土壤聚合物新拌物性能研究及无机涂料产品的开发

论文摘要

土壤聚合物(Geopolymer)是一种以硅氧四面体和铝氧四面体组成并具有空间三维网络结构的胶凝材料。该材料原料来源广泛、制备工艺简单、能耗低、基本不排放CO2,具有优良的力学、耐高温、抗腐蚀和防辐射性能,具有广阔的工程应用前景。但在实践的过程中,由于这一新型胶凝材料的理论研究不足,研究实践还不够深入,其基本性能中的一些缺陷还没有能够改善,其中最重要的是其新拌物工作性能差,凝结时间难以控制,极大制约了其新品种的开发和工程的实际应用。本文通过研究硅酸钠溶液与土聚新拌物的流变学特征,比较深入的研究了影响其工作性能的内在因素;并对不同温度下的土聚新拌物凝结现象进行分析,找到了适合该材料的高温缓凝剂与常温促凝剂;在此基础上,开发了一种双组分土壤聚合物涂覆材料,适合于建筑物表面刷涂、辊涂等工艺,并对该涂料的各项性能进行了研究,发现它具有较好的抗腐蚀、耐高温和良好的装饰性能,且成本低廉。塑性(内)粘度过高和屈服应力过低,加上常温下凝结时间过长,是土聚新拌物的工作性能难以适应施工需要的主要缺陷,而新拌物的粘度对于其工作性能特别是和易性更为重要。本文研究了温度、浓度、模数等条件对硅酸钠溶液及土聚新拌物的流变学参数的影响,结果表明:常温下,硅酸钠溶液粘度在模数2.2时出现最小值,但随着温度的升高,模数对溶液的粘度的影响逐渐减弱。硅酸钠溶液处于真溶液区域时,土聚新拌物的塑性粘度随硅酸钠溶液的模数增大但变化不大;当处于水玻璃SiO2聚合区域时,土聚新拌物塑性粘度随模数增大急剧增加。硅酸钠溶液的浓度越高,硅酸钠溶液和土聚新拌物的粘度越大;在温度为30℃时,土聚新拌物的粘度达到最低值。本文尝试通过降低硅酸钠溶液黏度的方法来降低土聚新拌物的黏度,达到改善土聚新拌物工作性能的目的,并对硅酸钠溶液进行超声改性以改善土聚新拌物的性能。发现超声改性可改善硅酸钠溶液的粘度,增大土聚新拌物的扩展度,并提高土聚物的抗压强度。为保证土聚物获得较为稳定的工作性能,建议确保使用的硅酸钠溶液的粘度、浓度和温度在一个合理的区间范围内,必要时采用超声改性手段,降低其粘度,提高其强度。土壤聚合物的凝结时间受很多因素影响,其中最为重要的影响因素是温度。土壤新拌物在高温条件下凝结时间过快(〈30min);常温条件下凝结时间又过慢(〉6h),这严重影响了施工的进行,难以保证土聚产品的质量。针对这一现象,寻找了高温缓凝剂与常温促凝剂来调控土壤聚合物在不同温度条件下的凝结时间,并确定了合理的施工工艺。研究表明:80℃条件下,采用二次拌合工艺,ZA与BA对土聚物的高温缓凝作用明显,且随掺量的增大,缓凝效果增强,实现了高温凝结时间可调控的目的。其高温缓凝机理被认为是:通过BA或ZA与硅酸钠溶液间的反应,在偏高岭土表面形成包裹层,延缓了碱对偏高岭土结构的溶解及相互反应,延长了凝结时间,但包裹层随着土聚反应的进行而发生破坏,不会损害土壤聚合物的后期强度性能。在常温条件下,发现CB与AB可明显缩短土壤聚合物的凝结时间,且掺量增加,促凝效果增强。常温促凝机理是:通过CB阳离子和AB阳离子与硅酸钠溶液的较快反应形成辅助性产物,促使凝聚结构较快生成,并较快产生强度,从而导致凝结时间缩短。从流变学角度进行分析,发现土聚新拌物是一种屈服应力较小的假塑性流体,且具有一定的触变性。土聚新拌物在适当提高其屈服应力值后,其流变特征非常适合涂覆材料的制备。基于这一特性,经过反复试验,开发了一种双组分土壤聚合物建筑涂覆材料,申请了国家发明专利。涂层的耐腐蚀性、耐冻融循环性均达到国家标准要求,耐高温性能优越,是一种耐久性较好的绿色建筑涂层。针对研究过程中出现的涂层表面状态(光滑、平整和干裂程度)不理想的问题,提出了使用悬浮剂膨润土和羧甲基纤维素钠(CMC)提高土聚涂层的平整度,颜填料粉体采用粗细级配的双峰宽分布,明显提高了涂层抗开裂性能,而滑石粉的掺入可提高涂层的光滑度。土壤聚合物涂层具有较好的耐腐蚀性能与耐高温性能,而且施工与使用过程中无有毒、有害气体放出,可用于公共场所。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 土壤聚合物胶凝材料
• 1.1.1 土壤聚合物概念
• 1.1.2 土壤聚合物结构
• 1.1.3 土壤聚合物的反应机理
• 1.1.4 土壤聚合物的理化性能及其应用
• 1.1.5 土壤聚合物研究过程中存在的问题
• 1.2 本课题的研究内容及意义
• 1.3 技术路线
• 第二章 硅酸钠溶液流变学特征及其对土聚新拌物工作性能的影响
• 2.1 引言
• 2.2 试验材料与试验方法
• 2.2.1 试验材料
• 2.2.2 试验方法
• 2.3 试验结果与讨论
• 2.3.1 流变特性分析
• 2.3.2 模数与粘度的关系
• 2.3.3 浓度与粘度的关系
• 2.3.4 温度与粘度的关系
• 2.3.5 超声改性对土聚新拌物性能影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 土壤聚合物凝结时间的基本特征与调控技术的研究
• 3.1 引言
• 3.2 试验材料与试验方法
• 3.2.1 试验材料
• 3.2.2 试验方法
• 3.3 试验结果与讨论
• 3.3.1 土聚物在不同温度条件下的凝结时间
• 3.3.2 高温缓凝研究
• 3.3.3 常温促凝研究
• 3.4 本章小结
• 第四章 土壤聚合物建筑涂覆材料的研制
• 4.1 引言
• 4.2 试验
• 4.2.1 原材料
• 4.2.2 涂料的配方设计
• 4.3 涂料的制备工艺
• 4.4 测试方法
• 4.5 结果与讨论
• 4.5.1 土壤聚合物涂层流变学特征分析
• 4.5.2 涂层表面状态的影响因素
• 4.5.2.1 填料的加入对涂料表面状态的影响
• 4.5.2.2 填料的加入对涂料表面状态的影响
• 4.5.3 填料粒径分布对土聚涂层抗裂性能影响
• 4.5.4 土聚涂层的基本性能测试
• 4.5.5 耐高温性能测试
• 4.6 施工
• 4.7 本章小结
• 结论
• 1 研究成果
• 2 创新点
• 3 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的研究成果
• 致谢
• 附件