同济大学硕士开题报告

专业型硕士研究生学位论文选题报告及工作计划课题名称丁苯乳液/硫铝酸盐水泥复合胶凝材料在不同温湿度条件下的早期性能学号0000000研究生诸葛亮专业材料学所在院系材料科学与工程导师刘备副导师选题时间2015年9月29日同济大学研究生院2015年10月29日TONGJIUNIVERSITY11．研究问题1）在预研究的基础上提出应用研究（设计）中的科学问题2）课题来源、选题依据和背景情况3）课题的研究目标以及理论意义和实际应用价值科学问题：聚合物水泥砂浆的研究和应用已有八十多年的历史，聚合物水泥砂浆具有良好的工作性、抗渗性、较小的弹性模量和较好的塑性，其抗弯强度和粘结强度有也有明显的提高。硫铝酸盐水泥因具有早强、高强、抗硫酸盐腐蚀、抗海水腐蚀等特点，最近几年，聚合物硫铝酸盐水泥砂浆的应用研究也越来越多，为了更好的实现聚合物和硫铝酸盐水泥的性能互补及优势叠加，人们愈来愈关注聚合物/硫铝酸盐水泥混合后的性能，但至今仍有很多瓶颈亟需突破，所以聚合物/硫铝酸盐水泥还有待更进一步的研究，例如，常温下具有快凝快硬性能的混合体系在低温高湿、高温低湿、低温低湿等条件下性能如何？因此本课题主要工作是进行丁苯乳液/硫铝酸盐水泥复合胶凝材料在不同温湿度条件下的早期性能的研究，其要解决的科学问题是丁苯乳液/硫铝酸盐水泥复合胶凝材料在不同温湿度条件下的早期物理力学性能的演变规律，使其更好地服务于建筑工程。课题来源：国家自然科学基金面上项目（51572196）选题依据和背景情况：水泥是世界上用量最大的人造建材之一，大量应用于工业与民用建筑、交通、城市建设、农林及海港工程等。21世纪水泥工业仍占有重要的基础地位，水泥材料仍然是重要的建筑材料之一。在我国，改革开放以来水泥行业得到快速发展，水泥年产量已由1978年的6524万吨发展至2014年的24.76亿吨，占到全球总产量59.23%[1]，成为世界水泥生产大国。然而，一方面，随着高速公路、超高层建筑、跨海大桥等特殊环境下大型工程应用的出现，人们在强度、施工性能和耐久性等方面对水泥混凝土提出了更高的要求，水泥作为其重要组成原料，对混凝土各方面性能表现起着至关重要的作用；另一方面，水泥的生产过程伴随着不可再生资源、能源的大量消耗以及严重的环境污染问题，所以进一步提高水泥性能，走可持续发展的道路是水泥工业发展的方向和目标。如表1所示为硅酸盐水泥中主要熟料矿物相的能耗及CO2排放量。传统硅酸盐水泥早期强度偏低；烧成温度高，导致能源消耗高；水泥熟料中阿利特(C3S)含量高，消耗了大量高品质石灰石资源；生产过程中产生大量的CO2等废气，环境污染日趋严重；水泥水化后期，由于硬化水泥浆体体积收缩而造成收缩裂纹，影响水泥混凝土的体积稳定性与耐久性[2]。此外，硅酸盐水泥主要熟料矿物为C3S和C2S，烧成温度在1450℃左右，从表1可以看出，其能耗和CO2排放量均较高，环境污染严重。因此，迫切需要能够替代普通硅酸水泥的“绿色”胶凝材料[3.4]。表1熟料矿物相烧成所需能耗及CO2排放量水泥组成生成焓(kJ/kg水泥熟料)二氧化碳释放量(kg/kg水泥熟料)C3S1848.10.578β-C2S1336.80.511CA1030.20.278C4A3S-8000.216硫铝酸盐水泥是中国建材研究院70年代研制的新品种水泥，自1974年投入工业化生产以2来，已有40年的历史[5]。自问世以来，硫铝酸盐水泥已成功应用于特种水泥混凝土构件、玻璃纤维增强水泥（GRC）制品，以及冬季、快速、修补、地下和海洋工程等特殊施工环境。通过长期的研究和使用，对硫铝酸盐水泥水化和各项性能的了解不断深入，其应用领域也不断扩大。近年来，随着水泥基材料绿色化、功能化需求发展，又通过在硫铝酸盐水泥中掺入矿物掺合料和不同聚合物进一步达到节能环保和改善水泥基材料性能的目的，从而生产出适应不同环境要求的特种混凝土或特种砂浆[6]。