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材料工程的開(kāi)題報(bào)告
材料工程是研究、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料的工程領(lǐng)域。對(duì)現(xiàn)在的建筑行業(yè)有非常重要的意義。
論文題目： 高聚物對(duì)水泥抗蝕性能的影響
1、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、水平及存在的問(wèn)題：
隨著建筑科技的進(jìn)步與發(fā)展，一種新型化學(xué)建材正悄悄的卻又以飛快的速度在中國(guó)建筑界得到應(yīng)用和發(fā)展，這就是聚合物水泥基復(fù)合材料。聚合物水泥基復(fù)合材料通常按其化學(xué)構(gòu)成大致分為兩類(lèi)，一類(lèi)是以聚合物為基、水泥作為填充料組合成的，最常見(jiàn)的如目前大量應(yīng)用于工程防水的“聚合物水泥防水涂料”;另一類(lèi)是以水泥為基，以聚合物單體或數(shù)種聚合物對(duì)水泥進(jìn)行改性而組合成的材料，如各種聚合物水泥混凝土及各種聚合物水泥砂漿等[1]。原則上講，聚合物水泥是聚合物改性水泥，它保持了水泥水化物的一系列優(yōu)點(diǎn)，并用聚合物的優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了水泥制品的不足。因此，聚合物水泥顯示出了較大的抗壓、抗沖擊、抗穿刺能力及耐磨性，優(yōu)良的抗?jié)B性、抗腐蝕性及抗老化性，適當(dāng)?shù)膹椥阅Ａ�，而不需要刻意追求高的斷裂延伸率[2]。
1923 年克萊森(Cresson)首次申請(qǐng)了有關(guān)聚合物硬化水泥體系的專(zhuān)利。他把天然橡膠乳液作為填料加入道路路面建筑材料中。1924年，Lefebure申請(qǐng)了用天然橡膠乳液使水泥砂漿及水泥混凝土改性的專(zhuān)利，第一次提出了用聚合物對(duì)水泥砂漿及混凝土進(jìn)行改性的概念。從此，拉開(kāi)了混凝土中添加聚合物的歷史性序幕。1932年，Band第一個(gè)提出了利用人造橡膠改性水泥砂漿及水泥混凝土，也獲得了專(zhuān)利。20世紀(jì)40 年代，人們先后嘗試了用合成聚合物乳膠改性，以及把聚乙烯乙酸酯也用于改性的方法。50年代，這一領(lǐng)域的研究與嘗試開(kāi)始受到各國(guó)材料界專(zhuān)家學(xué)者的重視，并獲得了很多項(xiàng)研究成果，許多成果在工程上也都得到了廣泛的應(yīng)用。60-70年代， 人們開(kāi)始研究用液態(tài)和固態(tài)的聚合物，諸如聚合物單體、樹(shù)脂、聚合物乳膠粉等對(duì)水泥砂漿及水泥混凝土進(jìn)行改性。80年代，各國(guó)都投入了大量的人力、物力、財(cái)力，對(duì)混凝土改性進(jìn)行了研究，隨著科研成果的不斷出現(xiàn)，這一領(lǐng)域也得到了極大的推動(dòng)，研究水平得到了極大的提升。美國(guó)是世界上聚合物水泥基復(fù)合材料研究開(kāi)發(fā)的先行國(guó)家，最早于50年代就開(kāi)始了對(duì)其進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的嘗試。
