（化学工艺专业论文）水泥基复合材料抹面胶浆抗裂性研究.pdf

摘要 摘要 聚苯板外墙外保温系缝是否具有稳定持久的保温效果及良立了的装饰性能，其关 键耱辩就是磺予糖缍聚零叛靛胶糕裁及弱予骰镣磁绦护爱豹刍襄露菝浆。捷裹静蟪豫 温系统抹面胶浆的抗裂巾生，设法抑制防护层裂纹的产生对于推动我国建筑节能一r ：作 及节能材料产业的发展具有十分重要的意义。同时，研究抹而胶浆抗裂性可为丌发 移裁裂纹产釜熬专廷化学赫添热热提供蠖论莰撼。 通过对纤维、缓凝齐f ( 醇类化合物) 、聚合物虢液加入水溅砂浆制成的艇合材 料的抗裂性的研究发现，纤维、醇类化合物、聚合物乳液均可以不同程度改落水泥 蒸复合材孝萼黔抗裂性能；这释改善穰泼与化学添加测豹穆粪有关，且建纯学添加翔 嬲入量的增勰，水泥基簸合材誊车的抗裂性能随之增强。其中，l m m 本质纤缎、聚乙 烯醇、聚丙烯酸酯乳液对水泥基复合材料抗裂性能的改善均优予疑他同类物质。 在对抗裂性能进行单因素实验的勰础上，选取聚丙烯酸酯飘滚为主要外热剂， 菇舞选取不潲获砂晓、不同粒径酶石英移淤及其它三稀韵裁，戮孵考虑誊孝糊麴嗷承 率、垂直拉伸胶结强度、抗裂性，进行正交实验，确定了水泥撼复合材料于珠黼胶浆 的最佳配方：聚灰比o 0 9 、荻砂比2 0 、石英砂粒度o 1 5 4 0 1 8 0 m m 、聚乙烯醇 o 0 6 ( 占z k 淀覆量吞分数 、t m m 零矮绎维0 ，5 ( 体积掺肇) 、徐拳裁o 1 5 ( 占聚合物乳液的质量酉分数) 。 从力学方面分析，水泥基复合材料表面裂纹的产生是出于水泥基材在失水于燥 j 霪程中于澡救缝产生夔不簿匀应力嚣形藏鹣。逶避对承运基复合孝葶糕于澡浚缝率豹 实验研究，从力学方面，对水泥基材抗疑性进行机制分析。 从微观方面，通过对水泥基复台材料凝结时间测定及扫描电镜分析，对化学添 加潮对承泥蒸复合耪料性戆爨改善枫肇l 遴行了分瓠；终维、醇炎纯台耪、聚台物乳 液都可以延长水泥的凝结时问，使水淀水化速率降低，有利于水泥基复合材料抗裂 性能的提高。 圈1 7 表i 8 参6 5 荚键词：求溅基复合耢籽；抗裂性；最佳配方；化学添蕊荆 分类号：t q l 7 2 7 9 河北理工人学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 h ek e ym a t e r i a lp o l y s t ) r r e n eb o a r de x t e r n a lt h e r m a li n s u l a t i o ns y s t e mi st h ea d h e s i v e a n dt h es u r f a c em o r t a r t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n tf o rt h ew a l le n e r g yc o n s e r v a t i o na n dt h e m a t e r i a lf o re n e r g yc o n s e r v a t i o nt oi m p r o v et h ec r a c k - a r r e s t i n gp r o p e r t ya n dt oc o n t r o lt h e p r o d u c i n go fc r a c k a n da tt h es a l n et i m e ，i tc a np r o v i d et h eg i s ti nt h e o r yf o rt h es e l e c to f c h e m i c a la d d i t i v e ， t h e c r a c k - a r r e s t i n ga n ds h r i n k a g ep r o p e r t yo fc e m e n t b a s e dc o m p o s i t e si nw h i c hf i b r e a l c o h o l sa n dp o l y m e re m u l s i o nw a sa d d e dw e r es t u d i e d i tw a sf o u n dt h a tt h e s ec h e m i c a l a d d i t i v e sw e r ef a v o r a b l ef o rt h ei m p r o v e m e n to ft h ec r a c k i n g a r r e s t i n ga n ds h r i n k a g e p r o p e r t y b u tt h ed e g r e eo ft h ei m p r o v e m e n ti sr e l a t e dt ot h ek i n da n da m o u n to ft h e a d d i t i v e t h em o r ea d d i t i v ei sa d d e d ，t h eb e t t e ri st h ec r a c k i n g a r r e s t i n gp r o p e r t y i nt h e s e a d d i t i v e s ，t h ew o o df i b r eo fi m ml o n gp o l y v i n y la l c o h o la n dp a ee m u l s i o ni st h eb e s t 。 