但是，硫铝酸盐水泥的主要水化产物是AFt晶体，约占水化相的65%，而该晶体是一种高温不稳定相[7]，P.K.Mehta[8]曾指出，在干燥环境中加热时，钙矾石在65℃时是稳定的，但到93℃就部分分解，当钙矾石中的-OH水消失后，就转变为无定形物质，并且其后期强度存在增长不明显甚至出现倒缩现象。由此，引发了有关硫铝酸盐水泥温度稳定性的许多争议，也使其大规模工程应用受到限制。随着高分子材料科学的发展和对材料结构与性能关系的深入认识，越来越多的聚合物被应用于其它各行各业，促进了其它行业的发展。经过大量的试验研究发现[9]，在普通水泥砂浆中加入聚合物可以大大提高水泥砂浆的性能，而且聚合物可以长期地发挥作用。通过聚合物改性过的水泥砂浆称为聚合物改性砂浆。聚合物改性砂浆的概念已经不是新概念了，早在1923年就有使用天然橡胶乳胶制造铺路材料的专利的报告[10]，到今天为止，已经有80多年的历史。从70年代开始[11]，聚合物砂浆复合材料在工业国的建筑、电气、机械和化学等工业领域中获得了广泛而有效的应用。在日本，新型高性能聚合物砂浆复合材料也已经有40多年的开发应用历史。在日本和美国，聚合物改性砂浆和树脂砂浆已经获得了广泛的应用。近20年以来，世界各国的科技文献中出现大量专题性的研究报告，进一步促进了水泥中聚合物的应用和发展。普通的水泥砂浆是非匀质、多相无机脆性材料,骨料之间的结构结合力低，水泥在硬化过程中内部会产生许多空腔，这些空腔易注入水。随着硬化过程的完成、水分的消失,在水泥固结体内,这些空腔呈毛细管状，在应力集中时产生微裂纹，在外力作用下结构容易被破坏。利用聚合物对水泥砂浆进行改性使之在保持水泥原有的无机材料抗压强度、抗折强度、耐老化的优点时，增加了有机材料粘结力大、变形性好、密封性强的特点，从而使水泥砂浆的粘结力和抗渗力都有了较大的提高。但是由于各种聚合物对水泥砂浆的改性程度不同，即各种水泥基聚合物复合材料自身的技术水平有显著的差异，以及聚合物对水泥砂浆的改性机理的不同，因此有必要对聚合物砂浆进行研究。当下，硅酸盐水泥是作为聚合物水泥砂浆的主体胶凝材料，然而聚合物/硫铝酸盐水泥砂浆还有待更进一步的研究，尤其是在不同环境条件下的聚合物/硫铝酸盐水泥砂浆。因此本课题主要工作是进行丁苯乳液/硫铝酸盐水泥复合胶凝材料在不同温湿度条件下的早期物理力学性能的研究。研究目标：基于本课题的主要研究内容，研究目标在于探明丁苯乳液/硫铝酸盐水泥复合胶凝材料在不同温湿度条件下的早期物理力学性能的演变规律。理论意义和实际应用价值：聚合物乳液的掺入使砂浆在不利的养护条件下亦能获得较好的内部孔结构和较高的力学强度，这表明改性砂浆比普通砂浆更适合于条件复杂的现场施工；能有效地提高改性砂浆的黏结抗折强度，提高幅度为20%～50%；具有细化水泥砂浆孔隙的作用，主要改变10～1000nm范围内的孔结构，表现为减少毛细孔数量，增加过渡孔数量。因为水泥的生产过程伴随着不可再生资源、能源的大量消耗以及严重的环境污染问题，所以为了节约资源，保护环境，硫铝酸盐水泥的使用范围越来越广泛，聚合物硫铝酸盐水泥的也显示出了很多优异的性能，比如聚合物硫铝酸盐水泥的微膨胀性能，使其砂浆的干缩性能优于聚合物硅酸盐水泥砂浆，抗渗性能、抗硫酸盐侵蚀性等等都优于普通的聚合物砂浆。钙矾石在硅酸盐系列水泥中是重要的水化产物，而在硫铝酸盐系列水泥中则是主要的水化3产物，因此钙矾石的形成对硫铝酸盐水泥的水化硬化过程、对水泥浆体结构的形成均具有很大影响，对水泥的凝结特性及强度发展起了很重要的作用。硫铝酸盐水泥浆体中钙矾石的析晶状况导致该水泥凝结较快。钙矾石晶体通过溶解－沉淀机理从浆体液相中析出。钙矾石析晶的过饱和度ΔC小，成核速率小，容易长成大晶体。而且，浆体的液相条件使钙矾石可在远离水泥颗粒表面的液相中形成，生成的钙矾石具有高度的不等度性，使钙矾石晶体之间易于相互搭接形成触变结构，随着水化的不断进行，触变结构得以加固，最终导致水泥浆体凝结。硫铝酸盐水泥早期强度高，水化三天时硫铝酸盐水泥的抗压强度，已接近于硅酸盐水泥的28天抗压强度。