聚合物乳液改性水泥砂浆性能及机理研究

摘要

本文主要研究两种控制方式(控制水灰比为0.4和控制流动度为170±5mm)，两种养护条件(水养：脱模后于20℃水中养护；混养：脱模后于20℃水中养护6d，再在温度20℃/相对湿度65％的空气中养护)、不同聚合物掺量(0-20％)时两种聚合物乳液(丁苯乳液和聚丙烯酸酯乳液)改性水泥砂浆的物理性能、力学性能以及力学性能与体积密度之间的相互关系。通过扫描电镜(SEM)、汞压入(MIP)观察分析聚合物乳液对水泥砂浆孔结构、基体结构、界面和裂缝结构的影响；通过差式扫描量热(DSC)、X射线衍射(XRD)、傅立叶变换红外光谱(FTIR)和固体核磁共振技术(27Al-NMR和29SiNMR)研究聚合物乳液改性水泥砂浆中聚合物对水泥水化的影响，分析水化与改性砂浆物理和力学性能的关系；表征聚合物乳液改性水泥净浆中聚合物对水化产物氢氧化钙、钙矾石、水化铝酸钙和C-S-H凝胶以及水泥水化程度的影响，为聚合物改性机理分析提供理论基础。 一、研究了聚合物乳液对水泥砂浆物理性能的影响，结果表明，一定掺量范围内，两种乳液都具有良好的减水作用，能有效提高新拌水泥砂浆的保水性能。聚合物乳液的掺入能显著降低改性水泥砂浆的毛细孔吸水率，提高抗渗性。乳液的加入使砂浆的体积密度产生变化。对于丁苯乳液：固定水灰比时，新拌改性水泥砂浆的体积密度在乳液掺量为8％左右最低，固定流动度时，乳液掺量在10％之前，新拌砂浆的体积密度随乳液掺量的增加而减小。硬化砂浆体积密度随乳液掺量的变化与新拌时相似。对于聚丙烯酸酯乳液，在掺量较小(不大于6％)时对体积密度影响较大。 二、聚合物掺量的变化对砂浆的力学性能产生重要影响。对于丁苯乳液：固定水灰比时，聚合物掺量在8％之前对抗压、抗折强度有较大的影响；固定流动度时，抗折强度随乳液掺量的增加持续上升。粘结抗拉强度随乳液掺量的增加线性增加，但高温条件不利于其发展。对于聚丙烯酸酯乳液：乳液掺量在低于6％范围内变化对抗压、抗折强度影响较大。乳液掺量大于10％后显著提高砂浆的粘结抗拉强度。两种乳液的加入均有利于砂浆韧性的提高。两种乳液改性水泥砂浆的动弹模量与其硬化时的体积密度发展趋势相似。 改性水泥砂浆的力学性能与体积密度的相关性分析表明，粘结抗拉强度、抗折强度、抗压强度、动弹模量与体积密度之间的相关性依次变好。 三、微观结构分析表明，随着水化的进行，聚合物乳液在水泥砂浆中形成膜结构，同时逐渐被水化产物冲破，形成有机-无机互穿网络的共基体结构。当聚合物掺量为6％时，便形成了连续的聚合物网膜结构。聚合物将集料和无机胶凝基体连接在一起，消除了界面结构薄弱区；阻止了砂浆中微裂纹的发展，有效地改善了水泥砂浆的抗裂性。孔结构研究表明，固定水灰比时，丁苯乳液改性水泥砂浆的孔隙率和平均孔径均随其掺量增加先增大后减小，当乳液掺量在8-10％左右达到最大，而对最可几孔径几乎没有影响。固定流动度时，丁苯乳液使水泥砂浆中的大孔减少，小孔增多。 四、砂浆中聚合物乳液对水泥水化的影响研究表明，少量丁苯乳液的加入可以增加水泥砂浆中Ca(OH)2的生成量，在一定程度上促进水泥水化。乳液掺量为10％时，Ca(OH)2生成量最多，而后Ca(OH)2生成量逐渐减少，水化程度降低，同时硅氧四面体和铝氧多面体的结构发生变化。丁苯乳液促进了铝酸钙和石膏的反应，增加了钙矾石的生成量和稳定性，抑制了钙矾石向单硫型水化硫铝酸钙的转化。 五、净浆中聚合物乳液对水泥水化的影响研究表明，水养不同龄期丁苯乳液改性水泥浆体中Ca(OH)2生成量随其掺量增加先增多后减少，龄期越长这种趋势越明显。适量丁苯乳液的加入可以在一定程度上促进水泥水化，水化3d、7d和28d的改性浆体分别在其掺量为5％、10％和10％时，水化程度最大。混养条件下，改性浆体中Ca(OH)2生成量随乳液掺量增加变化不大，乳液对水化程度影响很小。丁苯乳液促进了改性水泥浆体中铝酸四钙和石膏的反应，增加了体系中钙矾石的生成量和稳定性，减少了水化铝酸四钙的生成量。改性浆体中的铝氧多面体以四面体和八面体形式存在，且以八面体为主。水化3d改性浆体中的[SiO4]4-四面体主要以单聚体和二聚体形式存在，水化28d时出现了三聚体。少量丁苯乳液的加入对Al3+和[SiO4]4-改性浆体中的存在形态影响不大，但大于10％乳液的加入影响了Al3+与[SiO4]4-四面体三维网络的结合，使体系中Al3+更多地以孤立的结构对称形式存在，同时影响了水化产物C-S-H凝胶中[SiO4]4-四面体的聚合，使[SiO4]4-四面体的二聚体和三聚体明显减少。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1引言

