂水泥基复合材料的制备

3.5 不同长度CF对水泥砂浆性能的影响

3.5.1 不同长度CF对水泥砂浆力学性能的影响

3.5.2 不同长度CF对水泥砂浆热学性能的影响

3.6 不同掺量CF对水泥砂浆性能的影响

3.6.1 不同掺量CF对水泥砂浆力学性能的影响

3.6.2 不同掺量CF对水泥砂浆热学性能的影响

3.7 本章小结

第4章 碳基双填料体系水泥基复合材料的制备与性能研究

4.1 前言

4.2 GP-CF水泥基复合材料性能研究

4.2.1 CF等量取代GP对水泥砂浆力学性能的影响

4.2.2 CF等量取代GP对水泥砂浆热学性能的影响

4.2.3 CF等量取代GP对水泥砂浆吸水率的影响

4.3 GO的制备与表征

4.4 GO复合CF对水泥基砂浆性能的影响

4.4.1 GO-CF水泥基复合砂浆的制备

4.4.2 GO对水泥基复合砂浆力学性能的影响

4.4.3 GO对水泥基复合砂浆热学性能的影响

4.5 本章小结

第5章 二元胶凝体系水泥基复合材料的制备与性能研究

5.1 前言

5.2 SAE复合CF二元胶凝体系

5.2.1 SAE对力学性能的影响

5.2.2 SAE对热学性能的影响

5.3 SAE/EP复合GP-CF二元胶凝体系

5.3.1 不同胶凝体系对力学性能的影响

5.3.1.1 SAE对力学性能的影响

5.3.1.2 EP对力学性能的影响

5.3.1.3 SAE与EP对力学性能影响的对比分析

5.3.2 不同胶凝体系对热学性能的影响

5.3.3 不同胶凝体系对吸水率的影响

5.3.4 不同胶凝体系对粘接性能的影响

5.3.5 不同胶凝体系对抗冻性能的影响

5.3.6 不同胶凝体系初凝、终凝时间的影响

5.4 XRD分析

5.5 SEM分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

致谢