CN114907075A - 一种高阻尼羧基丁苯胶乳-碳纳米管水泥砂浆及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种高阻尼羧基丁苯胶乳‑碳纳米管(SBR/CNTs)水泥砂浆及其制备方法。所述各组分及其所占重量份数包括：水泥950～1050份、水300～400份、砂1200～1800份、羧基丁苯胶乳10～200份、功能化碳纳米管1～3份、分散剂3～9份、消泡剂2～8份。本发明解决了低振幅动荷载问题和特定水泥砂浆结构潜在的共振问题，保证其承载能力情况下大幅提高其阻尼特性，能消耗地震能量达到减、隔震作用，进一步提高结构的稳定性，降低结构破坏的可能性及程度，减少修复的成本，节约城市建设的相关费用；另外对我国科技创新、经济发展、自然环境与社会的进步具有重大意义和实用效益。

Description

一种高阻尼羧基丁苯胶乳-碳纳米管水泥砂浆及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，具体涉及一种高阻尼羧基丁苯胶乳-碳纳米管(SBR/CNTs)水泥砂浆及其制备方法。

背景技术

阻尼(damping)是指材料在振动中由于本身固有的原因引起振动幅度逐渐下降、消耗能量的现象。阻尼性能通常又称为减振性能，是材料的一种功能特性。超高建筑和超快速交通系统的不断涌现，对水泥砂浆结构的动力特性提出了更高的要求，振动控制变得越来越重要，有效的振动控制能延长结构的使用寿命，减少结构维护的费用，降低噪音污染，提高结构的舒适度。

目前，结构的振动控制主要是通过提高结构能量耗散和减隔震技术实现，这些技术的实现大多通过各种阻尼装置来提高结构的阻尼，以降低结构振动的程度。然而这些阻尼装置的成本十分昂贵，远远高于一些阻尼材料。

传统水泥砂浆价格低廉、应用广泛，但遗憾的是其阻尼性能较差，抗震、减震能力十分有限。如何能够取得新型高阻尼水泥砂浆在保证抗压、抗折等基本力学性能的同时，能更好满足结构自减震需求，是亟待解决的问题。

发明内容

基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个，换言之，本发明的目的之一是提供一种高阻尼羧基丁苯胶乳-碳纳米管(SBR/CNTs)水泥砂浆的全流程制备工艺，使碳纳米管在羧基丁苯橡胶溶液中均匀分散，用以制作高阻尼水泥砂浆，能够用于结构的振动控制，延长使用寿命和降低噪音污染等方面，尤其是解决低振幅动荷载问题和特定水泥砂浆结构的潜在共振问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种高阻尼羧基丁苯胶乳-碳纳米管(SBR/CNTs)水泥砂浆，各组分及其所占重量份数包括：水泥950～1050份、水300～400份、砂1000～1800份、羧基丁苯胶乳10～200份、功能化碳纳米管1～3份、分散剂3～9份、消泡剂2～8份。

作为优选方案，所述分散剂为十二烷基硫酸钠(SDS)或聚羧酸减水剂。

作为优选方案，所述功能化碳纳米管为羧基碳纳米管或羟基碳纳米管。

作为优选方案，所述水泥为普通32.5、42.5或52.5硅酸盐水泥。

作为优选方案，所述功能化碳纳米管与分散剂的分数比例为1：3。

作为优选方案，包括以下步骤：

(1)加入水和分散剂，搅拌、溶解；再加入碳纳米管(MWCNTs)之后、超声、振动得到碳纳米管分散溶液；

(2)将分散好的MWCNTs溶液加入到称取好的SBR溶液中，搅拌；

(3)将上述混合液置于温水中超声，搅拌；

(4)称量原材料精细砂、水泥、水、消泡剂的重量；

(5)将称量好的水泥、砂子依次倒入搅拌锅内均匀搅拌；

(6)将步骤(3)制得的分散均匀的SBR/CNTs悬浮液倒入搅拌锅中，剩余的50％额外水清洗悬浮液玻璃器皿后再倒入搅拌锅，然后加入消泡剂；

(7)搅拌均匀后，先标准养护，然后再自然养护的方式进行养护，得到高阻尼羧基丁苯胶乳-碳纳米管(SBR/CNTs)水泥砂浆。

作为优选方案，所述步骤(1)中混合的顺序为先配置分散液，再加入碳管；超声为水浴超声。

作为优选方案，所述步骤(3)中水浴超声时水温为50-60℃。

作为优选方案，所述步骤(6)中消泡剂为乳胶消泡剂；消泡剂用量为羧基丁苯胶乳含量的4％；SBR-CNT悬浮液边加入边搅拌。

作为优选方案，所述步骤(7)中搅拌时要快慢结合、搅拌均匀，养护前2-5天先标准养护或喷水养护，之后自然养护。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

