薄层纤维素醚改性水泥浆体水化历程和微观结构研究

论文摘要

我国目前正处于城镇化高速发展的关键时期,外墙外保温系统作为建筑节能的主要技术途径,其中,粘结砂浆和抗裂砂浆等薄层砂浆对于保证外墙外保温系统的节能效果和耐久性的实现起着重要的作用,在此背景下,研究薄层砂浆的水化关键问题具有特别重要的意义。本研究工作来源于“十二五”国家科技支撑计划项目（2011BAJ04802）和国家自然科学基金（50902107）。通过研究纤维素醚（cellulose ether,CE）改性水泥浆体的流变性能和热-电特性,探明多因素环境下水泥浆体的水化动力学过程。根据薄层CE改性水泥浆体的使用环境的不同,研究了快速失水条件下水泥浆体的水化规律。基于薄层水泥浆体流变特性、水化动力学过程和快速失水条件下的水化规律建立了薄层CE改性水泥浆体水化过程和界面过渡区微观结构模型,阐述了薄层CE改性水泥浆体的水化特征。本文主要的工作及所取得的重要成果如下：1.根据CE在水溶液（拌和阶段环境）和水泥浆体（水化阶段环境）2种液相环境中的流变特性,系统研究了CE成膜过程及溶液环境（温度、pH值、离子的种类和价态）对水溶液和水泥浆体流变特性的影响,揭示了CE在不同液相环境中成膜过程及温度、pH值、离子对其在水溶液和水泥浆体中的作用机理。以表观粘度、剪切应力、屈服应力和塑性粘度为评价指标,研究了CE种类和掺量对水溶液和水泥浆体流变特性的影响。探讨了不同温度和pH值时CE在水溶液和水泥浆体中的流变特性,确立了CE的低临界溶解温度和等电点。分别研究了阳离子、阴离子及其价态对CE溶液表观粘度的影响,基于“感胶离子序”的规律阐述了离子种类和价态对CE溶液表观粘度的作用机理,揭示了CE在复杂液相环境中的成膜特征,为研究塑性阶段CE改性水泥浆体的流变特性提供了理论依据。2.提出了CE-聚水与缓释组分（CWRC）改性水泥浆体水化动力学过程的设计与制备方法,基于对水化热和电阻率微分曲线分析,掌握了水泥水化初期的宏观热学效应及电化学特征变化规律,研究了水化热和电阻率与水泥水化进程的关系,建立了CE-CWRC-水泥三元体系水化热-电模型。分别研究了CE和CWRC对水泥水化热和电阻率的影响,指出CWRC对水泥水化各阶段的延迟作用小于CE。研究了电阻率和水化放热量与Ca（OH）2和化学结合水含量的关系,发现具有线性相关性,为研究水泥水化早期结构形成及水化进程提供了一种新的结构参数。通过对水化热和电阻率微分曲线分析,建立了CE-CWRC-水泥三元体系水化热-电模型,将水泥水化过程分为：溶解-析出平衡期、结构形成期、结构发展期和结构稳定期4个阶段,且模型中水化热和电阻率微分在表征水泥早期水化动力学过程具有较好的一致性,可以准确描述水泥水化历程及结构形成的瞬时状态。3.首次提出了CE改性薄层水泥浆体在快速失水条件下的试验设计与评价方法,通过改变水泥浆体厚度、养护温度和基体材料的种类,系统研究了CE改性薄层水泥浆体的早期失水特征、界面性能和微观分析,探明了薄层水泥浆体的水化规律和微观结构发展机制。以失水速度和失水率为评价指标,研究了薄层水泥浆体在快速失水条件下的早期失水特征,并阐述了其失水机制。分析了水泥浆体厚度、养护温度和基体材料的种类对薄层水泥浆体界面性能的影响,指出了不同龄期时的界面破坏形式。通过XRD、FTIR和TG-DSC分析,研究了薄层水泥浆体在快速失水条件下的水化规律。通过对快速失水条件下水泥浆体表层、中间层和界面层3个区域的微观分析,探明了水化产物沿水泥浆体厚度方向上的分布规律,揭示了薄层水泥浆体的界面破坏原理,为研究外墙外保温系统中保温层脱落和保护层的空鼓、开裂等问题奠定了理论基础。4.根据薄层水泥-CE浆体中水分和离子的迁移、CE成膜、水泥浆体的硬化过程,分析了水化产物沿薄层水泥浆体厚度方向上的分布规律,建立了实际服役环境下的薄层水泥-CE浆体水化过程和界面过渡区微观结构模型。