混摻MGOs-MSF的梯度結(jié)構(gòu)水泥基材料的阻尼特性及作用機(jī)理

摘要目錄第1章緒論 11.1研究背景及意義 11.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的問題 31.2.1水泥基材料阻尼特性 31.2.2梯度結(jié)構(gòu)水泥基材料 31.2.3存在的問題 51.3研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容與技術(shù)路線 81.3.1研究目標(biāo) 81.3.2研究?jī)?nèi)容 81.3.3技術(shù)路線 81.4主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn) 11第2章原材料與試驗(yàn)方法 122.1原材料 122.1.1水泥基原材料 122.1.2阻尼增強(qiáng)組分 122.2試驗(yàn)方法 142.2.1工作性能測(cè)試 142.2.2力學(xué)性能測(cè)試 142.2.3阻尼特性測(cè)試 142.2.4孔結(jié)構(gòu)測(cè)試 152.2.5顯微硬度測(cè)試 152.2.6微觀形貌測(cè)試 15第3章MGOs-MSF改性水泥基材料的阻尼特性及微觀結(jié)構(gòu) 163.1阻尼增強(qiáng)組分的處理 163.1.1多層氧化石墨烯的分散 163.1.2硅粉的改性 173.2配合比 173.3抗壓強(qiáng)度 183.4阻尼特性 193.5孔結(jié)構(gòu) 213.6微觀形貌 223.7本章小結(jié) 23第4章GSCM的阻尼特性及微觀結(jié)構(gòu) 254.1材料設(shè)計(jì) 254.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 264.3抗壓強(qiáng)度 264.4阻尼特性 294.5孔結(jié)構(gòu) 304.6顯微硬度 324.7微觀形貌 334.8本章小結(jié) 33GSCM的阻尼-強(qiáng)度作用機(jī)理 355.1MSF-MGOs-SBE的阻尼-強(qiáng)度作用機(jī)理 355.2GSCM界面的阻尼-強(qiáng)度作用機(jī)理 375.3本章小結(jié) 38第6章結(jié)論與展望 406.1結(jié)論 406.2展望 41致謝 43參考文獻(xiàn) 44攻讀學(xué)位期間的研究成果 48第1章緒論第1章緒論1.1研究背景及意義1.1.1研究背景隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加快，橋梁、超高層、地鐵等基礎(chǔ)性工程得到極大的發(fā)展，作為用量最大和用途最廣之一的水泥基材料也發(fā)揮著越來越重要的作用。但隨著超高層和地鐵的普及，也出現(xiàn)了一系列復(fù)雜的工程問題。具體表現(xiàn)為超高層框架在地震和風(fēng)力的大幅振動(dòng)下，容易造成柱節(jié)點(diǎn)處應(yīng)力集中，從而使得結(jié)構(gòu)中易出現(xiàn)薄弱層，造成建筑物的破壞；地鐵在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的顛簸振動(dòng)對(duì)乘客的舒適安全造成了較大的影響，同時(shí)也極大影響了地鐵軌道的沉降和位移的變形，進(jìn)而使得軌道產(chǎn)生裂縫；精密儀器在對(duì)材料進(jìn)行精加工的時(shí)候，儀器本身的輕微振動(dòng)也容易造成材料本身的損壞。因此，如何降低風(fēng)力大幅振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)薄弱層、地鐵顛簸振動(dòng)對(duì)乘客的舒適安全和儀器輕微振動(dòng)對(duì)材料的損壞影響，提高柱節(jié)點(diǎn)薄弱區(qū)的強(qiáng)度、地鐵運(yùn)動(dòng)的舒適度和精密儀器的精確度，達(dá)到減振耗能的目的就成為工程面臨的主要問題。水泥基材料的阻尼特性與結(jié)構(gòu)的減振耗能密切相關(guān)，因此高阻尼特性水泥基材料成為了研究的重點(diǎn)。自從1996年美國(guó)D.D.LChung課題組[1-3]提出對(duì)水泥漿體的阻尼特性和剛度等性能進(jìn)行了一系列研究以來，得到幾種聚合物能有效改善水泥漿體的阻尼特性。在隨后的20多年中，人們逐漸研究出各類摻合物來改善水泥基材料的阻尼特性。國(guó)內(nèi)一些專家學(xué)者就各種有效提高阻尼特性的各類摻合物展開研究，有的研究不同摻量的納米SiO2對(duì)混凝土微觀結(jié)構(gòu)影響[4]；有的進(jìn)一步研究了一系列的摻合物組合用作改性劑對(duì)水泥砂漿或者混凝土進(jìn)行改性，其中就包括活性硅粉、苯丙乳液、橡膠纖維等；還有的專家通過更換幾種阻尼增強(qiáng)組分，研究了羧基丁苯膠乳、石墨、硅粉等摻合物對(duì)混凝土的抗壓強(qiáng)度和阻尼特性的影響[5]。上述研究主要集中在如何改善阻尼特性，但忽略了提高水泥基材料阻尼特性的同時(shí)必然會(huì)面臨降低力學(xué)性能的問題，如何較好實(shí)現(xiàn)二者的兼顧性一直是目前高阻尼水泥基材料的研究重點(diǎn)。自此，許多研究人員從更換材料、對(duì)材料進(jìn)行改性處理和結(jié)構(gòu)一體化的角度出發(fā)，通過一系列的方法來改善其阻尼特性和力學(xué)性能的兼顧性問題。OuJP[6]提出利用硅烷偶聯(lián)劑對(duì)硅粉進(jìn)行表面改性并分析其改性機(jī)理，達(dá)到保證力學(xué)性能不顯著降低的同時(shí)提高阻尼特性的效果；孫勝偉[7]研究了多層石墨烯（MLGs）對(duì)水泥基復(fù)合材料抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、彈模、耐磨性、硬度以及阻尼特性的影響規(guī)律，結(jié)果表明MLGs對(duì)水泥基材料的阻尼特性和力學(xué)性能均有提高；本課題組[8]也從結(jié)構(gòu)一體化角度出發(fā)，引入功能梯度材料理論，開發(fā)阻尼增強(qiáng)的梯度結(jié)構(gòu)混凝土，用于解決高阻尼混凝土的阻尼特性和力學(xué)性能難以兼顧的問題。1.1.2研究意義阻尼特性是評(píng)定水泥基材料減振耗能的關(guān)鍵參數(shù)，在提高水泥基材料阻尼特性的同時(shí)難以兼顧其力學(xué)性能。相比高阻尼水泥基材料，梯度結(jié)構(gòu)水泥基材料（GSCM）設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)層和阻尼層，起到了兼顧阻尼特性和力學(xué)性能的雙重作用。由于GSCM阻尼層的最大承載力較低，很大程度上局限了整體水泥基材料的最大承載力。因此，如何更有效提高阻尼特性和力學(xué)性能是急需解決的難題。自本課題研究GSCM以來，對(duì)于其阻尼特性和力學(xué)性能的兼顧性還只是做了初步的研究，如何更好改善兼顧性及分析阻尼作用機(jī)理還有待深入研究。氧化石墨烯作為石墨烯的增強(qiáng)相，具有優(yōu)異的耗能功能和力學(xué)性能，將其作為摻合物摻入水泥基材料中，能同時(shí)提高阻尼特性和力學(xué)性能[9]。改性硅粉作為活性硅粉硅烷處理后的摻合物，在水泥水化階段起到硅烷化作用和填充效果，也能同時(shí)提高阻尼特性和力學(xué)性能[10]。阻尼層中摻入多層氧化石墨烯（MGOs）與改性硅粉（MSF），極大增強(qiáng)水泥基材料阻尼特性的同時(shí)不顯著降低力學(xué)性能，改善了水泥基材料中阻尼特性和力學(xué)性能的兼顧性。因此，本文提出了GSCM中混摻MGOs、MSF和羧基丁苯乳液（SBE），探討了GSCM的阻尼特性和力學(xué)性能的變化規(guī)律，建立了抗壓強(qiáng)度、阻尼特性與孔結(jié)構(gòu)、顯微硬度、微觀形貌的內(nèi)在聯(lián)系，分析了GSCM的阻尼-強(qiáng)度的作用機(jī)理，為新型高阻尼水泥基材料的研究提供階段性成果。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及存在的問題1.2.1水泥基材料阻尼特性阻尼特性是評(píng)定水泥基材料減振耗能功能的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)工程的建設(shè)安全至關(guān)重要。從美國(guó)DDLChung課題組研究阻尼以來，對(duì)提高水泥漿體的阻尼和剛度進(jìn)行了一系列研究，隨后的20多年中，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)水泥基材料的阻尼特性做出一系列研究。在國(guó)外，DDLChung[11,12]研究了一種具有優(yōu)異減振能力的復(fù)合材料，作為優(yōu)異減振耗能性的網(wǎng)狀石墨網(wǎng)絡(luò)復(fù)合材料，優(yōu)于之前報(bào)道的耗能最佳的金屬材料。由于水泥基材料中摻入石墨網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，材料具有優(yōu)異的阻尼特性。隨后，對(duì)比分析了分散石墨片（各向同性）和具有網(wǎng)狀片狀石墨（各向異性）的水泥的減振耗能，發(fā)現(xiàn)后者提供更高的密度，更低的電阻率，更高抗壓強(qiáng)度和比以前更好的減振性能。而DSPrasad[13]則偏向于金屬?gòu)?fù)合材料中加入稻殼灰（RHA）、粉煤灰（FA）、碳化硅（SiC）等摻合物，研究了不同頻率和溫度下各摻合物對(duì)阻尼特性和儲(chǔ)能模量的影響。結(jié)果表明，在三者摻合物中，RHA的阻尼特性最低；比較不同頻率和溫度，在10Hz時(shí)，F(xiàn)A的最大儲(chǔ)能模量隨溫度的升高而增加，SiC的阻尼特性隨溫度的升高而降低；在0.1Hz和1Hz時(shí)，F(xiàn)A的最大儲(chǔ)能模量隨溫度的升高而降低，SiC的阻尼特性隨溫度的升高而增加。