(1)提供了一种制作羧基丁苯橡胶乳液-碳纳米管聚合物纳米复合材料的方法。

(2)新型高阻尼水泥砂浆解决了低振幅动荷载问题和特定水泥砂浆结构潜在的共振问题。

(3)本发明保证其承载能力情况下大幅提高其阻尼特性，能消耗地震能量达到减、隔震作用，进一步提高结构的稳定性，降低结构破坏的可能性及程度，减少修复的成本，节约城市建设的相关费用；另外对我国科技创新、经济发展、自然环境与社会的进步具有重大意义和实用效益。

附图说明

图1是本发明高阻尼羧基丁苯胶乳-碳纳米管(SBR/CNTs)水泥砂浆的制备流程。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例，下面描述中的是本发明的一些实施例。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些实施例替换获得其他的实施方式，这些替换同样属于本发明的保护范围之内。

本发明是将：1、羧基丁苯胶乳与水泥水泥砂浆充分搅拌后，不断沉积在水泥胶凝体的表面，丁苯颗粒之间水分逐渐被全部吸收到水化过程的化学结合水中，丁苯颗粒完全融合在一起形成连续的结构网，把水泥水化产物联结在一起，从而增大了水泥水泥砂浆的塑性和柔性，不同程度改变粗骨料与水泥石之间的界面，显著提高所得水泥砂浆的阻尼性能；

2、通过试验遴选出碳纳米管良好的分散剂以及分散最佳方法制备碳纳米管分散液，实现了碳纳米管在水泥的碱性环境中的均匀分散，而且与通过SBR的结合，有助于密度较小的碳纳米管均匀分散在基体中，以便于充分发挥其优异的力学性能，阻碍微裂缝扩展，桥联裂纹，提高复合材料的力学性能。

3、通过碳纳米管、羧基丁苯橡胶两种性能优异的高阻尼材料改性，使水泥砂浆阻尼性能大大提高，对结构的振动控制提出了除昂贵阻尼器以外更加经济便捷的思路，有助于延长结构的使用寿命，减少结构维护的费用，降低噪音污染，提高结构的舒适度。

一种高阻尼羧基丁苯胶乳-碳纳米管(SBR/CNTs)水泥砂浆的全流程制备工艺如图1，包括以下步骤：

S1:在烧杯中加入水和聚羧酸分散剂，用玻璃棒搅拌至分散剂完全溶解，再加入碳纳米管(MWCNTs)之后用超声波仪水浴超声振动0.5小时得到碳纳米管分散溶液；

S2:将分散好的MWCNTs溶液加入到称取好的SBR溶液中，用磁力搅拌机搅拌30min；

S3:将上述混合液置于水已加热到60℃温度的超声1小时并每隔10分钟用玻璃棒搅拌一次；

S4:清洗搅拌机，擦干或倒扣沥干后待用，称量好精细砂、水泥、水、消泡剂等各原材料的用量；

S5:将称量好的水泥、砂子倒入搅拌锅内均匀搅拌；

S6:将分散均匀的SBR/CNTs悬浮液倒入搅拌锅中，剩余的50％额外水清洗悬浮液玻璃器皿后再倒入搅拌锅，再加入消泡剂；

S7:先手工均匀搅拌，再采用机械慢速搅拌3分钟再快速搅拌2分钟，搅拌均匀后采用先标准养护2天再自然养护方式养护,得到高阻尼羧基丁苯胶乳-碳纳米管(SBR/CNTs)水泥砂浆。

进一步的，S1中，再加入每组试样配比中除了已有水以外50％的用水量以便CNT溶液能更好与SBR溶液互溶又不影响水灰比。分散剂为聚羧酸减水剂，制备碳纳米管分散溶液使用洁康PS-20型号的超声仪。