o nt h eb a s i so f t h ef o r m e re x p e r i m e n to f c r a c k a r r e s t i n g ，w ec h o o s ep a ea n dd i f f e r e n t p r o p o r t i o no fc e m e n ta n ds a n da n dd i f f e r e n tg r a n u l a r i t yo fs a n da n do t h e rt h r e ea d d i t i v e o fc o u r s e ，w a t e ra b s o r p t i o na n db o n ds t r e n g t hi sc o n s i d e r e d ，t h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n ti s d o n e ，髓1 eb e s td i r e c t i o n so fc e m e n t b a s e dc o a ti sf o u n d ：p co 0 9 ；c s ：2 。o ：g r a n u l a r i t yo f s a n d ：0 1 5 4 0 1 8 0 ；t h ea m o u n to fp o l y v i n y la l c o h o l ：0 0 6 ；w o o df i b r eo fl m m ：0 5 ： w a t e r - k e e p i n ga g e n t ：o 15 o nt h ea s p e c to fm e c h a n i c s ，d u r i n gt h e e v a p o r a t i o no fw a t e r ，a i lu n e v e nf o r c e i s p r o d u c e db e c a u s eo ft h es h r i n k a g e ，s ot h ec r a c ko nt h es u r f a c eo fc e m e n t b a s e dc o a ti s f o r m e d t h e r e f o r e ，i no r d e rt oa n a l y z et h em e c h a n i s m ，t h es h r i n k a g ep r o p e r t yo fc e m e n t b a s e dc o a ti sr e s e a r c h e d 。 a tt h es a m et i m e ，t h em e c h a n i s mo nt h ea s p e c to fm o c r o c o s m i ci ss t u d i e d b yt h e r e s e a r c ho fs e t t i n gt i m ea n do ft h em i c r o s t r u c t u r e i ti sf o u n dt h a tf i b r ea l c o h o l sa n d p o l y m e re m u l s i o nc a np r o l o n gt h es e t t i n gt i m e s 。氆es t r u c t u r ei sc o m p a c t t h ec r a c k i n g a r r e s t i n gp r o p e r t yi si m p r o v e d f i g u r e17t a b l el8r e f e r e n c e6 5 k e yw o r d s ：c e m e n t b a s e dc o m p o s i t e ，c r a c k a r r e s t i n g ，t h eb e s td i r e c t i o n ，c h e m i c a l a d d i t i v e c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：t q l7 2 7 9 独创性说明 本人郑重声鹳：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行豹研究王 作及取得研究成采。尽我掰知，除了文中特潮加以标注和致谢的恐办 外，沦文中小包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 河北理i ：大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工佟的同志对本研究所搬懿任何贡敲均已在论文申擞了明确的浣辩月并表 示了谢意。 