在Chung研究聚合物改性水泥基材料阻尼特性的基礎(chǔ)上，CKLeung[14]通過有更換為環(huán)保型的粘彈性橡膠碎屑并對(duì)其酸處理時(shí)，觀察到粘彈性橡膠碎屑復(fù)合材料樣品中阻尼特性得到顯著改善，其原因是橡膠顆粒和水泥基體的結(jié)合處得到顯著改善。相比普通水泥漿體，含橡膠碎屑芯材的阻尼特性顯著增強(qiáng)的同時(shí)還是存在強(qiáng)度較低的問題。而作為比石墨更具優(yōu)異減振能力的納米材料-碳納米管，KMLiew[15]研究了碳納米管改性水泥基材料的阻尼特性和力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，摻入0.1wt%碳納米管的水泥漿體的阻尼特性和力學(xué)性能均有提高，其中抗壓抗折分別提高了17.3%和16.3%，損耗因子提高了25.9%，這充分說明了碳納米管的優(yōu)異減振耗能性。在國(guó)內(nèi)，張世鵬[16]和鄒篤建[17]分別研究了硅粉的改性和納米SiO2對(duì)混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響，前者通過硅烷偶聯(lián)劑改性了硅粉表面，研究了硅烷偶聯(lián)劑對(duì)硅粉分散性，同時(shí)探討了硅烷偶聯(lián)劑改性微硅粉的機(jī)理。結(jié)果表明，KH-570硅烷偶聯(lián)劑分子以化學(xué)鍵的形式接枝在微硅粉表面，團(tuán)聚現(xiàn)象減少，分散性得到改善，同時(shí)對(duì)改性微硅粉機(jī)理探討發(fā)現(xiàn)，硅烷偶聯(lián)劑主要通過與微硅粉顆粒表面的羥基形成氫鍵締合而吸附到硅粉顆粒表面上。相比前者的改性處理，后者研究納米級(jí)材料對(duì)混凝土的阻尼特性的影響更具創(chuàng)新性，后者在自主開發(fā)的三點(diǎn)彎曲梁阻尼測(cè)試裝置基礎(chǔ)上測(cè)試了納米SiO2混凝土的阻尼特性，研究了不同摻量的納米SiO2對(duì)混凝土微觀結(jié)構(gòu)的影響并初步探討了其阻尼增強(qiáng)機(jī)理。納米SiO2摻量為４%時(shí)混凝土的損耗因子最大，為素混凝土的2.41倍，綜合考慮成本、強(qiáng)度和阻尼等因素確定納米SiO2的最優(yōu)摻量為3%；阻尼增強(qiáng)機(jī)理在于納米SiO2的摻入增多了混凝土材料的內(nèi)接觸面數(shù)量，增加了應(yīng)力不均勻分布，從而提高了材料摩擦阻尼耗能性。聚合物乳液作為主要摻合物來改性水泥基材料阻尼特性的研究仍不具廣泛的研究意義，但LeiBenZS[18]通過研究不同乳化瀝青類型和摻量對(duì)水泥乳化瀝青砂漿阻尼性能的影響變化規(guī)律就凸顯了理論和實(shí)際工程的雙重意義。研究表明，隨著溫度的升高，水泥乳化瀝青砂漿的損耗因子呈先上升后下降的趨勢(shì)；頻率上升越高，損耗因子越?。蝗榛癁r青的摻量對(duì)水泥乳化瀝青砂漿的阻尼性能有直接影響，摻量越高，損耗因子越大。隨著納米新材料的不斷問世，越來越多的研究者開始關(guān)注最新納米級(jí)材料，特別是石墨烯及其氧化產(chǎn)物，比如HanBG[19]和LongWJ[20]就分別研究了不同摻量的多層石墨烯（MLGs）對(duì)水泥基材料的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和阻尼特性的影響規(guī)律及氧化石墨烯納米薄片（GO）對(duì)水泥石的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響。前者的研究表明，MLGs可顯著增強(qiáng)水泥基材料的阻尼特性和力學(xué)性能，其抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、耐磨性能和阻尼比增強(qiáng)分別高達(dá)47.7%、20.45%、70.88%和45.1%。相比MLGs，后者發(fā)現(xiàn)GO能賦予水泥基材料更好的阻尼特性，其動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果表明，GO含量為0.05wt%、0.10wt%、0.20wt%時(shí)，其各項(xiàng)損耗因子分別提高了31%、58%、77%；GO含量為0.1wt%時(shí)，最大存儲(chǔ)模量提高了52%；同時(shí)，進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析硬化后的水泥漿體的研究表明，添加GO可以促進(jìn)水泥水化，細(xì)化水泥的毛細(xì)孔結(jié)構(gòu)，減少空隙率，提高漿料密度。相比Han和Long的研究，侯蘇超[21]和熊軍[22]則做出了更深入的研究，侯和熊都研究了氧化石墨烯對(duì)有機(jī)物性能的變化規(guī)律，他通過機(jī)械共混法制備出氧化石墨烯/天然橡膠（GO/NR）復(fù)合材料，研究了混煉工藝條件和GO用量對(duì)GO/NR復(fù)合材料硫化特性、物理機(jī)械性能、動(dòng)態(tài)為學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，當(dāng)GO用量為0.5份時(shí)，GO/NR復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度最大；隨著GO用量的增加，其儲(chǔ)能模量下降，損耗因子増大。熊則考慮通過改性多層氧化石墨烯來達(dá)到獲取更好阻尼特性和力學(xué)性能的目的，他采用硫硅烷偶聯(lián)劑（Si69）改性多層氧化石墨烯（MGOs），也通過機(jī)械共混法制備出的SMGO/NR復(fù)合材料，研究了復(fù)合材料的力學(xué)性能、動(dòng)態(tài)內(nèi)耗性能，并與MGOs/NR復(fù)合材料進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，Si69雖成功接枝到MGOs上；相比MGOs/NR，當(dāng)添加2phrSMGO時(shí)，復(fù)合材料的拉伸性能提高57%，tanδ值降低21.4%，這充分說明改性后的MGO雖然力學(xué)性能得到增強(qiáng)但仍降低了阻尼特性，這在一定程度上說明單摻一種摻合物仍不能較好兼顧阻尼特性和力學(xué)性能。上述國(guó)內(nèi)外的研究極大豐富和發(fā)展了各類摻合物對(duì)水泥基材料的阻尼特性和力學(xué)性能的兼顧性問題的研究進(jìn)程，也對(duì)本文提出采用多層氧化石墨烯（MGOs）、改性硅粉（MSF）和羧基丁苯乳液（SBE）來有效改善水泥基材料的兼顧性問題提供了有效依據(jù)。1.2.2梯度結(jié)構(gòu)水泥基材料為了有效解決水泥基材料中阻尼特性和力學(xué)性能的兼顧性問題，引入功能梯度材料理論，從結(jié)構(gòu)一體化的角度，設(shè)計(jì)出阻尼增強(qiáng)的梯度結(jié)構(gòu)水泥基材料（gradientstructuralcementitiousmaterialsGSCM）[23]。梯度結(jié)構(gòu)水泥基材料綜合了高強(qiáng)度和高阻尼特性的雙特性，其中結(jié)構(gòu)層由高強(qiáng)度的水泥基材料組成，用以承受高的抗壓強(qiáng)度，而阻尼層由高阻尼特性的水泥基材料組成，以高阻尼特性達(dá)到減振耗能的特性。與傳統(tǒng)高強(qiáng)度的水泥基材料和高阻尼特性的水泥基材料相比，梯度結(jié)構(gòu)水泥基材料能在提高水泥基材料的阻尼特性的同時(shí)保證強(qiáng)度值在小范圍內(nèi)波動(dòng)。2001年，楊久俊等[24,25]首次將功能梯度概念引入到水泥基材料中，提出新的結(jié)構(gòu)形式-梯度結(jié)構(gòu)水泥基復(fù)合材料和建立了相關(guān)的結(jié)構(gòu)模型。研究表明，梯度結(jié)構(gòu)水泥基材料的抗壓強(qiáng)度和熱傳導(dǎo)性的兼顧性均有改善。其次，使有機(jī)聚合物和水泥的結(jié)合區(qū)的組分呈現(xiàn)梯度分布并加壓成型，明顯改善了水泥漿連續(xù)相的力學(xué)性能。研究表明，抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度分別提高10%和78%；在受彎折條件下，聚合物組分形成的自成網(wǎng)絡(luò)體系明顯提高了體系的抗拉能力，同時(shí)自身的變形能力也增強(qiáng)了整個(gè)體系的塑性變形能力。MMastali[26]在此基礎(chǔ)上研究了不加普通配筋的功能梯度鋼筋混凝土在落錘和彈體的沖擊下的沖擊性能，結(jié)果表明功能梯度鋼筋混凝土板在在落錘沖擊下具有較高的抗震性能。相比Mastali的功能梯度鋼筋混凝土的未改性處理，BinS[27]的研究就更具有更多的主動(dòng)性，他通過開發(fā)了一種功能梯度材料系統(tǒng)，生產(chǎn)出四層功能梯度纖維增強(qiáng)水泥復(fù)合材料(FGFRCC)，再將具有不同纖維體積分?jǐn)?shù)的FRCC層根據(jù)期望的構(gòu)造堆疊，然后壓制以產(chǎn)生集成的纖維增強(qiáng)纖維增強(qiáng)纖維復(fù)合材料。結(jié)果表明，與具有相同總纖維體積分?jǐn)?shù)的均勻FRCC相比，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料顯示出約50%的高強(qiáng)度和相當(dāng)?shù)臄嗔压?。而PPLi[28]在處理界面結(jié)合區(qū)的粘結(jié)效果上做出突出貢獻(xiàn)，通過應(yīng)用超高性能混凝土(UHPC)、兩階段混凝土(TSC)和泥漿滲透纖維混凝土(SIFCON)的復(fù)合概念開發(fā)功能梯度超高性能水泥組合梁。功能梯度復(fù)合材料梁(FGCB)由底部一層SIFCON和頂部一層TSC組成，這兩層采用UHPC漿料同步澆注。