根据CE成膜与溶解过程、薄层水泥浆体的失水机制与离子迁移过程、水化历程与微观结构发展机制、水化产物的分布规律,建立了实际服役环境下薄层水泥-CE浆体的水化过程模型。根据基体材料的孔结构与吸水特性,分析了薄层水泥浆体的失水特征、界面微结构的变化、水化产物的种类和数量分布,建立了薄层水泥浆体与基体材料间的界面过渡区微观结构模型,对于研究薄层水泥-CE浆体水化规律具有重要的理论与实际意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究目的和意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 研究目标与内容
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 研究内容
• 1.5 解决的关键技术问题
• 1.6 研究方法和技术路线
• 1.7 创新点
• 第2章 原材料与试验方法
• 2.1 原材料
• 2.1.1 水泥
• 2.1.2 纤维素醚
• 2.1.3 聚水与缓释组分
• 2.1.4 化学试剂
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 宏观性能测试
• 2.2.1.1 流变性能测试
• 2.2.1.2 失水速度测试
• 2.2.1.3 水化热测试
• 2.2.1.4 电阻率测试
• 2.2.1.5 化学结合水测定
• 2.2.1.6 拉伸粘结强度测定
• 2.2.2 微观性能测试
• 2.2.2.1 XRD分析
• 2.2.2.2 SEM形貌观察
• 2.2.2.3 FTIR分析
• 2.2.2.4 TG-DSC分析
• 2.2.2.5 X荧光分析
• 第3章 纤维素醚成膜及其对水泥浆体流变特性的影响
• 3.1 评价方法与试验设计
• 3.2 纤维素醚种类和掺量对水溶液和水泥浆体流变特性的影响
• 3.2.1 纤维素醚种类和掺量对水溶液流变特性的影响
• 3.2.1.1 纤维素醚种类对水溶液流变特性的影响
• 3.2.1.2 纤维素醚掺量对水溶液流变特性的影响
• 3.2.2 纤维素醚种类和掺量对水泥浆体流变特性的影响
• 3.2.2.1 纤维素醚种类对水泥浆体流变特性的影响
• 3.2.2.2 纤维素醚掺量对水泥浆体流变特性的影响
• 3.3 水灰比对纤维素醚改性水泥浆体流变特性的影响
• 3.4 温度对纤维素醚水溶液和水泥浆体流变性能的影响
• 3.4.1 温度对纤维素醚水溶液流变特性的影响
• 3.4.2 温度对纤维素醚改性水泥浆体流变性能的影响
• 3.5 pH值对纤维素醚水溶液流变性能的影响
• 3.6 离子种类和价态对纤维素醚水溶液流变性能的影响
• 3.6.1 不同阳离子的浓度对纤维素醚溶液流变性能的影响
• 3.6.2 不同阴离子的浓度对纤维素醚水溶液流变性能的影响
• 3.6.3 不同价态阳离子的浓度对纤维素醚水溶液流变性能的影响
• 3.7 本章小结
• 第4章 纤维素醚和聚水与缓释组分改性水泥浆体水化动力学过程研究
• 4.1 引言
• 4.1.1 硅酸盐水泥的水化机理
• 4.1.2 水泥水化动力学评价方法
• 4.2 评价方法与试验设计
• 4.3 水化热分析
• 4.3.1 纤维素醚种类和掺量对水泥水化热的影响
• 4.3.1.1 纤维素醚种类对水泥水化热的影响
• 4.3.1.2 纤维素醚掺量对水泥水化热的影响
• 4.3.2 聚水与缓释组分种类和掺量对水泥水化热的影响
• 4.3.2.1 聚水与缓释组分种类对水泥水化热的影响
• 4.3.2.2 聚水与缓释组分掺量对水泥水化热的影响
• 4.3.3 纤维素醚和聚水与缓释组分复掺对水泥水化热的影响