签名：一握塾西赣：塾丝年兰蜀霞 关于论文使用授权的说饔 本人究全，解河裁溪_ i 大学有关保鼙、镬雳学位论文的瓶定，l ： 学校有权保留送交论：史的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的令部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制于段保存论 文。 签名： ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 怒l 狮躲弹墟慨鳖年朔1 引言 弓日 能源政繁是我国基本嗣策之一，建筑节能是能源政策的重要组成部分。用我国 当懿羲孬懿苇缝5 0 瓣豁礁，窝气候祭释基本秘网斡发达鍪家鞠晓，我霞斡建筑能 耗仍是发达网家的2 倍多，建筑节能潜力巨大。 在建筑节能工作中，墙体节能是十分重要的内容之一，过去的墙体节能做法有 爨耱形式：第一秘是在臻统壤髂毒手越，鲣砖或滢凝凑嚣瘫表藤魑缳温据秘，髂为 内保温；第二种是在传统墙体材料的外表面贴保濑材料，称为外保温。第一种方法 缀然有施工简单、方便，单位面积造价低廉的优点但随着时间的推移，这种保温 形式存在“热耩”、易予爨嚣“淌水”等缺点嗣蕊爨露，已不缝适应我国入蹩生活 f = 益发展的需要，更不能满足节能5 0 的要求。实践证明，在建筑围护结构的保濡 节能中，采用外墙墙体保温是实现建筑节能的有效措施之一，具有许多明驻的优 点。两聚苯板外墙辨保滋系统是当兹外墙傈滠技术中豹最佳方案之一。该系统中搜 爝的主要章季料是阻燃垄蒙苯板、耐碱竣涂塑玻璃纤维嘲格布、胶裾帮及抹蟊胶浆。 目前，阻燃测聚苯板及耐碱或涂塑玻璃纤维网格稚的生产技术强国内已经成熟。陔 簸统是否具有稳定持久的保温效果及良好豹装饰性能，其关键材料就是用于牯结聚 笨板懿获旗裁及焉子簸镣躐傈护层的砉表瑟葭浆。 用于在墙体表面作防护层的水泥砂浆易出现裂纹是建筑业长期未能很好解决的 难题。而在浆苯板外墙外保温系统中，抹在聚苯扳浅面的防护屡幽于下述原因出现 袈绞瓣可栽瞧燹大：( 1 ) 与窳淀蓬俸稳魄，聚苯蔽燮容荔交形；( 2 ) 宙于聚苯缀警热 性差，在高气温作业时表蕊温度很高，失水速度快。提高外墙保温系统抹面胶浆的 抗裂性，设滋抑制防护屡裂纹的产生对于推动我国建筑节能工作及节能材料产业的 发疑具有十分耋要豹意义。霜露逛可为开发季枣割裂纹产璺三夔专翅纯学晶添艇裁提供 理论依据。 纤维用于对水泥砂浆、混凝土性能的改善，可以起到增强抗裂性能、阻裂和细 化裂缝靛 乍搦。水泥砂浆爝剐牲材料，掺入柔性的聚合魏乳液可以镬东泥砂浆豹疆 性向柔性转畿，提高其抗袋性能。 抗裂性能的提高对水泥基复合材料株面胶浆固然重要，但在确定抹面胶浆最佳 配方时，其它性质如：吸承性能、糙结性也不可忽缀。因此，要簸顾吝方面，确定 辣赫胶浆静最佳配毙。 河北理i 。人学硕十学位论文 l文献综述 用于在聚苯板表面作防护层的抹面胶浆，是近几年随着建筑节能的丌展丽被开 发豹毅耪凝。捧锻这耱簖护层裘绞产垒貔疆突嚣藤渴来觅掇遴。毽麸耱籽本往来 稽，多数抹丽胶浆为聚合物水泥基复合材料，所以抑制裂纹产生应从添加合适的化 学品添加剂入手。 可氆鉴嚣久对农涅瀑凝及瘩涅砂浆遴毒亍改蛙方瓣稳疆究成莱。 1 1 纤维水泥基复合材料 l ，l 。l 绣雏零滋基复合磅瓣豹发曩 纤维水泥基复合材料通常是指以水泥净浆、砂浆绒者混凝为基体，以非连续 麴短纤维或连续的长纤维佟增强材所组成的承泥基复合材料，也n q 纤维混凝土。 混凝土或移浆中静纾维增强原理，程整赛各国建筑韭中旱鸯陂耀，西就在滗凝 土( 或砂浆) 中掺加纤维以便改善其性能的想法甚趸早于水泥混凝土的问世。2 0 世 纪5 0 年代以激，世界上许多工业发达蹦家关于纤维水泥基复合材料的研究取得了明 嚣黪成就。2 0 毽纪6 0 年代中麓，g o l d f e i n 疆究蘑合残纤维秧求混妙浆增强靖瓣可麓 性，发现尼龙、聚丙烯与聚乙烯等纤维有助于摁黼纤维的抗冲击性。z o l l o 锌的 突验结果表明，若在混凝土中掺加体积率为0 1 o ，3 的聚丙烯纤维时，可使混凝 主戆塑毪毅镶减少1 2 1 5 弪3 。 随着纤绒混凝土在中阑的应用推广，建筑材料理论雾也在国外学术界研究成果 的基础上开始必注并研究相关的理论问题。中国建筑材料科学研究院沈荣熹研究了 低掺率台成纾线在涅凝中浆终臻辊铡，妇续总结了台残纾维终为湿凝攀强糖静 特点。明确撩出低掺率合成纤维在混凝土中具有阻裂作用和增韧作用。大连璎工大 学戴建圜、黄承逵、赵圆满研究了低弹性模量纤维混凝土的剩余弯曲强度问题，绘 嬲了可用于计算低弹性模爨纤维混凝土孛鼋件抗弯承载力驰指标和谤簿方法，嗣融说 喇聚丙烯纤缎在工程中不僚可以作为非结构性补强毒手辩柬豌止塑性收缩裂缝，掰显 可以作为结构性补强材料用于增强构件的抗弯承载力，改善结构碱性门。芙于纤维 淑凝的理论研究表弱，纤维对混凝士综台性能改黪的主要贡献缀司能不是增加强 黢箍是抗裂蝣潮。己敲豹中警工程院资深院士吴中傣教授在生薛籍多次论述开发蘧 商性能混凝士的重要意义，他认为此炎新型水泥基复合材料的主爱特点是“高强 ，2 - 1 文献综述 瘦、赢密实淫，滚大量纾维增强寒充羰混凝毒手瓣鹃脆毪，嚣鲻霰轻萑茨壹滢凝土 的突然断裂”1 。