硫铝酸盐水泥在水化初期3天内的强度增进率很高，3天龄期以后，强度发展迅速减慢，28天强度基本与硅酸盐水泥的28天强度持平。早强硫铝酸盐水泥的3天强度不但远高于矿渣硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥，而且几乎是快硬硅酸盐水泥强度的2倍左右。硫铝酸盐水泥早期水化速度快，因而水化热比较集中，几乎90%左右的水化热都集中在1~3天龄期内。不品种的硫铝酸盐水泥具有不同的特点，因而有不同的用途，如快硬硫铝酸盐水泥曾用于建造南极长城考察站，经受了负50℃的考验。硫铝酸盐水泥的快硬快凝是其相比与其它品种水泥的一个巨大的优点，但同时也是它在工程施工方面的一个很明显的缺陷，其快速的凝结时间给施工带来了一定的困难，所以如何控制好其凝结时间及由于钙矾石引起的膨胀，已经成了一个亟待解决的工程问题。多数研究表明［12］，丁苯乳液具有较好的减水及填充效应，在水泥砂浆中加入适量丁苯乳液后，能有效改善其内部结构，提高集料间的粘结力，不仅能达到快修效果，还能提高其对抗外部侵蚀、破坏的能力。而聚合物乳液还具有引气效果，并且在水化初始包裹硫铝酸盐水泥熟料颗粒，延迟钙矾石的生成，调节凝结时间。丁苯乳液用于水泥砂浆的改性具有四大特点：1）附着力强，可有效提高改性砂浆与各种基材(水泥基，金属等)的粘接强度；2）长期耐水性强，可有效提高水泥砂浆的抗渗性；3）耐磨性好；4）耐化学腐蚀性好；5）具有良好的水泥配伍性，合适的粒径分布、粘度、玻璃化温度，配方稚定性好。由于施工条件千差万别，温湿度条件不能控制，所以不同温湿度的变化会对聚合物硫铝酸盐砂浆造成一定的影响吗？本课题的理论意义和应用价值在于通过探明丁苯乳液/硫铝酸盐水泥复合胶凝材料在不同温湿度作用下物理力学性能的演变规律，为聚合物水泥砂浆更好应用于各种建筑工程提供理论依据和参考。2．文献综述（文献综述不得少于2000字）1）国内外在该研究方向的研究现状及发展动态2）研究问题在本研究领域应用上的地位与价值水泥砂浆被称为没有粗集料的混凝土，广泛应用于防水工程和修补工程。影响改性水泥砂浆性能的因素很多，其中水泥品种是一个很重要的因素。与硅酸盐水泥相比，硫铝酸盐水泥的组成属于另一物理化学系统，以3CaO·3Al2O3·CaSO4矿物为主。该水泥具有早强、高强、抗冻、抗渗、耐腐蚀和低碱度等优良特性，具有广阔的发展与应用前景[13]。又由于添加外加组分不但可以改善砂浆的施工性能，赋予砂浆基体良好的力学性能，而且生成的水化产物，使结构变得致密。近年来，利用高分子聚合物材料，来代替水泥混凝土（砂浆）材料中的一部分胶结材料，制成聚合物改性混凝土（砂浆），是提高水泥基材料抗拉强度和韧性的一个重要途径[14-15]。由于各种高分子聚合物有各自的特性，所以对水泥砂浆的改性效果也各不相同。常用的聚4合物胶乳有丁苯乳液、苯丙乳液、丙烯酸酯胶乳、氯丁胶乳和EVA乳液等[16]。聚合物乳液改性水泥基材料的研发和应用早已开始[17]，较晚问世的可再分散乳胶粉[18]虽然在包装、贮存、运输及现场施工等方面更为便利。丁苯乳液是由丁二烯与苯乙烯乳液共聚而得，简称SBR。相对密度0.9～1.05。结合苯乙烯量为23%～85%，大量生产的丁苯乳液结合苯乙烯量在23%～25%，而高苯乙烯乳液(SBR-HSL)结合苯乙烯量则高达80%～85%。一般方法制得的丁苯乳液总固含量为40%～50%，而高固乳液总固含量则在63%～69%。聚合物具有较好的减水效应，加入后能降低其用水量，从而有效提高硬化砂浆的密实度。1.硫铝酸盐水泥砂浆的研究现状硫铝酸盐水泥主要以C4A3S和C2S为主要熟料矿物，并根据粉磨时掺入石膏和石灰石混合材数量的不同，分为快硬、膨胀、自应力、高强和低碱度等5个品种。与硅酸盐水泥相比，硫铝酸盐水泥不但烧成温度低、能耗小、污染轻，而且具有水化热集中、快硬早强、高强、膨胀、耐蚀、抗渗、抗冻融以及液相碱度低等优良性能[19]。除了天然原料，硫铝酸盐水泥在烧制和使用过程中还可以充分利用各种工业副产品及废弃物，如粉煤灰、高炉矿渣