S2中，使用磁力搅拌机能将混合液大致搅拌均匀，极大提高分散的效率。

S3中，由于SBR本身材料的特性，在超声过程中乳液表面会形成一层薄膜，所以分散过程中每隔十分钟用玻璃棒搅拌一次。

S4中先洗干净搅拌锅并擦拭使锅内表面湿润无明水，所用的搅拌机为J-550型水泥砂浆搅拌机。

S5中顺序为先加入水泥再加入精细砂，搅拌均匀，搅拌过程中盖上搅拌机盖子。

S6中，由于SBR溶液中含有50％水，所以须在配合比中需要的水中除去这部分已有水以控制水灰比；用配合比中需要的剩下50％的额外水清洗器皿并加入搅拌锅；所用的消泡剂为德丰157型号消泡剂，消泡剂用量为羧基丁苯乳胶含量的4％；

S7中的搅拌顺序为机械慢速搅拌3分钟再快速搅拌2分钟，先用标准养护方式使乳胶砂浆的强度充分发展，之后为了防止较轻的SBR穿过砂浆孔隙上浮，采用自然养护方式养护。

通过采用上述技术方案，利用两种互补的高阻尼水泥砂浆改性材料使其充分发挥各自的作用，并最终可制备成阻尼性能良好的高阻尼羧基丁苯胶乳-碳纳米管(SBR/CNTs)水泥砂浆。

本发明实施例中的水泥采用基准水泥；砂子采用最大尺寸为653μm的精细砂；拌合用水为普通自来水；分散剂为巴斯夫聚羧酸减水剂；消泡剂为德丰157型；羧基丁苯乳胶为巴斯夫D623型，相关技术指标见表1；碳纳米管为中科院成都有机所研制的含羧基官能团的多壁碳纳米管，相关技术指标见表2。

表1羧基丁苯胶乳的相关技术指标

表2碳纳米管的相关技术指标

其配比条件见表3，具体制备步骤如下：

实施例1

一种高阻尼羧基丁苯胶乳-碳纳米管(SBR/CNTs)水泥砂浆的全流程制备工艺，配合比见表3，包括以下步骤:

1在烧杯中加入每组试样配比中除去SBR溶液中已含有的水以外还需要的水(额外水)的50％用水量和分散剂，用玻璃棒搅拌至分散剂完全溶解，再加入MWCNTs，用超声波仪水浴超声振动0.5小时，最后得到碳纳米管分散溶液；

2将分散好的MWCNTs溶液加入到称取好的SBR溶液中，用玻璃棒搅拌；

3将上述混合液置于已加热到60℃水中，超声1小时并每隔10分钟用玻璃棒搅拌一次；

4清洗搅拌机，擦干或倒扣沥干后待用，称量好精细砂、水泥、水、消泡剂等各原材料的用量；

5将称量好的水泥先加入，再加入砂子，手动搅拌均匀；

6将分散均匀的SBR/CNTs悬浮液倒入搅拌锅中，剩余的50％水清洗混合液容器后倒入搅拌锅。

7先手工进行均匀搅拌，再采用机械慢速搅拌3分钟再快速搅拌2分钟。

8力学性能强度试验将水泥浆倒入160mm×40mm×40mm的标准模具中，损耗因子试验将水泥浆倒入2.5mm×8mm×60mm的标准模具中。使用外部振动器促进压实，减少气泡数量。所有试样在24h后脱模，在温度20±2℃、相对湿度≥95％的条件下标准养护2天后采用自然养护方式养护，至少养护28天。

实施例2

实施例2所述的高阻尼水泥砂浆的制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于分别采用表3中记载的配方条件。

实施例3

实施例3所述的高阻尼水泥砂浆的制备方法与实施例1大致相同，不同之处在于分别采用表3中记载的配方条件。

对比例1

对比例1普通水泥砂浆的配合比见表3，包括以下步骤:

1将称量好的水泥先加入，再加入砂子，手动搅拌均匀，再加入水；

2先手工进行均匀搅拌，再采用机械慢速搅拌3分钟再快速搅拌2分钟。

3力学性能强度试验将水泥浆倒入160mm×40mm×40mm的标准模具中，损耗因子试验将水泥浆倒入2.5mm×8mm×60mm的标准模具中。使用外部振动器促进压实，减少气泡数量。所有试样在24h后脱模，在温度20±2℃、相对湿度≥95％的条件下标准养护2天后采用自然养护方式养护，至少养护28天。

