石墨烯超高性能混凝土制备及性能研究开题报告

1. 研究目的与意义

发明适合于极低水胶比超高性能混凝土的石墨烯分散和改性技术，构建石墨烯材料的理化特性测试方法与性能评价系统；探明石墨烯材料与超高性能混凝土复杂胶凝材料体系协同作用机制，提出石墨烯超高性能混凝土最佳制备工艺，并建立基于功能的石墨烯超高性能混凝土优化设计方法。

揭示石墨烯超高性能混凝土阻尼耗能机理，建立超高性能混凝土微结构与宏观力学行为、阻尼行为的关系，并提出基于功能的超高性能混凝土性能调控机制。

作为结构阻尼的重要组成部分，提高结构材料自身的阻尼从而实现建筑结构自减振目标，能为土木工程领域的结构稳定开辟一条新的道路。

2. 国内外研究现状分析

目前阻尼性能的研究主要集中于金属和聚合物材料，对于全世界用量最大的结构材料混凝土来说，由于其自身的阻尼能力低，在建筑结构设计中一般将其视为定值，一直没有得到人们的足够重视，研究进展较为缓慢。目前对于混凝土阻尼性能的研究，集中于如何提高其阻尼能力，主要是从水泥基体、界面过渡区、集料三方面的改性进行。提高混凝土基体阻尼的方法，主要是掺加有机高分子聚合物、乳胶、石墨粉、橡胶粉、柔性纤维等具有高阻尼功能的材料。柯国军等将丁苯胶乳掺入普通混凝土，结果发现可以明显提高混凝土的阻尼比，当掺量在10%~23%时，阻尼比提高32%~97%；刘铁军等在水泥砂浆中掺加笨丙乳液，发现可以显著提高水泥砂浆的损耗因子（提高几倍到几十倍）；Chin K. Leung等人将用酸处理过的微米和纳米级橡胶颗粒掺加到混凝土中，发现其阻尼性能提高到600%，且混凝土强度的降低能控制在较小程度；刘铁军等人对掺加4%纳米SiO2 混凝土进行试验，其损耗因子提高到素混凝土的2.41倍，他们认为SiO2 的掺入使得混凝土材料的内接触面数量增多，从而提高了材料摩擦阻尼耗能的能力。上述方法对改善混凝土的阻尼性能起到了较为明显的效果，但由于引入的材料自身强度较低，造成复合后混凝土材料强度、刚度明显下降，这对作为结构材料的混凝土来说非常不利，严重限制了在实际工程中的推广应用。目前对于界面过渡区往往采用弱化的处理办法，提高界面过渡区剪切应变来耗散能量。如柯国军教授团队提出了骨料界面弱化的处理办法，即将骨料在机油中进行浸泡以在其表面形成机油包裹层，结果发现采用弱化骨料的混凝土阻尼性能提高明显；与此类似的还有AmickCollin Hal采用的聚合物对骨料进行涂层处理，发现混凝土的阻尼性能也有不同程度的提高；其他的骨料界面弱化处理还包括涂抹环氧树脂、沥青、固化剂、羧基丁苯胶乳等高分子材料。过渡区的弱化处理，虽然能较为明显地提高混凝土材料的阻尼性能，然而由于界面过渡区被极大地人为削弱，从而不可避免地降低混凝土材料抗压强度及弹性模量等力学性能。集料是混凝土中非常重要的组成部分，集料的阻尼性能也显著地影响混凝土材料整体的阻尼特性。张海捷等通过试验发现，卵石、碎石、轻骨料混凝土的阻尼比依次减小；ChaofengLiang 等研究表明再生骨料混凝土的阻尼性能要优于普通骨料混凝土，他们解释是由于再生骨料所带的众多微裂纹所致。田耀刚借鉴结构振动控制与阻尼器减振原理，在混凝土中引入自行设计发明的阻尼器，并成功制备出抗压强度可达60MPa、阻尼比超过4.0%的具有较高阻尼的高强混凝土。综合上述文献可知，众多学者已对如何提高混凝土的阻尼性能展开了较多的研究，提出的多种方法也起到了较为明显的效果。

3. 研究的基本内容与计划

研究内容：超高性能混凝土的阻尼性能研究

（1）对超高性能混凝土的阻尼性能测试，测试不同骨料种类，骨料粒径，不同纤维种类形状的超高性能混凝土阻尼性能；

（2）用普通混凝土的阻尼性能形成对比组、加入石墨烯后进行阻尼性能对比；

4. 研究创新点

其中涉及材料学、结构、力学、数学、物理、化学和计算机科学等多学科领域，有利于学科的发展。不仅丰富了石墨烯材料的生态内涵，而且引领了传统土木工程的材料学科发展的新道路。在微结构研究中，引入石墨烯科学研究的方法，从石墨烯超高性能混凝土微结构的起源建立相关模型，并将石墨烯材料的特殊效用植入到宏观性能中，致使微观结构与宏观性能相结合。研究石墨烯材料与胶凝材料的协同效应，提出针对石墨烯超高性能混凝土阻尼调控机理，建立基于功能的超高性能混凝土配伍设计方法与制备技术，解决一直以来结构材料中力学性能与阻尼性能的矛盾，满足新时代超高层、超大跨工程建设的重大需求，达到了理论创新、关键技术突破和重大需求相结合。建立石墨烯的优化和基于性能的超高性能混凝土的设计理论，引领传统材料进入崭新的领域。发明适合于极低水胶比超高性能混凝土的石墨烯材料稳定分散和改性技术，构建其的理化特性测试方法与性能评价系统，提出基于微结构的阻尼调控技术，并研制出石墨烯超高性能混凝土制备技术。