由于我國(guó)在聚合物水泥基復(fù)合材料方面的研究起步比較晚，所以，至今還沒(méi)有出臺(tái)相關(guān)方面的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與測(cè)試方法。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為聚合物水泥基材料的增強(qiáng)機(jī)理主要是由于剔除了粗骨料，降低了細(xì)集料的粒徑，從而提高勻質(zhì)性，使集料所得集配曲線為非連續(xù)性的;另外聚合物在水泥漿內(nèi)部聚結(jié)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，起到了很好的阻裂增韌作用。近年來(lái)，人們逐漸開(kāi)始從微觀結(jié)構(gòu)方面對(duì)聚合物改性水泥基材料進(jìn)行研究，認(rèn)為聚合物顆粒的分散和聚合物薄膜的形成是聚合物水泥改性的主要原因。研究認(rèn)為聚合物從兩方面影響了改性水泥漿的結(jié)構(gòu): (1)混合后一部分聚合物粒子吸附在水泥顆粒表面，形成薄膜;(2)另一部分聚合物分散在孔中的液相中，當(dāng)自由水完全被水化和蒸發(fā)消耗掉后，聚合物在孔中形成薄膜[3]。此外，關(guān)于聚合物在改性水泥砂漿中的分布，目前還存在一些異議。 按照著名的Ohama[4] 模型，聚合物均勻分散在水相中，隨著水泥水化，水分減少，聚合物逐漸凝聚成膜，因而聚合物主要存在于改性砂漿的孔隙中。 Su[5] 等對(duì)新拌改性水泥漿水相成分的分析表明，在拌合開(kāi)始就有相當(dāng)多的聚合物被吸附在水泥顆粒表面，他們還發(fā)現(xiàn)，拌合初期被吸附在水泥顆粒表面的聚合物的量與聚合物乳液種類(lèi)和乳液摻量有關(guān)。 通過(guò)含氯聚合物改性砂漿的EDAX 分析表明，在聚合物改性砂漿中，水泥漿體與骨料之間的界面上聚合物的含量較高。 Ollit rault-Fichet 等的研究也說(shuō)明，聚合物顆粒最初會(huì)被水泥顆粒吸附，并最終被包埋在水化水泥的顆粒之中[6]。
在實(shí)際工程中，硅酸鹽水泥易在酸和酸鹽溶液中遭受侵蝕是因?yàn)椋?1)硅酸鹽水泥中含有大量的氫氧化鈣及高堿性的水化C-S-H 凝膠、水化鋁酸鈣等水化產(chǎn)物，酸溶液中的H+與Ca(OH)2發(fā)生中和反應(yīng)，使水泥石堿度急劇降低，進(jìn)而造成高堿性水化硅酸鈣和水化硫鋁酸鈣等水化產(chǎn)物分解，轉(zhuǎn)變成低堿性水化產(chǎn)物，最后變成無(wú)膠結(jié)能力的SiO2·nH2O 及Al(OH)3等;(2)硫酸鹽溶液中的硫酸根能和水泥石中的Ca(OH)2及水化鋁酸鈣等[7]發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成有膨脹性的石膏和鈣礬石晶體，當(dāng)這些結(jié)晶體在水泥石毛細(xì)孔隙中逐漸積累和長(zhǎng)大，產(chǎn)生孔內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力大于臨界破壞應(yīng)力時(shí)，造成水泥試樣破壞。由于水泥石本身也不密實(shí)，有很多毛細(xì)孔通道，使砂漿產(chǎn)生滲透性，使得水泥的使用性能下降。同時(shí)，侵蝕性介質(zhì)容易進(jìn)入其內(nèi)部，以致由其配制的砂漿易受到腐蝕，導(dǎo)致水泥材料的耐久性下降。普通水泥砂漿不飽滿、不密實(shí)，不能有效地形成具有防水抗?jié)B作用的整體不透水層。它也存在抗壓強(qiáng)度低、耐腐蝕能力不高等缺陷，其使用范圍也受到了很大的局限。
而聚合物改性水泥由于聚合物及活性成分的摻入，改善了聚合物水泥砂漿的物理、力學(xué)及耐久性能，擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍。對(duì)水泥性能的改善主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：
(1) 活性作用 聚合物乳液中有表面活性劑，能夠起減水作用。同時(shí)對(duì)水泥顆粒有分散作用，改善砂漿和易性，降低用水量，從而減少了水泥的毛細(xì)孔等有害孔，提高砂漿的密實(shí)度和抗?jié)B透能力。