• 4.4 电阻率分析
• 4.4.1 纤维素醚种类和掺量对水泥水化电阻率的影响
• 4.4.1.1 纤维素醚种类对水泥水化电阻率的影响
• 4.4.1.2 纤维素醚掺量对水泥水化电阻率的影响
• 4.4.2 聚水与缓释组分种类和掺量对水泥水化电阻率的影响
• 4.4.2.1 聚水与缓释组分种类对水泥水化电阻率的影响
• 4.4.2.2 聚水与缓释组分掺量对水泥水化电阻率的影响
• 4.4.3 纤维素醚和聚水与缓释组分共同作用对水泥水化电阻率的影响
• 4.5 水泥水化动力学过程的热-电性能表征
• 4.5.1 水泥水化热-电模型的提出
• 4.5.2 纤维素醚和吸水性物质改性水泥浆体水化热-电模型的建立
• 4.5.3 水泥水化热-电模型的动力学分析
• 4.5.4 水泥水化进程与水化放热和电阻率的关系模型
• 2含量与电阻率和水化放热的关系'>4.5.4.1 Ca（OH）₂含量与电阻率和水化放热的关系
• 4.5.4.2 化学结合水含量与水化放热和电阻率的关系
• 4.6 本章小结
• 第5章 快速失水条件下薄层水泥浆体水化特征和水化产物沿厚度方向上的分布规律
• 5.1 引言
• 5.2 评价方法与试验设计
• 5.3 厚度对薄层纤维素醚改性水泥浆体水化规律的影响
• 5.3.1 失水率与失水速度
• 5.3.2 拉伸粘结强度
• 5.3.3 XRD分析
• 5.3.4 FTIR分析
• 5.3.5 DSC分析
• 5.3.6 SEM分析
• 5.3.7 水化产物沿厚度方向上的分布规律
• 5.3.7.1 XRD分析
• 5.3.7.2 FTIR分析
• 5.3.7.3 TG-DSC-DTG分析
• 5.4 温度对薄层纤维素醚改性水泥浆体水化规律的影响
• 5.4.1 失水率与失水速度
• 5.4.2 拉伸粘结强度
• 5.4.3 XRD分析
• 5.4.4 FTIR分析
• 5.4.5 热分析
• 5.4.6 SEM分析
• 5.4.7 水化产物沿厚度方向上的分布规律
• 5.4.7.1 XRD分析
• 5.4.7.2 FTIR分析
• 5.4.7.3 热分析
• 5.5 基体材料性质对薄层纤维素醚改性水泥浆体水化规律的影响
• 5.5.1 失水率
• 5.5.2 拉伸粘结强度
• 5.5.3 XRD分析
• 5.5.4 FTIR分析
• 5.5.5 热分析
• 5.5.6 SEM分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 薄层水泥-纤维素醚浆体水化过程和界面过渡区微观结构模型建立
• 6.1 引言
• 6.2 水泥水化模型
• 6.2.1 Ki-Bong Park模型
• 6.2.2 T.C.Powers模型
• 6.2.3 Feldman-Sereda模型
• 6.2.4 Taylor模型
• 6.2.5 Locher模型
• 6.2.6 水化产物量变模型和水化产物形态模型
• 6.2.7 中心质理论模型
• 6.3 薄层水泥-纤维素醚浆体水化过程和界面过渡区微观结构模型的提出
• 6.4 薄层水泥-纤维素醚浆体水化过程和界面过渡区微观结构模型的建立
• 6.4.1 薄层水泥-纤维素醚浆体水化过程模型
• 6.4.1.1 薄层水泥-纤维素醚浆体的搅拌
• 6.4.1.2 薄层水泥-纤维素醚浆体的应用
• 6.4.1.3 薄层水泥-纤维素醚浆体的粘结
• 6.4.1.4 薄层水泥-纤维素醚浆体的硬化
• 6.4.2 薄层水泥-纤维素醚浆体界面过渡区微观结构模型
• 6.5 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 主要科研成果
• 发表论文
• 申请专利
• 主持及参与科研项目
• 获奖情况