[01603398]氯盐侵蚀与冻融循环耦合作用下聚合物改性水泥基材料的破坏机理研究

1、课题来源与背景：聚合物改性水泥基材料已被广泛应用于混凝土工程修复、高速公路路面、桥面、水工建筑耐水层、以及耐化学介质腐蚀环境中的构筑物等许多场合。目前国内外的研究大都集中在对聚合物改性水泥基材料性能和改性机理方面的探讨,而对于其在严酷环境下耐久性的系统研究却很少。我国西北地区,盐渍土分布广泛,结合冬季气候冷的特点,使得聚合物改性水泥基材料在氯盐侵蚀与冻融循环耦合作用下的耐久性及破坏机理的研究具有重要意义。 2、研究目的与意义：本课题旨在基于聚合物在水泥混凝土工程中的应用基础,分析在氯盐侵蚀与冻融循环耦合作用下,聚合物改性水泥基材料物理、力学性能及微观组织的变化及相互关系,探讨其破坏机理。1)硫铝酸盐水泥-硅酸盐水泥-聚合物复合体系的确立;2)氯离子侵蚀与冻融循环耦合作用下,聚合物改性水泥基材料宏观结构破坏特征、性能劣化与微观结构变化的内在关系;3)通过实验研究,探讨聚合物改性水泥砂浆在严酷环境下的破坏机理。 3、主要论点与论据：1)成功确定了硫铝酸盐水泥-硅酸盐水泥-聚合物复合体系的最佳配合比：首先对比不同快硬水泥的抗压强度、生产工艺以及凝结时间,确定聚合物快硬水泥砂浆体系中的快硬水泥组分。然后,通过复掺普通硅酸盐水泥对快硬水泥性能进行优化。接着,采用三种不同聚合物进行与该体系中快硬水泥的适应性研究,主要考察聚合物的种类及掺量对砂浆的流动性的影响,确定确定聚合物快硬水泥砂浆体系中的聚合物改性剂组分。再接下根据粗细砂比例对砂浆流动度的影响,确定粗细砂含量为1:3。最终确定聚合物水泥砂浆的基准配合比为：水泥：砂：水=1:1.2:0.3。通过制备不同聚合物掺量的聚合物快硬水泥砂浆试件进行后续实验。2)聚合物快硬水泥砂浆的耐久性研究：比较了0%、2%、4%、6%聚合物掺量的聚合物快硬水泥砂浆试件对抗渗性、抗冻性以及氯盐侵蚀与冻融循环耦合作用下的影响。研究表明：随着聚合物掺量的增加聚合物快硬水泥砂浆耐久性逐渐增强,4%的聚合物掺量为最佳掺量。主要原因是当聚合物掺量逐渐增加时,会形成连续的薄膜结构,这种薄膜结构本身具有阻隔、不透水等作用,也提高了改性砂浆的抗渗性。聚合物的加入还会引入一定量的微小气泡,这些气泡切断了大部分渗水毛细孔,减少了试件中的含水量,另外,这些小气泡孔可以成为冰、水迁移的“蓄水池”,缓冲结冰引起的静水压和渗透压,大大提高了混凝土的耐久性。虽然掺量为6%的砂浆其耐久性优于聚合物掺量为4%的砂浆,但其施工过程中的可操作性远不及后者,所以0.4%的聚合物掺量为最佳掺量。3)聚合物改性水泥的改性机理：通过对孔结构的分析发现,聚合物的加入会使砂浆孔结构得到改善。孔结构的改善直接导致了其抗冻性和抗渗性的提高。一方面,由聚合物加入引入的微小气泡可以切断毛细孔通道,减少了有害气体、液体的渗入;另一方面,当孔径减小,毛细孔中凹液面曲率就增大,毛细孔中水的冰点就越低,当温度降到某一负值时,小孔中的水不会因结冰发生体积变化而对结构造成破坏。通过红外吸收光谱分析,聚合物对快硬水泥砂浆耐久性的改善并不仅仅是由于它的物理填充作用,聚合物与水泥水化产物发生的化学反应也在一定程度上改善了快硬水泥砂浆的耐久性能。4)聚合物水泥快硬砂浆的工程应用及评价：由于该种聚合物快硬水泥砂浆具有很好的工程特性,所以在水泥路面快速修补中获得了大量的应用。XX修补工程所用修补材料为本研究提到的聚合物快硬水泥砂浆,由于该种修补砂浆具有凝结时间短、强度增长快的特点,故修补过程只需要短暂中断交通,将修补工程给公众出行带来的不便降到最小,完工后2h即可通车。由于该种砂浆不仅具有好的工作性能与强度发展,更具有良好的耐久性能,尤其是针对西北特殊气候条件下的耐久性,通车18个月后路面没有出现任何破坏状况。 4、创见与创新：确定了硫铝酸盐水泥-硅酸盐水泥-聚合物复合体系的最优配比,掌握了氯离子侵蚀与冻融循环耦合作用下,聚合物改性水泥基材料宏观结构破坏特征、性能劣化与微观结构变化的内在关系。 5、社会经济效益,存在的问题：为水泥路面工程提供了一种性能优异的快速修补材料。还需对材料耐久性深入研究。