(2) 橋鍵作用 聚合物分子中的活性基因與水泥水化中游離的Ca2+、Al3 + 、Fe2 + 等離子進(jìn)行交換， 形成特殊的橋鍵，在水泥顆粒周?chē)l(fā)生物理、化學(xué)吸附，成連續(xù)相，具有高度均一性，降低了整體的彈性模量，改善了水泥漿物理的組織結(jié)構(gòu)及內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，使得承受變形能力增加，產(chǎn)生微隙的可能性大大減少。即使產(chǎn)生微裂隙，由于聚合物的橋鍵作用，也可限制裂縫的發(fā)展。
(3) 充填作用 聚合物乳液迅速凝結(jié)，形成堅(jiān)韌、致密的薄膜，填充于水泥顆粒之間，與水泥水化產(chǎn)物形成連續(xù)相填充了孔隙，隔斷了與外界聯(lián)系的通道[8]。從而阻止了腐蝕性介質(zhì)進(jìn)入水泥石內(nèi)部，提高了抗腐蝕和抗?jié)B能力。
孫炎[9]曾研究冷混合瀝青混凝土，用于道路工程;聚合物改性砂漿用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的永久模板，結(jié)果證明它們都可以更好地防止氯離子滲透和更好地抗碳化作用，從而提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，摻加有硬瀝青的鋼橋面也具有更高的抗腐蝕性能[10]。鑒于此我們可以通過(guò)在水泥中摻雜瀝青和石臘，來(lái)改善水泥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并填充其內(nèi)部孔隙，從而提高水泥的抗蝕性，解決水泥抗蝕性較差的問(wèn)題。
2、選題的目的、意義：
在我國(guó)，尤其是西部地區(qū)的鹽堿地、鹽湖區(qū)以及地下水中普遍存在著硫酸鹽對(duì)水泥混凝土的侵蝕。在某些特種工業(yè)設(shè)施中，還存在有硫酸和硫酸鹽的混合腐蝕以及H2S、CO2腐蝕等。從一些實(shí)例中我們可以看出，破壞水泥混凝土的主要原因一般都不是機(jī)械應(yīng)力， 而是多種腐蝕或者是自身內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這就引起了人們對(duì)水泥混凝土的耐久性能的討論。因此，研究水泥的抗腐蝕性能不僅對(duì)建筑材料具有至關(guān)重要的作用，而且會(huì)對(duì)提高各種工程建筑的耐久性能有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和使用價(jià)值。關(guān)于聚合物對(duì)水泥砂漿改性的主要途徑是在其中加入能起到改性作用的聚合物。從前人的研究中可看到，聚合物水泥基復(fù)合材料都顯著高于普通混凝土的力學(xué)性能，比如抗折強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度等都得到了極大的提高。與普通硅酸鹽材料相比，聚合物水泥基復(fù)合材料有著自身的優(yōu)勢(shì)見(jiàn)表1。
表1 聚合物水泥基復(fù)合材料與普通混凝土的比較 性能
材料 普通混凝土 PCC
W/C 0.4~0.6 0.1~0.16
斷裂 1 50~60
沖擊 5 80
密度 3.1~3.2 2.5
抗拉強(qiáng)度 0.2~0.4 2~3
抗折強(qiáng)度 5~7 150~200
抗壓強(qiáng)度 40~50 200~300