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的彎曲性能和抗沖擊性能，沒有出現(xiàn)任何界面粘結(jié)問題。在前期收集的研究成果之上，本課題組研究了阻尼增強(qiáng)的梯度結(jié)構(gòu)混凝土的阻尼特性和力學(xué)性能的兼顧性，結(jié)果表明高阻尼混凝土阻尼特性提高30%和抗壓強(qiáng)度達(dá)到50MPa以上，這極大的改善了二者之間的兼顧性。董延玲[29]的研究另辟蹊徑，將功能化概念引進(jìn)混凝土中骨料-水泥石界面區(qū)，采用化學(xué)方法對(duì)骨料進(jìn)行預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)了骨料表面的粗糙化和活化，從而造成骨料和水泥漿體的相互交叉梯度分布，使界面弱區(qū)得到了強(qiáng)化，緩和了界面應(yīng)力。結(jié)果表明，經(jīng)酸處理的骨料表面均不同程度的粗糙化、潔凈化并具有一定的活性，可在一定程度上與水泥漿反應(yīng)形成水化產(chǎn)物而增強(qiáng)界面結(jié)合。DKovaleva[30]則真正在實(shí)際工程中運(yùn)用功能梯度概念，他在設(shè)計(jì)和建造出功能分級(jí)混凝土外殼的羅森斯坦館的設(shè)計(jì)過程和結(jié)構(gòu)分析中，通過采用功能梯度分級(jí)原則，可以在不降低結(jié)構(gòu)承載能力的同時(shí)減輕40%的重量。潘伯林[31]和王信剛[32]就擴(kuò)散性能分別闡述了自己的看法，前者著重研究了4種不同面層厚度對(duì)梯度結(jié)構(gòu)混凝土（GSC）擴(kuò)散性能的影響，結(jié)果表明GSC體系的氯離子擴(kuò)散系數(shù)隨面層厚度的增加而下降，并逐漸趨于平緩。而后者研究了梯度結(jié)構(gòu)混凝土（GSC）的離子傳輸性能和微觀結(jié)構(gòu)，通過對(duì)比單層結(jié)構(gòu)的高性能混凝土（HPC）發(fā)現(xiàn)，GSC的氯離子擴(kuò)散系數(shù)下降了2個(gè)數(shù)量級(jí)，表觀氯離子擴(kuò)散系數(shù)下降了25%～45%，極大的改善了混凝土的耐久性。在研究梯度結(jié)構(gòu)水泥基材料的早期階段，WenXD[33]通過制備了兩種不同表面層厚度的混凝土和功能梯度結(jié)構(gòu)混凝土，再將三者分別進(jìn)行快速氯離子滲透試驗(yàn)和加速鋼筋腐蝕試驗(yàn)后，得到功能梯度結(jié)構(gòu)混凝土的耐久性在二者之間。翟彥春[34]和王紹清[35]則更深一步研究了梯度結(jié)構(gòu)水泥基材料中不同功能層厚度變化對(duì)損耗因子的影響，他們分別闡明了表層和阻尼層厚度對(duì)損耗因子的影響規(guī)律。前者研究發(fā)現(xiàn)在夾芯板總厚度不變的前提下，固有頻率隨著表層厚度的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，呈上凹拋物線狀；損耗因子值隨著表層厚度的增加呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)，分布呈下凸拋物線狀，最大值出現(xiàn)在表層和底層厚度相等時(shí)，因此對(duì)稱結(jié)構(gòu)夾芯板為最優(yōu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。而后者通過研究嵌入式共固化復(fù)合材料阻尼結(jié)構(gòu)的損耗因子隨阻尼層厚度變化的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了損耗因子隨著阻尼層厚度的增大而增大，一直到阻尼層超過一定厚度，損耗因子對(duì)厚度的變化不再敏感。LiuXZ[36]、CMRDias[37]和BaiZ[38]的研究更側(cè)重于材料配比對(duì)梯度功能的影響，Liu重點(diǎn)研究了五種不同配合比對(duì)功能梯度混凝土的耐久性影響；而Dias首先通過使用統(tǒng)計(jì)混合模型來確定各梯度層較佳的配比，再經(jīng)分層成型法制備出梯度功能碳纖維水泥基材料；Bai則在功能級(jí)配EPS的概念上研究四種不同級(jí)配泡沫聚苯乙烯（EPS）的阻尼特性。前者的結(jié)果表明，盡管FGC的開裂后抗彎性能低于常規(guī)材料，但在2010年規(guī)范的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，F(xiàn)RC具有很大的潛力，功能梯度混凝土作為結(jié)構(gòu)的材料對(duì)混凝土的耐久性有重要意義和廣闊前景。而Dias的研究則更深入，他發(fā)現(xiàn)對(duì)聚乙烯醇纖維含量進(jìn)行分級(jí)處理是生產(chǎn)功能級(jí)配纖維水泥的有效方法，在不顯著降低復(fù)合材料的斷裂模量的情況下，能降低纖維的總體積；同時(shí)，也可以對(duì)纖維在不同部位的含量進(jìn)行功能分級(jí)纖維水泥，這能有效改善工程節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜情況。相比Liu的淺顯研究，Bai建立應(yīng)力平衡狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)功能級(jí)配EPS混凝土的力學(xué)性能較均質(zhì)EPS混凝土差，四種級(jí)配模式的動(dòng)力響應(yīng)無明顯差異；針對(duì)工程的荷載不同速度，在輸入面設(shè)置較強(qiáng)的層和輸出面設(shè)置較弱的層的分級(jí)模式可以表現(xiàn)出較好的抗沖擊能力，減少對(duì)受保護(hù)結(jié)構(gòu)的損傷，這充分說明梯度模式可以用來設(shè)計(jì)材料的最佳耗能能力。ANazari[39]研究了功能梯度土工聚合物的好處，分析了兩種不同的粉煤灰基地質(zhì)聚合物混合制成的功能梯度的地質(zhì)聚合物梁。結(jié)果表明裂紋成核增長(zhǎng)取決于應(yīng)力強(qiáng)度因子和斷裂韌性之間的相互作用，采用功能梯度的地聚合物的抗壓強(qiáng)度高于均勻混摻的地聚合物。LuS[40]通過制備不同體積含量\o"LearnmoreaboutPolystyrenefromScienceDirect'sAI-generatedTopicPages"聚苯乙烯的混凝土(柔性顆?；炷?和氧化鋁空心球混凝土(剛性顆?；炷?來研究不同類型顆粒混凝土的\o"LearnmoreaboutEnergyDissipationfromScienceDirect'sAI-generatedTopicPages"能量損耗特性。研究表明，對(duì)于柔性顆?；炷?，摻入體積含量為20%的柔性顆?？梢杂行Ц纳苹炷恋男阅荏w積含量且優(yōu)于體積含量為40%的剛性顆?；炷?。因此，體積含量為20%的柔性顆?；炷辆哂凶顑?yōu)異的耗能特性，在工程應(yīng)用中具有廣闊的發(fā)展前景。1.2.3存在的問題根據(jù)上述文獻(xiàn)分析可知，本文研究混摻MGOs-MSF的GSCM的阻尼特性及阻尼-強(qiáng)度作用機(jī)理時(shí)主要存在的問題有：（1）阻尼特性和力學(xué)性能之間的兼顧性伴隨著高阻尼水泥基材料的阻尼特性提高的同時(shí)，其力學(xué)性能往往有較大幅度的降低，目前沒有一個(gè)完善的辦法能在提高阻尼特性的同時(shí)保持力學(xué)性能不降低。（2）GSCM的阻尼-強(qiáng)度作用機(jī)理在研究GSCM阻尼特性和力學(xué)性能變化的同時(shí)，未能闡明GSCM的阻尼-強(qiáng)度的作用機(jī)理。1.3研究目標(biāo)、研究?jī)?nèi)容與技術(shù)路線1.3.1研究目標(biāo)（1）混摻多層氧化石墨烯（MGOs）、改性硅粉（MSF）和羧基丁苯乳液（SBE）改善了水泥基材料的阻尼特性和力學(xué)性能的兼顧性；（2）建立混摻MGOs-MSF的GSCM宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)的內(nèi)在聯(lián)系，分析GSCM的阻尼-強(qiáng)度作用機(jī)理。1.3.2研究?jī)?nèi)容（1）MGOs-MSF改性水泥基材料的阻尼特性及微觀結(jié)構(gòu)為了從水泥基材料阻尼特性和力學(xué)性能難以兼顧的問題中找到可行的研究思路，以混摻MGOs-MSF的水泥漿體為研究對(duì)象，綜合相關(guān)文獻(xiàn)和試驗(yàn)條件，選出阻尼特性和力學(xué)性能均佳的摻合物多層氧化石墨烯（MGOs）和改性硅粉（MSF），得出最佳配比的水泥基材料；分析抗壓強(qiáng)度和損耗因子的變化規(guī)律及抗壓強(qiáng)度、損耗因子與孔結(jié)構(gòu)、微觀形貌的內(nèi)在聯(lián)系。（2）MGOs-MSF改性GSCM的阻尼特性及微觀結(jié)構(gòu)以GSCM的水泥漿體為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)出高阻尼層和高強(qiáng)度層，其中阻尼層為混摻MGOs、MSF和SBE的最佳阻尼配比，強(qiáng)度層為最佳強(qiáng)度配比；分析抗壓強(qiáng)度、損耗因子與顯微硬度、孔結(jié)構(gòu)、微觀形貌的內(nèi)在聯(lián)系。（3）GSCM的阻尼-強(qiáng)度作用機(jī)理以混摻MGOs-MSF和GSCM的水泥漿體為研究對(duì)象，從阻尼增強(qiáng)組分和GSCM界面結(jié)合的角度，分析混摻MGOs-MSF的GSCM的阻尼-強(qiáng)度作用機(jī)理。1.3.3技術(shù)路線多層氧化石墨烯（Multi-layergrapheneoxide，MGOs）、改性硅粉（Modifiedsilicafume，MSF）、梯度結(jié)構(gòu)水泥基材料（Gradientstructuralcementitiousmaterials，GSCM）（1）通過材料優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高水泥基材料阻尼特性的同時(shí)兼顧了力學(xué)性能。