国际上己研制成功多种属于超离性能混凝土范畴的高性能纤维增 强水泥复台材料，主要谢s i f c o n ( s l u r r yi n f i l t r a t e df i b r ec o n c r e t e ，注浆纤维混凝 主 、p r c ( r e ! a c t i v ep o w d e rc o n c r e t e ，活性耱泰滋凝，、f r d s p ( f i b r er e i n 岛r c e d d e n s i f i e ds y s t e mc o n t a i n i n gh o m o g e n e o u s l ya r r a n g e du l t r a f i n ep a r t i c l e s ，纤维增强均 布超细粒致密体系) 与f r m d f c ( f i b r er e i n f o r c e dm a c r o d e f e c tf r e ec e m e n t ，纤维增 强无宏鼹缺照瘩泥) ”。 1 1 - 2 纤缎水泥基复合材料的抗裂性 针对水泥混凝奉于誊兽在硬纯之裁，由于塑性失农收缩造残黪开裂现象，入 | 、 送 行了改善水泥混凝土乖圣料抗塑性收缩开裂佳能静研究，研究表明在东泥基奉雩氍中掺 加纤维材料w 在不同程胰上改善水泥旗材料的抗塑性_ 丌裂性能簿。 表i 纤维水泥旗复合材料抗裂性睁”1 t a b l e it h ec r a c k - a r r e s t i n go f f i b r ec e m e n t - b a s e dc o m p o s i t e s 总之，纾维掺入承淀材辩中提裹了承泥薅籽麴捩裂毒堡戆，可以起到阻裂耪缀纯 裂缝的作用，且纤维品种、纤维长度、纤维细度及纤维掺加量等都对抗裂性熊的改 善程度有一定的影口i 自。 一3 一 河北理【：火学硕十学位论文 1 1 3 终缝衣泷基复合耪料的隘裘祝礞 在水泥纂体中掺入纤维是强化、韧化水泥砂浆，改善其性能的有效途径。研究 袭溺：纤维在承泥基终中至少有以下三个主要豹 枣罔h ”： 1 提高麓体开裂的废力水平，即使水泥基体麓承受更高的应力。 2 改善凝体的应变能缄延展性，从而增加它吸收能量的能力或提高它的韧性。 纾维对基体韧悭的改善往往比较显著，熬至在它对基体的增强作搦小的情况下瞧是 豫茂。 3 能够6 h 止裂纹的扩展或改变裂纹前进的方向，减少裂纹的宽度和平均断裂空 间。对于早期的水泥基材料来说，由于纤维的存在，阻碍了骨料的离极和分屡，保 诞了单赣臻岛翡泌隶经，获嚣陵壹滚降裂纹戆产生。不定囱分蛮瓣纤维有蘩i i 凝弱 砂浆或混凝士翅性收缩及冻融时的张力，收缩的能量被分散到无数的具有高抗拉强 度的纤维上，从而极为有效地增强了混凝土或砂浆的韧性，抑制了微细裂纹的产生 秘爱震。 1 2 聚合物水泥基复合材料 1 2 ，1 聚金籀零淀基复合榜辩戆发震 聚合物瀹凝土是利用水泥混凝土的制造方法和施工技术与高分子材料有效结合 弼产生豹一静凝型材料豹憨稼。 早在驽几个世纪以前，人们裁知道掰天然的有概聚合物改善凭税胶凝材攀隼的性 质。我国将天然聚合物用于古建筑有悠久的历史，用糯米汁及榆树叶拌石灰砌城墙 即为例。1 9 2 3 年克利森第一个申请丁肖关聚合物硬化承泥体系的专利，在饿蚋专 鞭中把天然豹橡胶襞液律为壤褥船在遵鼹路面建筑籽籽中去。毽莽上第一个( 1 9 2 3 年) 申请用天然橡胶乳液改性水泥砂浆及混凝土专利的是罩夫布尔。2 0 世纪2 0 3 0 年代之矧，用天然橡胶乳液改性水泥砂浆及混凝土得剿了发展。t 9 3 2 年，邦德篇一 令疆出焉天王橡获改经拳滋砂浆及混强主，并获褥了专裂。2 0 蹙纪4 0 5 0 年代， 人们发明了多种合成聚合物胶乳及其改雠的专利。6 0 年代以后，除将合成胶乳用于 对水泥混凝土的改性外，人们又研究把多种聚合物，例如聚苯乙烯、聚丙烯酸熊、 聚氯乙爨等羽予承泥砂浆爱混凝主改蕊：8 0 年代至今，墼赛范交黠这一赣域綦秀究芽 发的兴趣与f 1 俱增，不仅对各种聚合物的改性效果谶行较深入的分析研究，而 苴对 矗。 1 文献综述 改性机理、聚合物与水泥、水泥水化物之间的作用机理等从理论上进行了较深入的 分析研究，并有大量的科研成果。1 9 7 1 年美国滟凝土学会( a c i ) 成立了5 4 8 聚合 物漫凝委员会。美瑙窝嗣零都制定了聚合物皮援于承淀混凝土豹标准。我国予2 0 世纪6 0 7 0 年代也丌始研究掺天然橡胶、丁苯胶乳、氯丁胶乳、氯偏胶乳和丙烯酸 醮共聚乳液的聚合物永泥移浆的僚能翊3 。 1 。2 2 聚合穆永泥基耩籽粒毒孝精缀黢 终制聚合锈零混瀑凝鹅懿琢秘精，除承混、嚣鼹秘东岁 ，圭装是聚合兹稻劲 剂。 聚合物的便甭方法与混凝土外加剂一样，与水泥、骨科、水一起搅拌即可。一 般蠖援下，其掺量约为水泥貘量懿5 2 5 f 2 羽。 国内外用于水泥混凝土改性的浆合物添加剂品种繁多。但基本上为三种类测： ( 1 ) 永溶馋聚合物分散体襞胶类：鲡橡胶巍液、树耱巍液帮混台分散俸。露) 承溶经聚 合物：如纤维豢衍生物、聚掰烯酸麓等。