此外，聚合物水泥基復(fù)合材料還具有良好的耐化學(xué)腐蝕、抗?jié)B性、低溫下的抗裂性等。這就使得聚合物改性水泥基復(fù)合材料在一定范圍內(nèi)部分取代了鋼鐵、高分子材料(像MDF 水泥基復(fù)合材料制作的唱片、輪胎都是具體的實(shí)例)[11]。它能提高水泥石的抗腐蝕能力主要是因?yàn)榫酆衔锏奶砑犹岣吡颂岣咚嗍拿軐?shí)度�；炷两Y(jié)構(gòu)正常情況下可以存在至少30年，但如果存在源于生物的硫酸腐蝕不過(guò)短短幾年就會(huì)被破壞掉[12]。修復(fù)或完全取代這種腐蝕結(jié)構(gòu)越來(lái)越有必要，但這種修復(fù)代價(jià)昂貴一直不能滿足社會(huì)。然而通過(guò)瀝青或石蠟對(duì)水泥進(jìn)行改性，可大大提高水泥的抗蝕性，這無(wú)疑會(huì)節(jié)約了資源，減少了不必要的浪費(fèi)，為社會(huì)積累更多的財(cái)富。
3、實(shí)施方案及主要研究手段：
3.1、實(shí)驗(yàn)方案
3.1.1、原材料的`準(zhǔn)備;
(1) 瀝青粉的研制
制得分別過(guò)200目和300目篩的瀝青粉，并適量添加礦物摻合料來(lái)減小瀝青粉的粒度。
(2) 石蠟粉的研制
通過(guò)在石蠟中添加礦物摻合料來(lái)粉磨石蠟，并制得摻有石蠟的粉末。
3.1.2、正交實(shí)驗(yàn)
(1) 因素水平表
因素 水平 用量(V%) 粒度(目) 溫度(℃)
1 2(0.2) 100 100
2 4(0.4) 200 120
3 6(0.6) 300 150
(2) 根據(jù)正交表L9(34)列出以下幾組實(shí)驗(yàn)：
序號(hào) 用量(V%) 粒度(目) 溫度(℃)
指標(biāo)
腐蝕前 抗壓強(qiáng)度
(MPa) 抗Na2SO4腐蝕強(qiáng)度 (MPa) 抗Na2CO3腐蝕強(qiáng)度(MPa)
1 2(0.2) 100 100 2
2(0.2)
200
120
6
3 2(0.2) 300 150 4 4(0.4) 100 120 5 4(0.4) 200 150 6 4(0.4) 300 100 7 6(0.6) 100 150 8 6(0.6) 200 100 9
6(0.6)
300
120
注：括號(hào)內(nèi)為石蠟的用量
3.1.3、以硅酸鹽水泥為基體，按以上正交方案分別摻加瀝青、石蠟成型,每種高聚物與水泥的復(fù)合分別作空白樣，3天強(qiáng)度測(cè)試樣，腐蝕樣。分別測(cè)定抗壓強(qiáng)度，抗硫酸鹽及碳酸鹽侵蝕的能力。
3.1.4、在把水泥塊放入腐蝕液中前和從腐蝕液中取出，分別稱(chēng)取其質(zhì)量，查看其質(zhì)量損失。
3.1.5、每一個(gè)過(guò)程留樣分別作物相分析和微觀分析，進(jìn)行腐蝕機(jī)理分析。
3.1.6、通過(guò)各組實(shí)驗(yàn)試樣的對(duì)比，確定聚合物在水泥中的最優(yōu)抗蝕配比。
3.2、研究手段
(1)用掃描電鏡觀察瀝青、石蠟改性水泥的微觀形貌，以及硫酸鹽、碳酸鹽腐蝕后的微觀形貌。
(2)用X射線衍射儀分析瀝青、石蠟改性水泥的物相組成。
(3)用壓汞儀測(cè)試水泥試樣的孔結(jié)構(gòu);
(4)利用粒度分析儀測(cè)試各添加物的粒徑。
4、選題的創(chuàng)新之處：
目前已有許多聚合物乳液(如苯丙乳液、純丙乳液、乙丙乳液等) 用于水泥砂漿的改性，而采用瀝青和石臘這兩種聚合物對(duì)水泥砂漿進(jìn)行改性的研究卻相對(duì)較少。實(shí)驗(yàn)利用瀝青和石臘高分子的熔脹性，在水泥水化過(guò)程中，瀝青和石臘受外界刺激產(chǎn)生一定的熔脹從而填充水泥石的內(nèi)部孔隙，提高水泥的密實(shí)度，達(dá)到提高水泥抗蝕性的目的。
5、預(yù)期研究成果：
瀝青、石蠟與水泥混合成型后，一部分瀝青、石蠟顆粒填充在水泥孔隙里，另一部分瀝青、石蠟顆粒在一定外界條件影響下分散在孔中的液相中，當(dāng)自由水完全被水化和蒸發(fā)消耗掉后形成膜。這兩方面共同作用大大提高了水泥的密實(shí)度并阻止了腐蝕液與水泥漿體的接觸，從而使水泥的抗蝕性能得到改善。
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