（2）分別從材料優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面出發(fā)，材料上，通過對(duì)多層氧化石墨烯（MGOs）進(jìn)行分散處理和硅粉（SF）改性處理得到MGOs的分散液和改性硅粉（MSF）顆粒，設(shè)計(jì)出兼顧性最佳的混摻MGOs-MSF比例；結(jié)構(gòu)上，引入功能梯度理論，制備出基于阻尼增強(qiáng)的梯度結(jié)構(gòu)水泥基材料（GSCM），GSCM中設(shè)計(jì)出阻尼層和結(jié)構(gòu)層，通過優(yōu)化各層配比改善了的GSCM界面粘結(jié)性，得到兼顧性最佳的GSCM。（3）設(shè)計(jì)出混摻MGOs、MSF和羧基丁苯乳液（SBE）的最佳配比來改性GSCM的阻尼特性和微觀結(jié)構(gòu)。（4）從宏觀性能、微觀結(jié)構(gòu)和作用機(jī)理三方面分析混摻MGOs-MSF的水泥基材料和相應(yīng)GSCM中阻尼特性和力學(xué)性能的兼顧性，其中宏觀性能上分析抗壓強(qiáng)度和損耗因子的變化規(guī)律；微觀上測(cè)試水泥石孔結(jié)構(gòu)的各類參數(shù)、GSCM顯微硬度的變化規(guī)律以及二者的微觀形貌。（5）建立GSCM中抗壓強(qiáng)度、損耗因子與孔結(jié)構(gòu)、顯微硬度、微觀形貌之間的聯(lián)系，分析混摻MGOs-MSF對(duì)GSCM及界面的阻尼-強(qiáng)度的作用機(jī)理，解決水泥基材料的難以兼顧性。1.4主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)（1）針對(duì)水泥基材料阻尼特性和力學(xué)性能的兼顧難題，提出了混摻MGOs-MSF和設(shè)計(jì)GSCM來改善水泥基材料的兼顧性。（2）揭示了混摻MGOs-MSF的GSCM的阻尼-強(qiáng)度的作用機(jī)理。第2章原材料與試驗(yàn)方法第2章原材料與試驗(yàn)方法本章介紹了水泥基材料的原材料及實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法。根據(jù)相關(guān)的規(guī)范要求和性能研究，分別選出多層氧化石墨烯、改性硅粉和羧基丁苯乳液作為改善阻尼特性和力學(xué)性能兼顧性的摻合物；分別采用強(qiáng)度試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀、壓汞儀、顯微硬度儀和環(huán)境掃描電鏡分別測(cè)試抗壓強(qiáng)度、損耗因子、顯微硬度、孔結(jié)構(gòu)和水化產(chǎn)物的微觀形貌。2.1原材料2.1.1水泥基原材料水泥：采用江西贛州海螺水泥有限公司生產(chǎn)的海螺牌P·O42.5水泥，水泥的基本指標(biāo)見表2.1。表2.1水泥的性能指標(biāo)水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量/g安定性初凝時(shí)間終凝時(shí)間抗壓強(qiáng)度(MPa)/min/min3d28dP.O42.5129合格15024527.448.3水：自來水減水劑：采用聚羧酸高性能減水劑，性能指標(biāo)見表2.2。表2.2高性能減水劑的性能指標(biāo)類型狀態(tài)成分減水率/%早強(qiáng)性引氣/%含硫量/%聚羧酸系水劑聚羧酸鹽共聚物25-35顯著<3<52.1.2阻尼增強(qiáng)組分多層氧化石墨烯：采用蘇州碳豐石墨烯科技公司生產(chǎn)制備的黑色多層氧化石墨烯粉末，性能指標(biāo)見表2.3。微觀形貌見圖2.1。表2.3多層氧化石墨烯的性能指標(biāo)名稱純度/%厚度/nm片層直徑/μm層數(shù)比表面積m2/g含硫量/%多層氧化石墨烯>903.4-7.010-505-10100-300<5圖2.1多層氧化石墨烯的微觀形貌活性硅粉：采用上海山鷹環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)的活性硅粉，是煙塵在爐內(nèi)形成的一氧化硅氣態(tài)物，隨煙氣排放到爐外與氧接觸成為二氧化硅粉塵，經(jīng)三級(jí)分離提純工藝技術(shù)，獲得超細(xì)粉體，結(jié)構(gòu)為無定型三維絮棉狀無晶體凝聚物，活性硅粉的性能指標(biāo)見表2.4。表2.4活性硅粉的性能指標(biāo)名稱純度/%平均粒徑/μm活性指數(shù)/μm比表面積m2/g活性硅粉>850.100-0.225>125（28d）22000硅烷偶聯(lián)劑：選KH-151硅烷偶聯(lián)劑作為硅粉的改性劑，化學(xué)結(jié)構(gòu)式為H2C=CHSi(OC2H5)3，外觀為無色至淡黃色透明液體，KH-151硅烷偶聯(lián)劑的性能指標(biāo)見表2.5。表2.5KH-151硅烷偶聯(lián)劑的性能指標(biāo)硅烷偶聯(lián)劑密度g/ml折射率分子量含量/%KH-1510.90271.3960190.31≥98聚合物乳液：采用三和盈工業(yè)公司生產(chǎn)的羧基丁苯乳液，是以丁二烯、苯乙烯加少量羧酸及其它助劑，通過乳液聚合生成的共聚物。有結(jié)合苯乙烯比例較高，具有較高的粘結(jié)力和結(jié)膜強(qiáng)度，機(jī)械及化學(xué)穩(wěn)定性好，流動(dòng)性、貯存穩(wěn)定性均佳，填充量大等優(yōu)點(diǎn)。羧基丁苯乳液固化后的微觀形貌見圖2.2。圖2.2羧基丁苯乳液固化后的微觀形貌2.2試驗(yàn)方法2.2.1工作性能測(cè)試水泥凈漿的流動(dòng)度試驗(yàn)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土外加劑均質(zhì)性試驗(yàn)方法》（GB/T8077-2012）[41]，擴(kuò)展度控制在240±10mm。2.2.2力學(xué)性能測(cè)試取標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)環(huán)境下（濕度>90%，溫度20±1℃）28d的水泥石試塊，樣品尺寸為20mm×20mm×20mm，烘干后常溫放置1h，采用深圳市蘭博三思材料檢測(cè)有限公司的LD43.305抗壓-抗折一體化試驗(yàn)機(jī)，整個(gè)加載過程中以（0.5mm/min±0.1mm/min）的速率均勻加載至破壞，測(cè)試6組抗壓強(qiáng)度，誤差值控制在6組平均值±10%。2.2.3阻尼特性測(cè)試取標(biāo)養(yǎng)28d的水泥石試塊，樣品尺寸為60mm×14mm×6mm，烘干后常溫放置1h，采用美國(guó)TAInstruments公司的DMAQ800分析儀，采用三點(diǎn)彎曲夾具，試驗(yàn)方法設(shè)置為位移隨振幅的變化，振幅控制在25-40μm，測(cè)試3組損耗因子、損耗模量與頻率之間的關(guān)系，誤差值控制在3組平均值±10%，室內(nèi)溫度控制在25℃±2℃。2.2.4孔結(jié)構(gòu)測(cè)試取標(biāo)養(yǎng)28d的水泥石試塊，烘干后常溫放置1h，采用Micromeritics公司的AutoPoreIV9500全自動(dòng)壓汞儀，壓力值范圍控制在0.10-60000.00psia，測(cè)試孔隙率和孔徑分布曲線dV/dlogR與logR的關(guān)系，其中dV/dlogR是指微分分布曲線，是隨孔徑logR變化的函數(shù)。2.2.5顯微硬度測(cè)試取標(biāo)養(yǎng)28d的水泥石試塊，烘干后常溫放置1h，再進(jìn)行多次拋光打磨后得到樣品，采用上海尚光顯微鏡有限公司生產(chǎn)的HXS-1000A型數(shù)字式智能顯微硬度測(cè)試儀，相鄰測(cè)試點(diǎn)的最小間距為50μm，測(cè)試梯度結(jié)構(gòu)水泥基材料的界面結(jié)合區(qū)的顯微硬度[42]。2.2.6微觀形貌測(cè)試取標(biāo)養(yǎng)28d的水泥石試塊，烘干后常溫放置1h，采用美國(guó)FEI公司的Quanta200F環(huán)境掃描電鏡（ESEM），在低壓環(huán)境中觀測(cè)并分析4000倍和15000倍的水泥水化產(chǎn)物的ESEM圖片。第3章MGOs-MSF改性水泥基材料的阻尼特性及微觀結(jié)構(gòu)第3章MGOs-MSF改性水泥基材料的阻尼特性及微觀結(jié)構(gòu)本章以新型高阻尼特性的水泥基材料為研究對(duì)象，以阻尼增強(qiáng)組分多層氧化石墨烯（MGOs）、改性硅粉（MSF）和羧基丁苯乳液（SBE）為摻合物，通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)出最佳配比的混摻MGOs-MSF的水泥基材料，研究標(biāo)養(yǎng)28d的不同含量摻合物對(duì)抗壓強(qiáng)度、損耗因子的影響規(guī)律，同時(shí)建立抗壓強(qiáng)度、損耗因子與孔結(jié)構(gòu)、微觀形貌的內(nèi)在聯(lián)系。3.1阻尼增強(qiáng)組分的處理3.1.1多層氧化石墨烯的分散多層氧化石墨烯的分散：取定量的多層氧化石墨烯粉（MGOs）摻入到含高效減水劑的水溶液中，得到含MGOs的均勻懸浮液1；攪拌均勻后將其置于UltrasonicCleaner（80WAC220-240V40KHz）型超聲儀中，對(duì)混合溶液進(jìn)行1h超聲處理，得到含MGOs的均勻懸浮液2，MGOs溶液的分散過程見圖3.1。圖3.1MGOs溶液的分散過程3.1.2硅粉的改性硅粉的改性：首先取硅粉（SF）含量的0.5%硅烷偶聯(lián)劑加入水中攪拌均勻后倒入燒瓶中；其次將適量的硅粉摻入到水溫為80℃的水浴鍋的燒瓶中，在800r/min轉(zhuǎn)速下保持1h；然后過濾后放入烘干箱；最后在105℃的溫度下放置24h后拿出，篩分出合適的改性硅粉（MSF），SF和MSF的損耗因子和頻率之間的關(guān)系見圖3.2。