1.2聚合物改性水泥基材料的发展概况

1.3聚合物改性水泥基材料性能研究进展

1.3.1聚合物改性水泥基材料

1.3.2聚合物和外加剂复合改性水泥基材料

1.3.3聚合物和其他填料复合改性水泥基材料

1.4聚合物改性水泥基材料机理研究进展

1.4.1聚合物改性水泥基材料的微观结构

1.4.2聚合物改性水泥基材料机理研究的其它方面

1.5本文的研究意义和研究内容

2试验材料与试验方法

2.1试验原料

2.2砂浆的宏观性能测试方法

2.2.1水灰比确定

2.2.2新拌砂浆保水率试验

2.2.3新拌砂浆体积密度试验

2.2.4硬化砂浆体积密度试验

2.2.5硬化砂浆毛细孔吸水率试验

2.2.6抗压强度与抗折强度试验

2.2.7动弹模量试验

2.2.8粘结抗拉强度试验

2.3微观性能测试方法

2.3.1砂浆试样的制备

2.3.2净浆试样的制备

2.3.3扫描电镜(SEM)观察

2.3.4汞压入(MIP)试验

2.3.5差示扫描量热(DSC)试验

2.3.6 X射线衍射(XRD)试验

2.3.7固体核磁共振(27Al NMR和29Si NMR)试验

2.3.8红外光谱(FTIR)分析

3聚合物乳液改性水泥砂浆的物理和力学性能分析

3.1聚合物乳液改性水泥砂浆物理性能分析

3.1.1减水作用

3.1.2保水作用

3.1.3新拌砂浆体积密度

3.1.4硬化砂浆体积密度

3.1.5硬化砂浆毛细孔吸水率

3.2聚合物乳液改性水泥砂浆力学性能分析

3.2.1抗压、抗折强度

3.2.2动弹模量

3.2.3压折比

3.2.4粘结抗拉强度

3.3力学性能与体积密度相关性分析

3.4本章小结

4聚合物乳液改性水泥砂浆机理分析

4.1 SEM形貌分析

4.1.1聚合物对水泥砂浆中大孔的影响

4.1.2聚合物对水泥砂浆裂缝结构的影响

4.1.3水泥砂浆中聚合物成膜过程分析

4.1.4聚合物对水泥砂浆界面结构的影响

4.2 MIP孔结构分析

4.3砂浆中聚合物乳液对水泥水化的影响

4.3.1 DSC分析

4.3.2 XRD分析

4.3.3 FTIR分析

4.3.4 27Al-NMR分析

4.4净浆中聚合物乳液对水泥水化的影响

4.4.1 DSC分析

4.4.2 XRD分析

4.4.3 27Al NMR分析

4.4.4 29Si NMR分析

4.5本章小结

5结论

参考文献

致谢

博士生期间发表的学术论文

博士后期间发表的学术论文及获得专利

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