( 3 ) 液体聚合物：如不泡和聚酯、环氧树脂 等。其中乳胶使用最多。2 0 世纪3 0 年代首先使用天然橡胶，其厝使用的是聚醋酸 z ；烯委i 冀液。2 0 毽纪6 0 年代嚣，广泛聚耀丁苯胶嚣，氯丁获襞霹馕氯乙矮季l 滚， 丙烯酸共浆乳液等聚食物吲。 聚合物乳液作永溅材料的改往剂时，可以部分的或完全的取代拌合水f 2 4 。2 霉，经 过趿蛙之后大部分砂浆豹碱性与普通砂浆戆碱 ! ! 芝榉，具有援护钢矮故髂趣，聪且 砂浆保护层的厚度只需1 2 1 5 m m 【2 们引。 常蹋麓裁裔稳定嗣、抗承帮、键凝剂、清途麓。 l 。2 3 聚台耪承滋基复合榜秘徽臻络梅及菠萑毒a 遴 1 2 。3 1 聚合物承淀基复合褪褥强鼹结穆 伊森伯格( 1 s e n b e r g ) 和范德霍夫( v a n d e h o f f ) 用丁苯橡胶( s b r ) 作水泥砂浆 改住荆。研究缔果表明，聚合物掺入水混砂浆，能在水泥浆体内形成聚合物网络结 均州“u j ：以乳波形式掺加到水泥混凝中灼聚合物，在水泥混凝土搅搀均匀后，聚 合物乳液颗粒会相当均匀地分散在水泥混凝土体系中，形成水泥基复合材料。随着 隶淀熬承纯，体系孛瓣永不断缝被承伲水泥掰结合，巍液中的聚合貔颗粒会l 嚣要激 合连接在一起，随着水分的不断减少，聚合物在水泥混凝土中形成网络结构。 河北理一i ：大学硕十学位论文 徐雅君等用苯丙乳液川；姜洪义、殷仲海用n b s 乳液【3 2 】；申爱琴等用丁苯胶 乳及羧基丁苯乳液田1 研究结果也证实了聚合物在水泥浆体内形成网络结构。 聚合物胶乳对水泥材料改性机理如上所述，常见的理论为：聚合物微粒附着在 水泥凝胶和骨料颗粒表面并相聚成膜，聚合物胶膜的胶接能力及柔性明显改善了水 泥材料的机械性能。同时，聚合物胶膜还有延阻水汽蒸发的能力，从而对水泥进一 步养护十分有利。依据这一理论，对水泥基复合材料刚性一柔性突变机理假设如r 3 4 1 ： a 当聚合物加量8 e 4 , 时，聚合物微粒非连续地团聚在水泥凝胶和骨料颗粒表面 并相聚成膜，但不足以形成完整的柔性链胶膜网络，此时，水泥凝胶形成的刚性链 网络起主导作用。从总体上讲，此时刚性链多于柔性链，并起抵抗应力的主导作 用。随着应力增大，刚性链网络的缺陷不断扩大，当达到或超过应力极限时，刚性 链突然整体性脆断将导致强大的脉冲型应力作用于数量相对较少的柔性链，并导致 其断裂。由于这一过程伴随很小的应变发生，因此材料呈刚性： b 当聚合物加量很大时，聚合物微粒完全包裹在水泥凝胶和骨料颗粒表面并形 成完整的柔性链胶膜网络，此时，从总体上讲柔性链多于水泥凝胶形成的刚性链， 并起抵抗应力的主导作用。随着应力增大，柔性链通过自身良好的应变部分吸收应 力作用，而其中的刚性链则因应变不足相继断裂，由此逐渐增加材料缺陷，并最终 导致材料断裂。由于这一过程伴随较大的应变发生，因此材料呈柔性： c 在由a 到b 的过程中，可通过逐步增加聚合物量，不断补足其形成完整柔 性链网络所需，但在聚合物粒子数目的不足和多余之间很难以实际可计量的质量份 数进行递增。换句话说，减少一个实际最小质量单位则刚性链起主导作用，从而导 致小应变情况下的刚性链整体断裂( 日j j 性) ；增加一个实际质量单位则柔性链起主导 作用，从而使刚性链逐渐遭到破坏并体现出较大的应变( 柔性) 。反之，由b 到a 办 然。 1 3 3 2 聚合物水泥基复合材料微观结构的形成 同本教授大滨加严( y o s h i h i k oo h a m a ) 的研究报告中介绍了聚合物水泥基复合 材料互穿网络结构的形成过程，给出了这种结构形成过程的模型，如图1 所示。并 把这一结构形成过程分为三个阶段 3 5 j 。 6 1 文献综述 一一 陵邃渤邕幽 。未水化的术泥i 曩粒 聚音糖瓶粒 售爹量科( 空白的地方居永) ( a ) ，兔束承化承泥飘粒和誊篓 k 毒嗽的帮冶律被口舞形 聚合韵曩粒层包裹住 ( c ) 囊台钧薄膜包裹住 水泥亦侣赞 弓1 人曲空气 ( d ) ( a ) 1 日r l 开始混合；( b ) 第一阶段：( c ) 第二阶段；( d ) 第三阶段( 已硬化) 图1 聚合物水泥砂浆复台体结构形成模型 f i g lt h ef o r m i n gm a t r i xo f t h es t r u c t u r eo f p o l y m e r - c e m e n tm o r t a r 第一阶段：当聚合物乳液与新拌水泥砂浆混合时，聚合物颗粒均匀分散在水泥 浆中。在聚合物一水泥混合体系中，水泥开始水化，水相被水泥水化所形成的氢氧化 钙所饱和，水泥的凝胶逐渐形成；而聚合物颗粒部分的沉积于水泥凝胶和未水化水 泥颗粒混合体表面，水相中的氢氧化钙很可能与骨料表面的二氧化硅反应形成硅酸 钙层。 第二阶段：随着水量的减少，水泥凝胶结构在发展，聚合物逐渐被限制在毛细 孔隙中。随着水化的进一步进行，毛细孔隙中的水量在减少，聚合物颗粒絮凝在一 起，水泥水化凝胶的表面形成聚合物密封层，聚合物密封层也粘结了骨料颗粒的表 砷及水泥水化凝胶与水泥颗粒混合物的表面。因此，混合物的较大孔隙被有粘结性 的聚合物所填充。 