圖3.2標(biāo)養(yǎng)28d損耗因子與頻率之間的關(guān)系由圖3.2可知，硅烷偶聯(lián)劑改性的MSF損耗因子勻大于SF，相比SF的損耗因子0.025，MSF的損耗因子增加了12.7%，這說明硅烷偶聯(lián)劑能提高SF的阻尼特性。3.2配合比根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[43]和前期研究[23]，MGOs和MSF會(huì)同時(shí)提高阻尼特性和抗壓強(qiáng)度，而羧基丁苯乳液（SBE）會(huì)顯著提高阻尼特性卻降低抗壓強(qiáng)度。同時(shí)，得出MGOs和MSF最佳用量為3%-7%，二者最佳比例為1/99-1/59；SBE最佳用量為8%-12%。本文不考慮各因素相互作用，選用正交表L9（34）設(shè)計(jì)試驗(yàn)，因素水平表見表3.1，正交試驗(yàn)標(biāo)養(yǎng)28d的抗壓強(qiáng)度見表3.2。表3.1因素水平表「L9（34）」因素水平誤差項(xiàng)SBE（A）/%摻合物總量（B）/%MGOs:MSF（C）11831:59221051:79331271:99注：以水泥用量為100%。表3.2正交試驗(yàn)結(jié)果序列標(biāo)號(hào)誤差項(xiàng)SBE（A）/%摻合物總量（B）/%MGOs:MSF（C）抗壓強(qiáng)度（MPa）擴(kuò)展度（mm）B1A1B1C11831:5963.0245B2A2B2C211051:7947.4240B3A3B3C311271:9951.0250B4A1B2C32851:9969.0250B5A2B3C121071:5931.0230B6A3B1C221231:7950.2240B7A1B3C23871:7945.9235B8A2B1C331031:9962.5240B9A3B2C131251:5945.2240K153.859.358.646.4K250.147.053.947.8K351.248.842.660.8R3.712.316.014.4注：水膠比為0.33；流動(dòng)度控制在240±10mm。3.3抗壓強(qiáng)度由表2的直觀分析可知：（1）同一因素各水平下抗壓強(qiáng)度的平均值的極差R最大為16.0，最低為12.3，即影響因素最大的是摻合物總量，其次是MGOs與MSF之間的比例關(guān)系，影響因素最小的是SBE的含量。（2）A因素中，K1>K3>K2，B因素中，K1>K2>K3，C因素中，K3>K2>K1。標(biāo)養(yǎng)28d的抗壓強(qiáng)度與摻合物總量的關(guān)系見圖3.3，標(biāo)養(yǎng)28d的對(duì)照組S0（純的水泥漿體）和D0（單摻12%SBE的水泥漿體）抗壓強(qiáng)度見表3.3。圖3.3標(biāo)養(yǎng)28d抗壓強(qiáng)度與摻合物總量的關(guān)系表3.3標(biāo)養(yǎng)28的對(duì)照組試驗(yàn)結(jié)果序列SBE（A）/%摻合物總量（B）/%MGOs:MSF（C）抗壓強(qiáng)度（MPa）擴(kuò)展度（mm）S000071.4240D0120055.1230由圖3.3和表3.3可知，保持MGOs與MSF比例為1:99時(shí)，抗壓強(qiáng)度為B4>B8>B3，B4比B3提高了18MPa；保持摻合物總量為3%時(shí)，抗壓強(qiáng)度為B1>B8>B6，B1比B6提高了12.8MPa。其中B1、B4和B8的抗壓強(qiáng)度均在60-70MPa，分別低于S0和高于D0；B3的強(qiáng)度值在50-55MPa，低于D0，最佳抗壓強(qiáng)度B4比D0提高了25%-30%。綜上可知，保持MGOs與MSF比例為1:99，混摻MGOs-MSF的抗壓強(qiáng)度隨摻合物總量的增加（3%、5%、7%）呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；保持摻合物總量3%，混摻MGOs-MSF的抗壓強(qiáng)度隨MGOs與MSF比例增加（1:59、1:79、1:99）呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。3.4阻尼特性標(biāo)養(yǎng)28d的B3、B4、B8和D0的損耗因子、損耗模量與頻率之間的關(guān)系見圖3.4和圖3.5。其中損耗因子（tanδ）是指每周期耗散能量（Δw）與在一周期內(nèi)的最大貯能（w）之比，可表征為tanδ=Δw/2πw=E′′/E′，其中E′′為損耗模量，E′為儲(chǔ)能模量。圖3.4標(biāo)養(yǎng)28d損耗因子與頻率之間的關(guān)系圖3.5標(biāo)養(yǎng)28d損耗模量與頻率之間的關(guān)系由圖3.4和圖3.5可知，D0、B3、B4和B8的損耗因子和損耗模量均隨頻率的增加都呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。其中損耗因子大小為D0>B4>B8>B3，在頻率0.5-3Hz時(shí)達(dá)到最低；損耗模量大小為B8>B3>B4>D0，也在頻率0.5-3Hz時(shí)達(dá)到最低。相比D0的損耗因子0.055和損耗模量230.2MPa，B3、B4和B8的損耗因子0.034、0.045和0.035分別降低了38.2%、18.2%和36.4%，而損耗模量542.1MPa、541.9MPa和624.0MPa分別增加了135.5%、135.4%和171.1%。綜上可知，D0、B3、B4和B8的損耗因子和損耗模量隨頻率的增加都呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，都在頻率0.5-3Hz時(shí)達(dá)到最低。保持MGOs:MSF比例為1:99時(shí)，隨摻合物總量（3%、5%、7%）增加，混摻MGOs-MSF的損耗因子呈現(xiàn)為先上升后下降的趨勢(shì)，損耗模量呈現(xiàn)先略微下降后上升的趨勢(shì)。3.5孔結(jié)構(gòu)圖3.6是標(biāo)養(yǎng)28d的B4和D0的孔徑分布，表3.4是標(biāo)養(yǎng)28d的B4和D0的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中B4為試驗(yàn)組，SBE含量為8%，摻合物總量為5%，其中MGOs：MSF為1:99；D0為對(duì)照組，SBE含量為12%，摻合物總量為0。圖3.6標(biāo)養(yǎng)28d的B4和D0的孔徑分布表3.4標(biāo)養(yǎng)28d的B4和D0的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)序列平均孔徑（nm）最可幾孔徑（nm）孔隙率（%）比表面積（g/mL）B48.68.614.32.19D013.312.818.22.18由圖3.6和表3.4可知，對(duì)照組D0的平均孔徑為13.3nm、最可幾孔徑為12.8nm、孔隙率為18.2%和dV/dlogR比例0.08，而試驗(yàn)組B4的平均孔徑為8.6nm、最可幾孔徑為8.6nm、孔隙率為14.3%和dV/dlogR比例0.20；與D0相比，B4的平均孔徑、最可幾孔徑和孔隙率都變小，而dV/dlogR變大，說明了B4的凝膠孔含量更多，密實(shí)性更好，抗壓強(qiáng)度更高。圖3.7是標(biāo)養(yǎng)28d的B4和D0的孔體積分布圖。按照孔徑大小，水泥石中的孔可分為凝膠孔（＜10nm）、毛細(xì)孔（10-1000nm）和大孔（＞1000nm），其中毛細(xì)孔又可以分為小毛細(xì)孔（10-100nm）和大毛細(xì)孔（100-1000nm）[44]。圖3.7標(biāo)養(yǎng)28d的B4和D0的孔體積分布圖由圖3.7可知，對(duì)照組D0在<10nm為29%，10-100nm為59%，>10nm為12%；相比D0，B4在<10nm的百分比更大，在10-100nm和>10nm的百分比更小。說明C-S-H凝膠孔含量大小為B4>D0，因?yàn)槟z孔在一定程度代表凝膠的含量，而C-S-H凝膠含量的增多是造成抗壓強(qiáng)度提高的關(guān)鍵因素，表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度B4>D0；小毛細(xì)孔含量大小為B4<D0，小毛細(xì)孔能通過表面的凹面孔洞的內(nèi)摩擦力，吸收一部分外界傳導(dǎo)來的能量，進(jìn)而達(dá)到減振耗能的效果[45]，表現(xiàn)為損耗因子D0>B4。綜上可知，C-S-H凝膠孔含量大小為B4>D0，因?yàn)槟z孔在一定程度代表凝膠的含量，表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度B4>D0；小毛細(xì)孔通過孔洞的內(nèi)摩擦力吸收一部分外界傳導(dǎo)來的能量，起到減振耗能作用，表現(xiàn)為損耗因子D0>B4。3.6微觀形貌圖3.8和圖3.9分別是標(biāo)養(yǎng)28d的B4和D0的微觀形貌圖。圖3.8標(biāo)養(yǎng)28d的B4的ESEM圖片圖3.9標(biāo)養(yǎng)28d的D0的ESEM圖片由圖3.8和圖3.9可知，在B4和D0上均存在C-S-H凝膠，且B4的水化產(chǎn)物中還嵌有MGOs，而D0上存在片狀的Ca(OH)2。由于C-S-H凝膠的范德華力是抗壓強(qiáng)度的主要來源，而摻合物MGOs和MSF能促進(jìn)水化反應(yīng)[46]，特別是二次水化反應(yīng)，增加了C-S-H凝膠、凝膠孔含量和降低了Ca(OH)2含量，而D0在正常水化反應(yīng)階段存在大量的小毛細(xì)孔，表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度B4>D0，而損耗因子D0>B4，與前述的孔結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果和分析一致。3.7本章小結(jié)（1）混摻MGOs-MSF（B4）的抗壓強(qiáng)度比單摻12%SBE的水泥漿體（D0）的提高了25%-30%，而B4的損耗因子比D0的只降低了15%-20%。