对比例2

对比例2碳纳米管水泥砂浆的配合比见表3，包括以下步骤:

1在烧杯中加入每组试样配比中除去SBR溶液中已含有的水以外还需要的水(额外水)的50％用水量和分散剂，用玻璃棒搅拌至分散剂完全溶解，再加入MWCNTs，用超声波仪水浴超声振动1小时，每隔10分钟用玻璃棒搅拌一次，最后得到碳纳米管分散溶液；

2将称量好的水泥先加入，再加入砂子，手动搅拌均匀，再加入碳纳米管分散液搅拌均匀，再加入剩余的水；

3先手工进行均匀搅拌，再采用机械慢速搅拌3分钟再快速搅拌2分钟。

4力学性能强度试验将水泥浆倒入160mm×40mm×40mm的标准模具中，损耗因子试验将水泥浆倒入2.5mm×8mm×60mm的标准模具中。使用外部振动器促进压实，减少气泡数量。所有试样在24h后脱模，在温度20±2℃、相对湿度≥95％的条件下标准养护2天后采用自然养护方式养护，至少养护28天。

对比例3

1称量好精细砂、水泥、水、乳胶、消泡剂等各原材料的用量；

2将称量好的水泥先加入，再加入砂子，手动搅拌均匀；

3将分散均匀的SBR乳液倒入搅拌锅中，剩余的水清洗容器后倒入搅拌锅，加入消泡剂。

4先手工进行均匀搅拌，再采用机械慢速搅拌3分钟再快速搅拌2分钟。

5力学性能强度试验将水泥浆倒入160mm×40mm×40mm的标准模具中，损耗因子试验将水泥浆倒入2.5mm×8mm×60mm的标准模具中。使用外部振动器促进压实，减少气泡数量。所有试样在24h后脱模，在温度20±2℃、相对湿度≥95％的条件下标准养护2天后采用自然养护方式养护，至少养护28天。

表3实施例和对比例所述混凝土制品的配方条件

表3水泥砂浆试件配合比

将实施例1～3和对比例1～3所得高阻尼水泥砂浆养护至28d后进行强度、阻尼性能测试。试验仪器采用25T高性能疲劳试验机(Instron Type 8802)，测试试件的抗折强度和抗压强度，根据中国规范JTG 3420-2020抗折试验和抗压试验的加载速率分别为3kN/min和144kN/min。力学性能按照《普通水泥砂浆力学性能试验方法标准》(GB 50081-2002)、《水泥砂浆强度检验评定标准》(GB50107-2010)的相关规定进行操作。

阻尼性能测试：试验仪器采用DMA(TA，Q800，USA)。对尺寸2.5mm×8mm×60mm的样品施加一个预定振幅的正弦交变应力，测试其在7微米振幅、1Hz频率下的损耗因子，损耗因子越高，阻尼性能越好。

结果分别见表4。

表4实施例和对比例所得水泥砂浆制品的性能测试结果

上述结果表明，与普通水泥砂浆(对比例1)相比，本发明实施例2的抗折强度提高了20.5％，抗压强度提高了15％，损耗因子提高了1345.2％；与添加碳纳米管的水泥砂浆(对比例2)相比，本发明实施例2的抗折强度提高了27.9％，抗压强度提高了33.1％，损耗因子提高了1211.3％；与仅添加丁苯胶乳的水泥砂浆(对比例3)相比，本发明实施例2的抗折强度提高了13.7％，抗压强度提高了6.9％，损耗因子提高了172％。各实施例在保持了一定的力学性能的前提下，损耗因子较普通水泥砂浆(对比例1)提高了7.73倍-15.67倍。

抗折、抗压强度代表了此材料的力学性能，一定的力学性能是建筑材料使用的基础。阻尼(damping)性能是指材料在面对振动或者摇荡时耗散能量的能力。通过正弦扫描方法测得损耗因子(E″/E′)是材料在变形过程中耗散的能量与最大存储能量的比值并表征振动幅度的衰减率，能一定程度上反映材料的阻尼性能。