掣 p 卜 河北理r 大学硕十学位论文 第三阶段：由于水化过程的不断进行，凝聚在一起的聚合物颗粒之问的水分逐 渐被全部吸收到水化过程的化学结合水中去，最终聚合物颗粒完全融合在一起形成 连续的聚合物网结构。聚合物网结构把水泥水化物联结在一起，即水泥水化物与聚 合物交织缠绕在一起，因而改善了水泥石的结构。 1 2 4 聚合物水泥基材料的性质 1 2 4 1 聚合物水泥基复合材料硬化前的性质 聚合物水泥基复合材料硬化前的性质，如减水性、凝结时间、密度、孑l 隙率， 由于聚合物的加入都发生了不同的变化，如表2 所示。 表2 聚合物水泥基复合材料硬化前的性质4 9 1 t a b l e 2t h ep r o p e r t i e so f p o l y m e rc e m e n t - b a s e dc o m p o s i t e sb e f o r eh a r d e n i n g 分散的聚合物颗粒就像“滚珠”一样使水泥及水化产物颗粒相对运动更容易， 同时聚合物本身或加入到乳液中以减少悬浮颗粒下沉的表面活性剂就象减水剂一 样，围绕水泥颗粒做定向排列使颗粒分散，从而减少了用水量，提高了坍落度，使 砂浆和易性大大改善。 水泥”始固化的时间称为初凝时阳j ，此时浆体己不可再塑：完全固化所经过的 时间是终凝时间。李虎军、王琪们研究水溶性聚合物对水泥水化过程的影响认 8 1 文献综述 为：非离子聚合物延缀了水泥的初期永化，是由于非离子聚合物吸附包裹在水泥颗 粒e 阻碍了水泥与水的接触；而阴离子聚合物加速了水泥的初期水化，魁山于阴离 子聚合物分散瘩泥粒子增丈了承淀与承的接触蘑积熬豫用怒主要豹。z s ua n d j m j m b i j i e n 瞪认为。聚合裙乳液延缓承泥水化的原因可能有： ( 1 ) 聚合物乳液 在水泥水化过程中失水而形成聚合物膜，这种膜结构可能阻i l 了水与水泥颗粒的接 触，网时，电阻止了水泥水化产物从水泥颡粒表蕊的驻落；( 2 聚合物吸附在水泥 颡粒表瑟影响了承淀承传的逶霉亍：( 3 ) 聚台穆霹麓与钙离予笈生反应。 聚合物水泥材料的平均密度取决于很多因索，其中主嚣的有骨料的性质和用 量、水灰比等。当聚合物用量增加融，聚合物水泥基复合材料的密度减少。各种聚 合耘承分数俸都是这耱傣嚣，哭不i 鬟= 隧聚获晓懿增热，密凄减少静程度不样，有 时差别很大。聚合物水泥混凝土( 砂浆) 是一种复杂的多相复合材料，其结构的形 成也受聚合物表面活性及其对混凝土的塑化作用的影响。所以加少量聚合物分散 傣，聚合臻痰浅基复合耱辩密凌熬拨少与空气雩| 入塞戆增热骞关。当聚荻毙为0 2 o ，2 5 时，密度出现极大值是由于在此用量下聚合物的塑化作用，提高了成溅性，有 利于混合物的密实。 聚合物热入嚣，零溅基复台材辩孛豹孔径分布变纯较明鼹，大魏数量躐小，两 小孔数量肖所增加，抉句话说，孔缀配发生了变化。一般认为，混凝土的宏躐行为 不仅受孔隙率的影响，而且还受孔级配的影响。因此，聚合物的掺入必然改善水泥 基李于的宏躐性矮。聚食物水淀基复合糖辩中孔结擒变化兹主要原因是聚合物颗粒填 充了永泥浆体的毛细孔和大琵，因为普通承淀砂浆在集辩与水泥基体之闯存在着过 渡区，但过渡区结构松散，与集料的粘结较弱。j j n k 聚合物后，不仅使得过渡区结 构紧密，耐盟使浆体与臀料之捌的联接大大加强，从而使得改j 矬砂浆中孑l 经向着微 孑汉 1 0 # m ) 方向移动。藤入聚台耱巍渡雩l 起砉孝褥肉张潦酶重分奄，使藐除攀提高， 因此聚合物水泥混凝土( 砂浆) 密皮下降的同1 ：i 口，伴之以显麓的孔隙率变小及整体 中平均分向。 1 2 a 2 聚合掺末泥基复会誊手餐硬佬焉瓣性囊 在聚合物水泥混凝土中，由于水分自混凝土表面蒸发及水泥的水化，致使聚合 物悬浮液脱水，于是聚合物粒子相互粘连，形成粘结性的聚合物薄膜，强化了作为 黢结秘瓣承淀硬纯体。翻越，硬纯蜃的聚合物东混漫凝( 砂浆) 鲮各秘缝缝均比 普通混凝土( 砂浆) 要好。 聚合物水泥基复合树料强度( 抗压强度、抗折强度) 变化见表3 。 河北理j j 大学硕士学能论文 表3 聚合耘瘩淀蒸复合榜辩强壤蜜鬟：、5 t a b l e 3t h ei n t e n s i t yo f p o l y m e rc e m e n tm o r t a r 总之，聚合物不同对水泥基末于强度的改变也不同。聚合物本身的性能对聚台物 浚桎砂浆和溉凝强度存灌要影噙。一般滋，大多数聚合物乳滚使改性砂浆盼坑折 强度有所增加，而且聚合物改性砂浆的抗折强度随聚合物掺量增加而提高。这是由 j 二多数聚合物乳液具有减水作用，改毂砂浆抗折强威的提高还包捂了水灰比降低的 俸蠲。照努，麴栗繇瘸承溅潦来兹撬掰强度毙较舔，辩添鸯羹聚合携之后强凄懿捷嵩 就会更加明照。但是，对抗压强度则不同，橡胶乳液、苯丙乳液、聚醋酸乙烯酯乳 液等有使抗压强度下降的趋势，热塑性树脂乳液，特剜是分子镪中刚性组分较多的 聚合魏，蠢矮凌匿强度提巍懿趋势强q 。 由前述相关文献的研究内容可知：在水泥砂浆躐混凝士中加入纤维及适渴的聚 合物，构成水泥基复合材料混凝土或砂浆，可以明艇改善其力学性能。对于纤维的 擘翅，主要楚扶簧统羲软“配麓”魏袋焱凄发，磷突了纾维熬辫袈作援及溅袈规 蠼。