（2）保持MGOs與MSF比例為1:99，抗壓強(qiáng)度隨摻合物總量的增加（3%、5%、7%）呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；保持摻合物總量3%，混摻MGOs-MSF的抗壓強(qiáng)度隨MGOs與MSF比例增加（1:59、1:79、1:99）呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。（3）D0、B3、B4和B8的損耗因子和損耗模量隨頻率的增加都呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，都在0.5-3Hz時(shí)達(dá)到最低。保持MGOs:MSF比例為1:99時(shí)，隨著摻合物總量（3%、5%、7%）增加，混摻MGOs-MSF的損耗因子呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，而損耗模量呈現(xiàn)先略微下降后上升的趨勢(shì)。（4）混摻MGOs-MSF促進(jìn)了水化反應(yīng)，使得B4形成更多的C-S-H凝膠和凝膠孔，有利于提高強(qiáng)度，表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度B4>D0；同時(shí)，D0中存在大量小毛細(xì)孔，增強(qiáng)了減振耗能作用，有利于提高損耗因子，表現(xiàn)為損耗因子D0>B4。第4章GSCM的阻尼特性及微觀結(jié)構(gòu)第4章GSCM的阻尼特性及微觀結(jié)構(gòu)本章在第3章確定的混摻MGOs-MSF的水泥基材料之上，引用功能梯度概念，設(shè)計(jì)出梯度結(jié)構(gòu)水泥基材料（GSCM），阻尼層采用混摻MGOs-MSF的水泥基材料的最佳配比，結(jié)構(gòu)層采用高強(qiáng)度的最佳配比，研究不同摻量的摻合物對(duì)抗壓強(qiáng)度和損耗因子的影響規(guī)律，建立了抗壓強(qiáng)度、損耗因子與顯微硬度、孔結(jié)構(gòu)和微觀形貌的內(nèi)在聯(lián)系。4.1材料設(shè)計(jì)阻尼層采用多層氧化石墨烯（MGOs）、改性硅粉（MSF）和羧基丁苯乳液（SBE）作為摻合物摻入到水泥凈漿中，阻尼層的配合比見表4.1；結(jié)構(gòu)層不摻入任何摻合物，只采用含減水劑的水泥凈漿，結(jié)構(gòu)層的配合比見表4.2。表4.1阻尼層配比Kg/m3序列水泥膠凝材料SBE水減水劑MGOsMSFD0′2037.300157.5724.310.2D11968.30.439.0157.5714.523.2D21968.30.658.5157.5721.028.6D31968.30.878.0157.5727.531.5D41968.31.0117.0157.5734.033.5注：D0′為含量8%的SBE水泥基材料。表4.2結(jié)構(gòu)層配比Kg/m3序列水泥膠凝材料SBE水減水劑MGOsMSFS02185.1000721.03.34.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗壓抗折一體機(jī)的試樣采用尺寸為20mm×20mm×20mm的立方體六聯(lián)模具，其中梯度結(jié)構(gòu)水泥基材料的制備為先澆注尺寸為20mm×20mm×10mm的阻尼層水泥凈漿，振搗60次后，再澆注尺寸為20mm×20mm×10mm的結(jié)構(gòu)層水泥凈漿，再振搗60次，在保證擴(kuò)展度范圍內(nèi)在240±10mm的基礎(chǔ)上，充分振搗后再預(yù)壓得到試樣。動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析儀的試樣采用尺寸為6mm×14mm×60mm的長(zhǎng)方體三聯(lián)模具，其中梯度結(jié)構(gòu)水泥基材料的制備也先澆注尺寸為3mm×14mm×60mm的阻尼層水泥凈漿，振搗60次后，再澆注尺寸為3mm×14mm×60mm的結(jié)構(gòu)層水泥凈漿，再振搗60次，在保證擴(kuò)展度范圍內(nèi)在240±10mm的基礎(chǔ)上，充分振搗后再預(yù)壓得到試樣，梯度結(jié)構(gòu)水泥基材料的具體制備過程見圖4.1，其中WR指高效聚羧酸減水劑。圖4.1梯度結(jié)構(gòu)水泥漿體制備的示意圖4.3抗壓強(qiáng)度正交試驗(yàn)標(biāo)養(yǎng)28d的抗壓強(qiáng)度見表4.3。表4.3正交試驗(yàn)結(jié)果序列標(biāo)號(hào)誤差值SBE（A）/%摻合物總量（B）/%MGOs:MSF（C）抗壓強(qiáng)度（MPa）擴(kuò)展度（mm）B1A1B1C11831:5963.0245B2A2B2C211051:7947.4240B3A3B3C311271:9951.0250B4A1B2C32851:9969.0250B5A2B3C121071:5931.0230B6A3B1C221231:7950.2240B7A1B3C23871:7945.9235B8A2B1C331031:9962.5240B9A3B2C131251:5945.2240K153.859.358.646.4K250.147.053.947.8K351.248.842.660.8R3.712.316.014.4注：水膠比為0.33；流動(dòng)度控制在240±10mm。由表4.3的直觀分析可知：選出最佳水平因素為A1B1C3作為補(bǔ)充序列B10，即SBE含量8%和MGOs：MSF為1:99，摻合物總量為3%，標(biāo)養(yǎng)28d的抗壓強(qiáng)度高達(dá)為67.3MPa。為探明B10的強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律，在保持SBE含量8%（水泥含量為100%）和MGOs：MSF為1:99的基礎(chǔ)上，調(diào)整摻合物總量分別為2%、3%和4%（重新編號(hào)為D1、D2和D3），再加上經(jīng)過正交試驗(yàn)分析得出的優(yōu)選方案B4（重新編號(hào)為D4），摻合物總量為5%，相應(yīng)的GSCM為G1、G2、G3和G4，標(biāo)養(yǎng)28d的抗壓強(qiáng)度值具體見表4.4。表4.4標(biāo)養(yǎng)28d的抗壓強(qiáng)度值序列SBE（A）/%摻合物總量（B）/%MGOs:MSF（C）抗壓強(qiáng)度（MPa）擴(kuò)展度（mm）S000071.4240D0′80058.7230D1821:9971.0240D2831:9967.3230D3841:9962.9230D4851:9969.0230G1821:9968.8-G2831:9963.5-G3841:9960.8-G4851:9962.2-注：其中G1、G2、G3和G4由結(jié)構(gòu)層（S0）和阻尼層（D1、D2、D3和D4）按1：1比例關(guān)系構(gòu)成，S0為純水泥基材料，D0′為單摻8%聚合物乳液的水泥基材料。標(biāo)養(yǎng)28d的抗壓強(qiáng)度與摻合物總量之間的關(guān)系見圖4.1，其中S指結(jié)構(gòu)層S0，D指混摻MGOs-MSF的水泥基材料D1、D2、D3和D4，G指梯度結(jié)構(gòu)層G1、G2、G3和G4。圖4.2標(biāo)養(yǎng)28d抗壓強(qiáng)度與摻合物總量之間的關(guān)系由表4.4可知，相比標(biāo)養(yǎng)28d的S0抗壓強(qiáng)度71.4MPa，D1、D2、D3、D4的抗壓強(qiáng)度分別降低了0.6%、5.7%、11.9%、3.4%，而G1、G2、G3和G4也分別降低了3.6%、11.1%、14.9%、12.9%；相比D0′抗壓強(qiáng)度58.7MPa，D1、D2、D3、D4分別增加了21.0%、14.7%、7.2%、17.6%，G1、G2、G3和G4分別增加了17.2%、8.2%、3.6%和6.0%。保持摻合物總量不變時(shí)，各GSCM的抗壓強(qiáng)度均低于各自混摻MGOs-MSF的抗壓強(qiáng)度，但降低幅度小于混摻MGOs-MSF抗壓強(qiáng)度的10%。由圖4.1可知，保持SBE含量8%和MGOs：MSF為1：99時(shí)，D的抗壓強(qiáng)度均在S和G之間，且隨著摻合物總量的增加（2%、3%、4%和5%），混摻MGOs-MSF和GSCM的抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。綜上可知，隨著摻合物總量的增加，混摻MGOs-MSF和GSCM的抗壓強(qiáng)度均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)；相比單摻SBE的水泥基材料，混摻MGOs-MSF和采用GSCM均有較高的抗壓強(qiáng)度，而采用GSCM提高的效果略低于混摻MGOs-MSF，但降低幅度小于各自混摻MGOs-MSF抗壓強(qiáng)度的10%。4.4阻尼特性標(biāo)養(yǎng)28d的混摻MGOs-MSF和GSCM的損耗因子與頻率的關(guān)系見圖4.3和圖4.4。圖4.3標(biāo)養(yǎng)28d損耗因子與頻率之間的關(guān)系圖4.4標(biāo)養(yǎng)28d損耗因子與頻率之間的關(guān)系由圖4.3可知，混摻MGOs-MSF的損耗因子隨頻率的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。相比S0的最小損耗因子0.025，D1、D2、D3和D4的最小損耗因子0.047、0.049、0.040和0.039分別增加了88%、96%、60%和56%；相比D0′的最小損耗因子0.041，D1和D2分別增加了14.6%和19.5%，而D3和D4分別降低了2.4%和4.9%。這說明損耗因子隨摻合物總量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，并且在一定程度混摻MGOs-MSF的水泥基材料對(duì)損耗因子的促進(jìn)作用優(yōu)于單摻SBE更優(yōu)于純水泥基材料。