动载荷作用下的结构响应很大程度上取决于阻尼特性，增加阻尼可以降低反应谱谱值从而减小地震动反应，是对结构进行振动控制的主要手段。对结构进行有效的振动控制可以阻尼有助于减小结构的共振振幅，从而避免结构因动应力达到极限造成结构破坏，使系统受到瞬时冲击后，很快恢复到稳定状态，减少因机械振动产生的声辐射，降低机械性噪声。阻尼有助于降低结构传递振动的能力，可使隔振、减振的效果显著，减轻震害，减少结构维护费用，提高结构的舒适度。

振动控制可简单分为三类：下部结构隔振、被动耗能、主动、半主动和智能控制。在这些方法中，获得更高振动能力的更优选方式是对结构材料本身进行改进，以使其在保持其高强度的同时提供理想的阻尼性能。阻尼是材料在循环载荷下的能量耗散。提高水泥基体的阻尼能力比在结构上安装阻尼装置更方便改善阻尼性能。

上述结果表明，本发明所得新型高阻尼水泥砂浆在保证力学性能的同时，阻尼性能有了较大幅地提高，将其投入于生产能更好满足地下结构隔震减震需求，对我国结构建设具有极大的实用性价值。

以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的技术构思，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高阻尼羧基丁苯胶乳-碳纳米管水泥砂浆，其特征在于：各组分及其所占重量份数包括：水泥950～1050份、水300～400份、砂1000～1800份、羧基丁苯胶乳10～200份、功能化碳纳米管1～3份、分散剂3～9份、消泡剂2～8份。

2.根据权利要求1所述的一种高阻尼羧基丁苯胶乳-碳纳米管水泥砂浆，其特征在于：所述分散剂为十二烷基硫酸钠或聚羧酸减水剂。

3.根据权利要求1所述的一种高阻尼羧基丁苯胶乳-碳纳米管水泥砂浆，其特征在于：所述功能化碳纳米管为羧基碳纳米管或羟基碳纳米管。

4.根据权利要求1所述的一种高阻尼羧基丁苯胶乳-碳纳米管水泥砂浆，其特征在于：所述水泥为普通32.5、42.5或52.5硅酸盐水泥。

5.根据权利要求1所述的一种高阻尼羧基丁苯胶乳-碳纳米管水泥砂浆，其特征在于：所述功能化碳纳米管与分散剂的份数比例为1：3。

6.根据权利要求1所述的一种高阻尼羧基丁苯胶乳-碳纳米管水泥砂浆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)加入水和分散剂，搅拌、溶解；再加入碳纳米管后、超声、振动得到碳纳米管分散溶液；

(2)将分散好的碳纳米管溶液加入到称取好的羧基丁苯胶乳溶液中，搅拌；

(3)将上述混合液置于温水中超声，搅拌；

(4)称量原材料精细砂、水泥、水、消泡剂的重量；

(5)将称量好的水泥、砂子依次倒入搅拌锅内均匀搅拌；

(6)将步骤(3)制得的分散均匀的高阻尼羧基丁苯胶乳-碳纳米管悬浮液倒入搅拌锅中，剩余的50％额外水清洗悬浮液玻璃器皿后再倒入搅拌锅，然后加入消泡剂；

(7)搅拌均匀后，先标准养护，然后再自然养护，得到高阻尼羧基丁苯胶乳-碳纳米管水泥砂浆。

7.根据权利要求6所述的一种高阻尼羧基丁苯胶乳-碳纳米管水泥砂浆的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中混合的顺序为先配置分散液，再加入碳纳米管，超声为水浴超声。

8.根据权利要求6所述的一种高阻尼羧基丁苯胶乳-碳纳米管水泥砂浆的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中水浴超声时水温为50-60℃。

9.根据权利要求6所述的一种高阻尼羧基丁苯胶乳-碳纳米管水泥砂浆的制备方法，其特征在于：所述步骤(6)中消泡剂为乳胶消泡剂，消泡剂用量为羧基丁苯胶乳含量的4％；高阻尼羧基丁苯胶乳-碳纳米管悬浮液边加入边搅拌。

10.根据权利要求6所述的一种高阻尼羧基丁苯胶乳-碳纳米管水泥砂浆的制备方法，其特征在于：所述步骤(7)中搅拌时要快慢结合、搅拌均匀，养护前2-5天先标准养护或喷水养护，之后进行自然养护。

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