由于这种软“配筋”的存在降低了材料凝固过程中的塑性收缩率、提高了基体 承受丌裂应力的水平、改罄了基体的韧性。对于聚台物的作用，尽管对水泥混凝土 硬化莉致硬化后鼹性矮诌= 多研究者都避行了详细研究，有的还对聚合物豹 乍耀规理 遴行了探司，键其目酶是为了改善混凝土的抗压强壤及抗拆强凄。特剐是列f 抗折 强度的改变，绝大多数研究者都取得了相一致的结果，即加入商分子聚合物乳液， w 使混凝土抗辑强度增加。 各释承混蘩建毵榜糕豹特点是；餍嫩大、成本低。因此，在采雳井捆裁敌善承 泥基剌料的性质时，必须考虑成本因索。各种添加剂与水泥相比，价格都嚣商很 多，所以应尽鼍做到低掺宰。本论文研究的目的，就是通过综合采用外加剂，研制 甄黢奉、无龟裂聚苯板羚壤努保温系绞豫嚣菠浆。 一 o 一 文献综述 研究中将借鉴前述文献综述中纤维水泥基复合材料及聚合物水泥基复合丰j 料的 研究结果。因此，将聚合物及纤维作为水泥基复合材料抹面胶浆抗裂性改善的主要 添加剂。 除塑性收缩是水泥基材料产生裂纹的主要原因之外，二f 燥收缩及收缩速率也是 造成水泥基材料产生裂纹的主要原因：由水泥水化固化原理知，收缩速率与水泥水 化反应速率的快慢是相一致的，而水化反应的速率又是与水泥基复合材料的凝结时 间相对应的，凝结时间在实验室易于准确测量。研究中测定了水泥基复合材料相应 的干燥收缩率及凝结时l 训，并从这两方面对各种因素的阻裂作用机理进行了分析探 讨。为了减缓收缩速率，研究中也将水泥砂浆缓凝剂作为一种起阻裂作用的主要添 i i i i 。 文献中未见对所采用的纤维及聚合物从经济上及作用效果方面的优劣进行比较 的结论，所以本论文中将纤维、聚合物及缓凝剂品种的选择作为一次要研究内容。 应用于外墙保温中的水泥基复合材料抹面胶浆是一种实用性很强的材料，除考 虑抗裂性因素外，还要兼顾其他因素，如粘结强度、吸水性等。研究中首先通过单 因素试验确定抗裂添加剂的具体品种及初步添加量，在此基础上通过正交试验确定 具有实际应用意义的抹面胶浆具体配方。 河北理一i ：大学碳士学位论文 2 1 实验原拳薅及仪器 2 i 。l 实验原料 2 实验原料及方法 酱通硅酸赫水泥( p o 4 2 + 5 r ) ；石英砂( 粒径 d 1 ：1 d 0 5 ；d 0 5 每一级对应着一个权值( a ) ：3 ；2 ；1 ：0 5 ： 0 2 5 ，以掺有化学添加剂水泥砂浆的a b 值与素砂浆的a b 值之比评定砂浆抗裂 性能。 2 2 2 水泥基复合材料干燥收缩实验 干燥收缩率的测定参照g b 7 5 l - 8 1 水泥胶砂干缩试验方法3 。本方法所测 得的水泥胶砂干缩性是用两端装有球形钉头的2 5 m m 2 5 m m x2 8 0 m m 的软练胶砂试 体，在干空气中养护后，以比长仪测量试体长度的变化，按下式计算水泥基复合材 料的干燥收缩率： s ，：生二生1 0 0 ( 1 ) 2 5 0 式中： s t - 一干缩率( ) 5 l 广某龄期的测量读数( m m ) ； l o 一初始测量读数( r a m ) ： 2 5 卜试体有效长度( n u n ) 。 干缩率结果取3 条试体之平均值。水泥胶砂试体干缩率以负值表示。 2 2 3 水泥基复合材料凝结时间的测定 凝结时间的测定参照g b t 1 3 4 6 2 0 0 1 水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定 性检验方法5 。 首先，参照g b f f l3 4 6 - - 2 0 0 1 测定水泥胶浆标准稠度用水量。然后，以标准制 度用水量拌和水泥砂浆制成标准稠度水泥胶浆，进行凝结时问的测定。 2 2 4 水泥基复合材料吸水率的测定 用天平称量制备好的试件质量m 。，然后将试件的。面向下平稳地放入常温水l p 浸泡3 0 m i n ，取出后用湿毛巾迅速擦去试件表面的水，称其吸水后的质量i 3 1 2 。按 ( 2 ) 式计算水泥基复合材料的吸水率： 河北理r 人学硕士学位论文 x ：竺 塑1 0 0 ( 2 ) 小i 一所0 式中： x 一吸水率，； m 2 一吸水后试件的质量； m ，一干燥试件的质量； n l o 一聚苯板和网格徊的质量。 另外，水泥基复合材料抹面胶浆的垂直拉伸胶结强度按j c t 5 4 7 1 9 9 4 规定方 法委托由唐山市建筑节能研究所协助测定。 水泥基复合材料扫描电镜照片测定委托河北理工大学分析测试中心协助完成。 1 4 3 纤维、缓凝剂及聚合物对水泥基复合材料抗裂性的影响 3纤维、缓凝剂及聚合物对水泥基复合材料抗裂性的影响 实验采用平彳亍实验，獗砂比为1 ：l ；研究在水泥砂浆中分别加入不同秘类、艮度 耱纤维、缓凝裁( 酵类讫合耱) 及聚合物毳滚对东溅砂浆抗裂憾豹影稻。 3 1 纤维对水泥基复台材料抗裂l - 生能的影响 3 + l 。1 纤缎种类对承浞罄篾合材拳孽箍戮性麓的影响 实验用纤维为：石棉纤维、合成纤维、木质纤维( 1 m m ) ；狄砂比为l ：1 ：纤维 掺量为3 ( 体积吾分数) 。实验缝浆舞表4 爨示。 