由圖4.4可知，GSCM的損耗因子隨頻率的增加也呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。相比S0的損耗因子0.025，G1、G2、G3和G4的損耗因子0.043、0.046、0.036和0.034分別增加了72%、84%、44%和36%；相比D0′的損耗因子0.041，G1和G2分別增加了4.9%和12.2%，而G3和G4分別降低了12.2%和17.1%。這說明損耗因子隨摻合物總量的增加也呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；并且在一定程度GSCM對(duì)損耗因子的促進(jìn)作用優(yōu)于單摻SBE更優(yōu)于純水泥基材料，與圖4.3的混摻MGOs-MSF的損耗因子相比，GSCM的損耗因子均較低，但降低幅度小于各自混摻MGOs-MSF的15%。綜上可知，混摻MGOs-MSF和GSCM的損耗因子均隨摻合物總量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)；混摻MGOs-MSF和GSCM的損耗因子均隨頻率的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)；相比純水泥基的損耗因子，GSCM對(duì)損耗因子的促進(jìn)作用優(yōu)于單摻SBE乳液和低于混摻MGOs-MSF，但降低幅度小于各自混摻MGOs-MSF的15%。4.5孔結(jié)構(gòu)標(biāo)養(yǎng)28d的D0′、D1、D2、D3和D4的孔結(jié)構(gòu)微分曲線分布見圖4.5。圖4.5標(biāo)養(yǎng)28d的微分曲線分布標(biāo)養(yǎng)28d的D0′、D1、D2、D3和D4各區(qū)間段的孔隙率大小分布見表4.3。表4.5不同MGOS-MSF的孔結(jié)構(gòu)序列孔隙率（%）孔徑分布（%）比表面積（g/ml）最可徑孔徑（nm）<10nm10-25nm26-50nm51-100nm>100nmD0′8.121.6028.8047.901.300.402.15926.3D16.322.9037.7034.403.301.702.13721.1D26.524.5035.8035.302.4022.11421.1D39.119.3022.1053.803.101.702.07232.4D48.619.8020.7051.505.702.302.06440.4注：其中<10nm為凝膠孔、10-25nm為小毛細(xì)孔、26-50nm為中毛細(xì)孔、51-100nm為大毛細(xì)孔和>100nm為大孔。由圖4.5和表4.5可知，在微分曲線分布中，混摻MGOs-MSF的水泥基材料的微分值主要分布在10nm-100nm，大小為D1<D2<D0′<D3<D4。相比D0′，D3和D4有更集中的孔徑分布，D1和D2有更分散的孔徑分布，這說明MGOs和MSF在一定程度能細(xì)化水泥的孔結(jié)構(gòu)，低于臨界摻合總量會(huì)起到相反作用。最可幾孔徑大小分別為D1=D2<D3<D4；水泥基材料孔隙率大小分別為D1<D2<D4<D3，基本符合抗壓強(qiáng)度D3<D4<D2<D1的變化規(guī)律。在10nm-100nm（毛細(xì)孔）的范圍內(nèi)，孔隙率大小也為D1<D2<D0′<D4<D3；其中在51nm-100nm（大毛細(xì)孔）的范圍內(nèi)，孔隙率大小為D2<D1<D0′<D3<D4，與損耗因子值D4<D3<D0′<D1<D2基本呈現(xiàn)相反規(guī)律，這說明毛細(xì)孔特別是大毛細(xì)孔對(duì)損耗因子的生成起到阻礙作用。綜上可知，混摻MGOs和MSF在一定程度能細(xì)化水泥的孔結(jié)構(gòu)，低于臨界摻合總量會(huì)起到相反作用；隨摻合物含量的增加，大毛細(xì)孔的孔隙率呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，與損耗因子的變化規(guī)律剛好相反；隨摻合物含量的增加，水泥基材料孔隙率的呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，基本符合抗壓強(qiáng)度先下降后上升的變化規(guī)律。4.6顯微硬度選出抗壓強(qiáng)度和損耗因子均高的梯度結(jié)構(gòu)G1和G2試驗(yàn)組和G0對(duì)照組，標(biāo)養(yǎng)28d的G0、G1和G2顯微硬度見圖4.6。圖4.6標(biāo)養(yǎng)28d結(jié)構(gòu)-阻尼層的顯微硬度由圖4.6可知，左層結(jié)構(gòu)層的顯微硬度大于右側(cè)阻尼層。在>100μm時(shí)，阻尼層中G1、G2和G0的最高顯微硬度大小為G1>G2>G0，這說明G1的水化反應(yīng)優(yōu)于G2更優(yōu)于G0，也說明采用混摻MGOs-MSF的界面結(jié)合區(qū)粘結(jié)效果優(yōu)于單摻SBE乳液，符合抗壓強(qiáng)度G1>G2>G0的變化規(guī)律；在0±100μm的范圍內(nèi)，顯微硬度呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢(shì)，表明界面結(jié)合區(qū)存在明顯的薄弱區(qū)[47]；在薄弱區(qū)0μm時(shí)，G1、G2和G0的最低顯微硬度大小為G2>G1>G0，這說明在界面薄弱區(qū)中G2的結(jié)合強(qiáng)度高于G1，削弱界面薄弱區(qū)強(qiáng)度會(huì)降低復(fù)合材料的儲(chǔ)能模量和損耗模量，薄弱區(qū)強(qiáng)度在一定程度上表現(xiàn)出阻尼特性的優(yōu)劣[48]；符合損耗因子中G2>G1的變化規(guī)律。綜上可知，隨位移的增加，顯微硬度呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢(shì)，表明界面結(jié)合區(qū)存在明顯的薄弱區(qū)；阻尼層中最高顯微硬度G1>G2>G0，說明阻尼層中混摻MGOs-MSF的界面結(jié)合區(qū)粘結(jié)效果優(yōu)于單摻SBE，與抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律一致；界面薄弱區(qū)最低顯微硬度大小為G2>G1，與損耗因子的變化規(guī)律一致。4.7微觀形貌標(biāo)養(yǎng)28d的G2結(jié)構(gòu)層和阻尼層的微觀形貌見圖4.7和圖4.8。圖4.7標(biāo)養(yǎng)28d的G2的結(jié)構(gòu)層微觀形貌圖4.8標(biāo)養(yǎng)28d的G2的阻尼層微觀形貌由圖4.7和圖4.8可知，結(jié)構(gòu)層和阻尼層均存在層狀結(jié)構(gòu)C-S-H凝膠和針狀晶體AFt，且阻尼層中還存在片狀MGOs。結(jié)構(gòu)層中C-S-H凝膠和針狀晶體AFt的含量高于阻尼層，這說明結(jié)構(gòu)層的水化反應(yīng)更完全，增加了結(jié)構(gòu)層的顯微硬度和抗壓強(qiáng)度；而阻尼層的MGOs鑲嵌在水化產(chǎn)物中，有效改善了水泥基材料的孔隙率，減少了內(nèi)部細(xì)小裂縫，增強(qiáng)了整體性[49]，增加了阻尼層的損耗因子。4.8本章小結(jié)（1）混摻MGOs-MSF和GSCM的抗壓強(qiáng)度隨摻合物總量的增加均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，GSCM提高的效果高于單摻SBE的水泥基材料和低于混摻MGOs-MSF的水泥基材料，但降低幅度小于各自混摻MGOs-MSF抗壓強(qiáng)度的10%。（2）混摻MGOs-MSF和GSCM的損耗因子隨摻合物總量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，GSCM對(duì)損耗因子的促進(jìn)作用優(yōu)于單摻SBE和低于混摻MGOs-MSF，但降低幅度小于各自混摻MGOs-MSF的15%。（3）混摻MGOs-MSF在一定程度能細(xì)化水泥的孔結(jié)構(gòu)，低于臨界摻合總量會(huì)起到相反作用；隨摻合物含量的增加，大毛細(xì)孔的孔隙率呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢(shì)，與損耗因子的變化趨勢(shì)剛好相反，水泥基孔隙率呈現(xiàn)先上升后下降的變化規(guī)律，基本符合抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。隨位移值的增加，顯微硬度呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢(shì)；阻尼層中最高顯微硬度G1>G2>G0，表明混摻MGOs-MSF的界面結(jié)合區(qū)粘結(jié)效果優(yōu)于單摻SBE，與抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律一致；界面薄弱區(qū)最低顯微硬度大小為G2>G1，與損耗因子變化規(guī)律一致。（4）結(jié)構(gòu)層C-S-H凝膠含量更高，表現(xiàn)為水化反應(yīng)更完全，增加了結(jié)構(gòu)層的顯微硬度和強(qiáng)度值；而阻尼層的MGOs鑲嵌在水化產(chǎn)物中，有效改善了孔隙率，減少了內(nèi)部細(xì)小裂縫，增強(qiáng)了整體性，增加了阻尼層的損耗因子。第5章GSCM的阻尼-強(qiáng)度作用機(jī)理的阻尼-強(qiáng)度作用機(jī)理5.1MSF-MGOs-SBE的阻尼-強(qiáng)度作用機(jī)理（1）改性硅粉（MSF）依附在MSF表面的硅烷偶聯(lián)劑乙烯基三乙氧基硅烷發(fā)生水解后易形成乙烯基三乙硅醇，與水化產(chǎn)物Ca(OH)2的羧基形成氫鍵后脫水形成硅氧鍵，這種硅氧鍵能形成網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了水泥基材料的整體性，增加了損耗因子[53]；由3.6微觀形貌、4.5孔結(jié)構(gòu)及相關(guān)研究[9]可知，MSF能細(xì)化孔結(jié)構(gòu)，促進(jìn)二次水化反應(yīng)，增加了C-S-H凝膠含量，增強(qiáng)了抗壓強(qiáng)度。