不同温度下纳米SiO2对PMC材料性能和微结构的影响研究

摘要

混凝土由于取材方便、价格低廉、高强耐久、性能易调、工艺简单等众多优点，已经成为全世界范围内用途最广、用量最大的建筑材料，在建设中发挥了不可替代的作用。但是在材料制备过程以及服役期间，由于荷载和外界因素的作用，容易产生疏松、剥落、裂缝等缺陷。这些缺陷若不能及时得以修复，外界水和侵蚀性介质不断从材料表面缺陷逐渐渗入，最终将引起混凝土耐久性能的加速劣化。混凝土结构因为开裂、剥蚀、疏松等原因而失效的事故屡屡发生，这不仅给国家带来了巨大的经济损失，而且还严重威胁着人们的人身安全。
　　近年来，国内外许多科研机构和学者针对钢筋混凝土结构修复进行了诸多研究，试图通过研究新材料、开发新工艺解决此间题。其中，聚合物水泥基修复材料因其良好的抗弯折性能、较强的粘结力和较低的经济成本受到了很多关注。但是聚合物会阻碍水泥水化，影响水泥基材料的强度。因此本文将利于水泥早期水化的纳米SiO2掺入聚合物水泥基材料中，采用标准温度20℃和杭州地区冬季平均温度6℃两种温度养护，研究纳米SiO2对聚合物水泥基材料性能和微结构的影响。
　　本研究主要分为三个阶段。第一阶段通过测试水泥基材料的流动性能和力学性能，研究纳米SiO2对聚合物水泥基材料宏观性能的影响;第二阶段采用多种微观测试技术，研究纳米SiO2对聚合物水泥基材料的微结构影响，进行机理的分析探究;第三阶段通过钢筋混凝土梁修复试验，对纳米聚合物水泥基材料的修复效果进行评价。
　　通过上述研究，主要得到以下结论:
　　1.聚合物EVA对水泥基材料的性能影响。在水化早期，聚合物EVA加入后会对水泥的水化产生抑制作用，使得水泥的水化产物减少，因此抗压强度和抗折强度都明显下降;在水化中后期，当水泥基材料内部的湿度下降后，聚合物EVA能防止内部水分的逸出，促进水泥中后期的水化，因此提高了水泥基材料中后期强度增长率，同时由于聚合物EVA在水泥砂浆中成膜逐渐完全，因此水泥基材料抗折强度明显提高。在低温养护条件下，由于聚合物EVA的水解成膜受到了抑制，即使到了水化中后期也不能改善强度的增长率，因此各龄期的抗压和抗折强度均明显下降。
　　2.纳米SiO2对聚合物水泥基材料的性能影响。聚合物水泥基材料掺入纳米SiO2后，在水化早期，因晶核等作用提高了水泥的水化程度，降低了Ca(OH)2的取向指数，优化了孔隙结构，因此聚合物水泥基材料的抗压抗折强度都明显提高;在水化中后期，纳米SiO2的增强效果逐渐减弱，强度逐渐与未掺纳米SiO2的聚合物水泥基材料接近;在低温养护下，纳米SiO2不仅能更好地提高水泥的水化程度、降低Ca(OH)2的取向指数，而且能促进聚合物在低温下的水解成膜过程，从而改善了聚合物水泥基材料的力学性能和微观结构。
　　3.纳米SiO2和聚合物EVA的协同作用能有效改善修复后钢筋混凝土梁的技术性能。掺入EVA后，梁的承载力和抗弯抗裂性能略有提高;同时掺入纳米SiO2，能大幅提高梁的抗弯、抗裂性能和粘结力，显著改善新老混凝土结合面质量，反映出良好的修复效果。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 混凝土结构的损伤形式及主要修复方法

1．2．1 影响混凝土服役性能的主要因素

1．2．2 结构修复的主要方法及材料

1．3 聚合物改性水泥基材料的性能和机理

1．3．1 聚合物对水泥基材料性能的影响

1．3．2 聚合物的作用机理

1．3．3 聚合物水泥基材料的应用现状

1．4 纳米材料对水泥基材料性能和徼结构的影响

1．4．1 纳米材料的特性

1．4．2 纳米材料对水泥基材料性能和微结构的影响

1．5 本文研究的主要内容

第二章 原材料与试验方法

2．1 原材料

2．1．1 水泥

2．1．2 水

2．1．3 粗细骨料

2．1．4 减水剂

2．1．5 纳米SiO2

2．1．6 聚合物材料

2．1．7 纤维材料

2．2 试验方法

2．2．1 水泥基材料的拌合及养护

2．2．2 流动性测试方法

2．2．3 水泥基材料的力学性能测试方法

2．2．4 物相分析——-X射线衍射分析(XRD)和红外光谱分析(IR)

2．2．5 孔结构分析——压汞法(MIP)

2．2．6 微观形貌分析——扫描电子显徼镜(SEM)

2．2．7 钢筋混凝土粱正截面受弯性能试验

2．3 本章小结

第三章 纳米SiO2对聚合物水泥基材料宏观性能的影响

3．1 试验方案

3．2 试验结果及分析

3．2．1 拌合性能

3．2．2 抗压强度

3．2．3 抗折强度

3．2．4 折压比分析

3．2．5 拉伸粘结强度

3．3 本章小结

第四章 纳米SiO2对聚合物水泥基材料微结构的影响

4．1 孔结构分析

4．1．1 标准温度养护下砂浆1d龄期孔结构分析

4．1．2 低温养护下砂浆3d龄期孔结构分析

4．1．3 标准温度和低温养护下砂浆28d龄期孔结构分析

4．1．4 孔结构分析小结

4．2 X射线衍射分析

4．2．1 X射线图谱

4．2．2 C3S、C2S衍射峰强度分析

4．2．3 Ca(OH)2衍射峰强度分析

4．2．4 ca(OH)2的取向性分析

4．2．5 X射线衍射分析小结

4．3 红外光谱分析

4．4 扫描电子显徼镜

4．4．1 聚合物和纳米材料对水泥水化的影响

4．4．2 纳米材料对聚合物水解成膜的影响

4．4．3 扫描电镜分析小结

4．5 本章小结

第五章 纳米改性聚合物水泥基修复材料的应用研究

5．1 试验方案

5．1．1 粱的配筋设计

5．1．2 配合比设计

5．1．3 试验流程

5．2 混凝土性能测试结果与分析

5．3 钢筋混凝土粱测试结果及分析

5．3．1 钢筋混凝土粱的理论计算

5．3．2 钢筋混凝土粱正截面受弯开裂荷载和极限承载力

5．3．3 粱的破坏特征及裂缝形态

5．3．4 超声测试结合面粘结情况

5．3．5 梁的荷载挠度曲线

5．3．6 受弯钢筋应变

5．3．7 混凝土受压应变

5．3．8 平截面假定验证

5．3．9 失效机理综合分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

作者简介