表4 皇千维种类对永泥基复合材料抗裂性能的影响 t a b l e 4t h ee f f e c to f d i f f e r e n tk i n do f f i b r et oc r a c k - a r r e s t i n go f c e m e n t b a s e dc o m p o s i t e 纾维静类盖鞴奠篝鹜笄堕剿燮惫产l 抗裂搔数 空白0 7 31 5 5 01 石棉纤维 35 5 0o 3 2 4 6 台成纤维3 4 6 7o 2 7 5 1 木覆纤维( 1 m r a ) 32 1 00 1 2 3 8 由表4 可知，不加纤维的水泥砂浆裂缝分布范围较广；加入纤维后，裂缝分布 范围明显降低，只分布在d o 5 的区域内，且开裂指数有较大幅度的降低，砂浆的 撬袭牲提毫。瑟且，掺撩鹣绎维不屈，挠裂牲熊懿变纯程疫氇不疑。其中石撼纤维 降低了6 7 5 ，合成纤维降低了7 2 5 ，木质纤维的抗裂性能最好，在船入体积分数 3 的情况下，丌裂指数降低了8 7 6 。 3 1 ，2 终终妖缱对零滢萋簧含耪瓣获裂缝薤戆影演 由表4 可知，木质纾维对提高水泥砂浆的抗裂性效果最好，因此，以卜实验采 用木质纤维( 1 m n l 、o 5 m m ) ，掺加量为1 ( 体积比) 。实验结果列i 二表5 。 盘表5 知，纤维汝发瓣不同藩永漉妙浆嚣抗震睡影确遣不嗣。1 m m 长瓣本质纤 维抗裂性能优于0 5 m m 长的木质纤维。这是因为增大纤维长度可提高纤维与水泥砂 浆基体的粘缝力，从而提离水泥砂浆塑性抗裂能力。幽于长度大予l m m 时分敞比较困 蘧，实舔应藤意义不大，敬没有逶行长菠大予i m m 纤维秘实验。 河北理r 人学硕+ 学位论文 表5 纤维长度对水泥基复合材料抗裂性能的影晌 t a b l e 5t h ee f f e c to f d i f f e r e n tl e n g t ho f f i b r et oc r a c k - a r r e s t i n go f c e m e n t b a s e dc o m p o s i t e 3 1 3 纤维掺加量对水泥基复合材料抗裂- 胜能的影响 以上实验结果( 参见表4 、5 ) 表明，长度i m m 的木质纤维在提高水泥砂浆抗 裂性方面优于其它纤维。故以下实验采用l m m 木质纤维，掺加量以纤维占水泥砂浆 的体积百分数计。实验结果如图2 所示。 杂 靼 群 磊 巅 叁 蹭 * 图2 纤维掺加量对水泥基复合材料抗裂性能的影响 f 啦t h ee f f e c to f d i f f e r e n ta m o u n to f f i b r et oc r a c k - a r r e s t i n go f c e m e n t - b a s e dc o m p o s i t e 由图2 可知：随纤维掺加量的增加，水泥砂浆抗裂性能也随之加强，且在砂浆 中加入体积掺量0 5 和1 0 的木质纤维后，砂浆的抗裂性能有明显的改善。其裂缝 减少分别达到i 5 $ n7 2 ，可见砂浆的抗裂性在纤维掺加量为1 时有十分明显的提 高，加入量超过2 时，抗裂指数变化已巧i 明显。且在实验过程中观察到，加入纤维 的砂浆出现第一条裂缝的时问向后延迟了。 6 3 纤维、缓凝剂及聚台物对水泥基复台材料抗裂性朐影响 3 2 缓凝剂对水泥基笈合材料抗装性能的影响 3 2 1 缓凝割釉类对水溅基复合材料抗裂性能的影响 实验用缓凝剂为醇裳化合物：乙二醇、丙三醇和聚乙烯醇：掺加量为0 5 ( 占 水泥用量的百分比) 。实验结果列于浅6 。 表6 缓凝奏l 秘类对水泥基复合材拳萼孝宠裂牲耗豹影辅 t a b l e 6t h ee f f e c to f d i f i e r e n tk i n do f r e t a r d e rt oc r a c k - a r r e s t i n go f c e m e n t - b a s e dc o m p o s i t e 由表6 可知，搬入缓凝裁磊，妙浆熊抗裂性麓彳辱到了改善。这是因为缓凝奏l j 对 水泥的水化有延缓作嗣，缓凝帮的加入使水泥的裙凝时间和终凝时间均延长，对水 泥水化和凝结时间延缓，使水化反应篼完全。水泥砂浆内部各基体之间的粘结是靠 硅酸盐相的水豫反应糨互连接形成豹。水化反盛越完全，各棚闽豹相互逐接越紧 密，由予脱水丙产生斡袋缝就越少，献蔼使砂浆静抗爱往麓鼹麓。其中加入0 5 静 乙二醇后，裂缝减少4 4 ；加入等量的丙三醇后，裂缝减少4 7 ；而加入等墩的聚乙 烯醇后基本来发现有明照开裂现象，抗裂性能最好。 3 2 2 聚乙烯醇掺加量对水泥基复合幸才料抗裂性靛的影响 以上实验表明，相对于乙二醇、两三醇，聚乙烯醇对水泥砂浆的抗裂性能的增 搓效采较好，数戳下实验蠲聚乙烯醇。浆乙惩藜熬入量浚占永溅豹矮量西分晓诗。 实验结果如图3 所示。 聚乙烯醇的加入使水泥砂浆的抗裂性能显著增强。且随聚乙烯醇加入龄的增 斓，承涅砂浆撬裂牲能魂窍溪增强，蒸绷入量超避水泥凄量豹0 + l 蒜瑟，对零浚砂浆 抗裂效果改警趋缓。聚己烯醇掺加量的增加有利予水泥基复合树料抗断裂韧性的增 强。 1 彳一 河北理j 二大学硕士学位论文 鼎 裂 蜒 蒜 叠 凳 * 00 0 20 0 60 10 1 20 1 4 聚乙烯醇加入量( 质量) 图3 聚乙烯醇加入量对水泥基复