硅烷偶聯(lián)劑與水化產(chǎn)物的反應(yīng)機(jī)理如式5.1和5.2。（5.1）（5.2）（2）多層氧化石墨烯（MGOs）在MGOs模板的調(diào)控下，水化晶體AFt、AFm和Ca(OH)2在吸附點(diǎn)處形成大體積規(guī)整的水化產(chǎn)物，各向水化產(chǎn)物隨齡期的變化繼續(xù)生長(zhǎng)，形成密實(shí)完整的網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)[46]，少許硅烷偶聯(lián)劑水解后的硅醇與MGOs邊緣及表面的羧基和羥基形成硅氧碳鍵，這種硅氧碳鍵形成的大分子也易形成網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)[22]，網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了水泥基材料的整體性，增加了損耗因子；由4.7微觀形貌及相關(guān)研究[49]可知，MGOs細(xì)化了孔結(jié)構(gòu)，減少了內(nèi)部細(xì)小裂縫，增強(qiáng)了水泥基材料的密實(shí)性，增加了抗壓強(qiáng)度。硅烷偶聯(lián)劑與多層氧化石墨烯的反應(yīng)機(jī)理如式5.3。（5.3）（3）羧基丁苯乳液（SBE）以丁二烯為單體的聚合物中，加入苯乙烯酸，在引發(fā)劑和交聯(lián)劑的作用下，易在聚合物表面進(jìn)行聚合和交聯(lián)，形成以丁烯和苯乙烯酸為主要單體的共聚物，即SBE乳液；在水化產(chǎn)物Ca(OH)2的堿性環(huán)境中，易發(fā)生酸堿中和以及生成的羧酸根離子COO-與Ca2+以離子鍵的形式結(jié)合，這種以Ca2+橋接的離子鍵大分子體系形成了網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的整體性[50-52]，增加了損耗因子，且在一定程度上羧基丁苯含量越多，離子鍵大分子含量越多，增加的損耗因子也越多；由3.3和4.3抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)組和對(duì)照組可知，SBE的成膜作用一定程度上阻礙了水泥的水化作用，降低了抗壓強(qiáng)度，且SBE含量越多，阻礙作用越大。羧基丁苯乳液與水化產(chǎn)物的反應(yīng)機(jī)理如式5.4和5.5。（5.4）（5.5）5.2GSCM界面的阻尼-強(qiáng)度作用機(jī)理（1）界面水化產(chǎn)物阻尼層的表面及結(jié)合區(qū)存在少許MGOs和MSF，有效連接阻尼層和結(jié)構(gòu)層之間的水化產(chǎn)物，減少結(jié)合區(qū)細(xì)微裂縫，增強(qiáng)了GSCM界面結(jié)合區(qū)的整體性，增加了GSCM界面的損耗因子；阻尼層中SBE易在界面結(jié)合區(qū)形成薄膜，阻礙了結(jié)構(gòu)層和阻尼層水化產(chǎn)物的有效連接，降低了GSCM界面的損耗因子。界面水化產(chǎn)物的示意圖見圖5.1。由4.7微觀形貌的阻尼層可知，摻合物MGOs和MSF能促進(jìn)二次水化反應(yīng)過程，而結(jié)構(gòu)層只進(jìn)行單純的水化反應(yīng)，使得結(jié)構(gòu)層和阻尼層的水化放熱程度不同，造成界面結(jié)合區(qū)的溫度梯度和原生缺陷，降低了GSCM界面的抗壓強(qiáng)度。圖5.1界面水化產(chǎn)物的示意圖（2）界面顯微硬度阻尼層和結(jié)構(gòu)層的顯微硬度均高于界面結(jié)合區(qū)，界面顯微硬度的高低在一定程度上表現(xiàn)出整體性的優(yōu)劣，削弱界面結(jié)合區(qū)的粘結(jié)強(qiáng)度會(huì)減少水泥基材料的儲(chǔ)能模量和損耗模量，降低了GSCM界面的損耗因子[47]。由4.6顯微硬度的變化趨勢(shì)可知，在結(jié)構(gòu)層和阻尼層的結(jié)合區(qū)，存在界面薄弱區(qū)，易造成應(yīng)力集中，降低了GSCM界面的抗壓強(qiáng)度。5.4本章小結(jié)（1）MSF、MGOs和SBE對(duì)GSCM阻尼的作用機(jī)理分為三方面：1）硅烷偶聯(lián)劑的水解產(chǎn)物與Ca(OH)2的羧基形成氫鍵后脫水形成硅氧鍵，易形成網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)，增加了損耗因子；2）在MGOs模板調(diào)控下，水化晶體AFt、AFm和Ca(OH)2形成大體積規(guī)整的水化產(chǎn)物，易形成網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)，MGOs的羧基和羥基與硅醇形成的硅氧碳鍵，這種硅氧碳鍵形成的大分子，易形成網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)，增加了損耗因子；3）SBE中和反應(yīng)的COO-與水化產(chǎn)物Ca2+橋接的大分子體系，易形成網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)結(jié)構(gòu)，增加了損耗因子。（2）MSF、MGOs和SBE對(duì)GSCM強(qiáng)度的作用機(jī)理也分為三方面：1）MSF能細(xì)化孔結(jié)構(gòu)，促進(jìn)二次水化反應(yīng)，增加C-S-H凝膠含量，增加了抗壓強(qiáng)度；2）MGOs也能細(xì)化了孔結(jié)構(gòu)，減少了內(nèi)部細(xì)小裂縫，增加了抗壓強(qiáng)度；最后，SBE阻礙了水泥的水化作用，降低了抗壓強(qiáng)度。（3）水化產(chǎn)物對(duì)GSCM界面的阻尼-強(qiáng)度作用機(jī)理分為兩方面：1）阻尼層的表層的MGOs和MSF促進(jìn)了結(jié)合區(qū)水化產(chǎn)物有效連接，減少結(jié)合區(qū)細(xì)微裂縫，增加了GSCM界面損耗因子，阻尼層的SBE隔絕了結(jié)構(gòu)層和阻尼層水化產(chǎn)物的有效連接，降低了GSCM界面的損耗因子；2）結(jié)構(gòu)層和阻尼層的水化放熱程度不同，造成結(jié)合區(qū)上存在明顯的溫度梯度和原生缺陷，降低了GSCM界面的抗壓強(qiáng)度。（4）界面顯微硬度對(duì)GSCM界面的阻尼-強(qiáng)度作用機(jī)理分為兩方面：1）GSCM的界面顯微硬度的降低會(huì)削結(jié)合區(qū)的整體性，降低了GSCM界面的損耗因子；2）界面結(jié)合區(qū)存在薄弱區(qū)，易造成應(yīng)力集中，降低了GSCM界面的抗壓強(qiáng)度。第6章結(jié)論與展望第6章結(jié)論與展望6.1結(jié)論本文在材料優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，研究了混摻MGOs-MSF的GSCM的阻尼特性和力學(xué)性能的變化規(guī)律，探索了宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系，分析了GSCM的阻尼-強(qiáng)度的作用機(jī)理，主要工作和成果如下：1、混摻MGOs-MSF的抗壓強(qiáng)度隨摻合物總量的增加（2%、3%、4%、5%、7%）呈現(xiàn)先下降后上升再下降的趨勢(shì)，GSCM的抗壓強(qiáng)度隨摻合物總量的增加（2%、3%、4%、5%）呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。GSCM抗壓強(qiáng)度提高的效果介于單摻SBE的水泥基材料和混摻MGOs-MSF之間，且降低幅度小于各自混摻MGOs-MSF的10%。2、混摻MGOs-MSF的損耗因子和損耗模量均隨頻率的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，且都在0.5-3Hz時(shí)達(dá)到最低；混摻MGOs-MSF和GSCM的損耗因子隨摻合物總量的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，GSCM對(duì)損耗因子的促進(jìn)作用介于單摻SBE和混摻MGOs-MSF之間，且降低幅度小于各自混摻MGOs-MSF損耗因子的15%。3、混摻MGOs和MSF在一定程度能細(xì)化水泥的孔結(jié)構(gòu)，形成更多的C-S-H凝膠和凝膠孔，有利于提高強(qiáng)度，表現(xiàn)為抗壓強(qiáng)度的提高，低于臨界摻合總量會(huì)起到相反作用；隨摻合物含量的增加，大毛細(xì)孔的孔隙率呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，與損耗因子的變化規(guī)律剛好相反；隨摻合物含量的增加，水泥基孔隙率的呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，基本符合抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律。4、隨位移值的增加，顯微硬度呈現(xiàn)先降低后上升的趨勢(shì)，說明存在界面薄弱區(qū)；阻尼層中最高顯微硬度G1>G2>G0，說明阻尼層中混摻MGOs-MSF的界面結(jié)合區(qū)的粘結(jié)效果優(yōu)于單摻SBE乳液，與抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律一致；界面薄弱區(qū)最低顯微硬度大小為G2>G1，與損耗因子中G2>G1的變化規(guī)律一致。5、結(jié)構(gòu)層C-S-H凝膠和凝膠孔含量更高，表現(xiàn)為水化反應(yīng)更完全，增加了結(jié)構(gòu)層的顯微硬度和