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聚合物硫铝酸盐水泥防腐、抗渗性能的研究

李云超  
【摘要】: 本文主要研究了苯丙乳液对硫铝酸盐水泥防腐、抗渗等性能的影响。以苯乙烯和丙烯酸丁酯为主要原料,采用预乳化和半连续工艺合成了苯乙烯-丙烯酸丁酯共聚乳液,简称苯丙乳液。通过调节引发剂的用量、乳化剂的用量和苯乙烯与丙烯酸丁酯的比例,制得不同配比的苯丙乳液,并对其进行了单体转化率、固含量、乳胶粒粒径尺寸及分布、稳定性、粘度和最低成膜温度等性能的研究,确定了合成苯丙乳液的各种组分的最佳组成和合成条件。将合成的各种苯丙乳液掺入到硫铝酸盐水泥中,对聚合物硫酸盐水泥进行力学性能、抗渗性和抗硫酸盐侵蚀等性能测试。并结合XRD、SEM-EDS、红外分析和孔结构分析等组成和结构分析方法,研究了苯丙乳液对硫铝酸盐水泥的改性机理。 研究结果表明,当引发剂用量为单体总量的5‰、乳化剂用量为单体总量的3.0%、苯乙烯和丙烯酸丁酯的比例为1.5:1时,合成的苯丙乳液的凝聚物较少,固含量较高、单体转化率较高、粘度较大、平均粒径较大、最低成膜温度较低,苯丙乳液的性能最佳。 掺入苯丙乳液使硫铝酸盐水泥的力学性能下降,但可以作为非承重型的水泥基材料,如桥梁的表面修复层。当引发剂用量为单体总量的5‰、乳化剂用量为单体总量的3.0%、苯乙烯和丙烯酸丁酯的比例为1.5:1,且聚灰比(P/C)为7.5%时,聚合物硫铝酸盐水泥砂浆的抗压、抗折强度相对较高,分别能够达到4.9MPa和28.0 MPa。 掺入苯丙乳液明显地改善了硫铝酸盐水泥的耐久性。苯丙乳液的掺入使硬化水泥浆体的渗透高度减小,浸泡在硫酸钠溶液中的小试体的抗折强度增大。当引发剂用量为单体总量的5‰、乳化剂用量为单体总量的3.0%、苯乙烯和丙烯酸丁酯的比例为1.5:1,且聚灰比(P/C)为7.5%时,聚合物水泥砂浆的抗渗性及抗硫酸盐侵蚀性较好。当乳化剂的用量过多时,引气量就会增加,使聚合物水泥硬化浆体的孔隙增多,抗渗性和抗硫酸盐侵蚀性下降。这是因为苯乙烯含量的增加使得聚合物膜的硬度变大,最低成膜温度升高,当苯乙烯和丙烯酸丁酯的比例大于1.5:1时,最低成膜温度(MFT)均大于32℃,在室温下成型时,聚合物的成膜性不能得到充分的发挥,没有与水泥水化产物充分形成彼此交联的空间网络,降低了聚合物水泥的性能。 材料的宏观行为机制由其微观结构决定,普通硫铝酸盐水泥砂浆和苯丙乳液改性硫铝酸盐水泥砂浆的宏观性能有许多不同,源于其微观结构的差异。孔结构试验结果表明,苯丙乳液的加入使硫铝酸盐水泥硬化浆体的有害孔比例减少,无害孔的比例增加,孔隙率降低,改善了聚合物硫铝酸盐水泥硬化浆体的内部结构,提高了硬化水泥浆体的密实度。SEM试验分析进一步表明,苯丙乳液对水泥浆体孔隙的改善作用,使硬化水泥浆体的结构更加密实。另外,还可以看到许多膜状物越过孔隙,起到架桥和填充作用,使孔隙尺寸变小,聚合物的相互交错形成了网状结构。红外光谱分析表明,聚合物分子中的某些活性基团与水泥水化产物发生化学作用,形成了新的物质,在红外谱图上表现为聚合物改性水泥较普通硫铝酸盐水泥相比出现了不同的峰,苯丙乳液中含有羧基或酯基,酯基在水泥+水体系的碱性条件下可能发生水解反应,生成羧基。羧酸根离子与水泥水化产生的钙离子之间可以产生离子键,不同聚合物分子链可以通过离子产生交联。XRD试验结果表明,水泥硬化浆体的主要水化产物是钙矾石、铝胶、铁胶等,在掺加聚合物的硬化水泥浆体中水化初期钙矾石的量减少,说明苯丙乳液的加入延缓了水泥浆体的水化。


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