高性能地聚合物涂层材料的制备与性能研究

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因混凝土结构长期处于复杂的侵蚀环境,尤其是海洋环境,使其存在严重的耐久性问题。防护涂层是提高混凝土结构耐久性的重要途径之一,而现有的涂层材料多以有机防护材料为主,缺少无机组分,该类材料耐久性差且生产耗能高。基于地聚合物兼有有机高聚物、水泥、陶瓷的特点,与混凝土材料有良好的相容性,且耐久性优异、原材料丰富、价格低廉、工艺简单,生产耗能低,将其引入混凝土防护领域已成为一个新的研究方向。本课题选用偏高岭土基地聚合物与醋酸乙烯-乙烯共聚乳液(EVA乳液)复合作为防护涂层材料,提出混凝土耐久性能改善的新方法。本文以偏高岭土基地聚合物为基料,通过吸水率、硬度、光泽度及拉伸性能测试等方法研究粉液比、外加剂种类及掺量对涂层性能的影响;考察了乳液及外加剂的掺入与防护涂层抗热老化性能、抗紫外老化性能及抗碱浸泡处理性能间的关系,结合红外光谱分析(FTIR)、扫描电镜(SEM)、水接触角研究了粉液比、外加剂优化涂层耐久性能的作用机理;结合自然侵蚀试验、氯盐浸泡试验、硫酸盐浸泡试验,探究不同影响因素下涂层的实际应用防护效果。本论文的主要研究结论如下:(1)不同的粉液比、适量的外加剂均能有效改善地聚合物涂层的性能。其中,空白组粉液比为0.6时,地聚合物涂层的拉伸强度达1.45MPa、断裂延伸率达到301%;7 d饱和吸水率为8.2%;涂层的铅笔硬度随着粉液比的增加而增大;且粉液比越小涂层光泽度越大。适量的外加剂可以改善涂层性能,当减水剂的掺量为0.7%时,涂层拉伸强度为1.7MPa、断裂延伸率为365%;7 d饱和吸水率达6.67%,较空白试样分别提高了17.24%、21.26%和降低了18.66%;当偶联剂的掺量为0.3%时,涂层抗拉强度为1.65MPa、断裂延伸率为345%;7 d饱和吸水率达5.02%,相比分别提高了13.79%、14.62%和降低了38.67%,当消泡剂的掺量为0.3%时,涂层抗拉强度为1.56MPa、断裂延伸率为310%;7 d饱和吸水率达5.63%,相比分别提高了7.59%、2.99%和降低了31.34%。随着减水剂、偶联剂及消泡剂掺量的增加,涂层的铅笔硬度均呈先上升后降低的趋势,且涂层光泽度几乎无差别。(2)地聚合物涂层的抗热老化性能、抗紫外老化性能、抗碱侵蚀性能与外加剂密切相关。外加剂的引入优化了涂层内部结构,提高整体稳定性和密实性,降低了在侵蚀过程中涂层的质量、强度损失,抗侵蚀性能随之提高,延缓了涂层裂缝的产生。同时,经侵蚀后涂层的耐水性能变差,较未经处理的涂层,吸水率均有所增加。结合SEM测试发现,热老化、紫外老化、碱处理破坏了涂层表面的膜结构及原有的密实性,这是地聚合物涂层性能降低的主要原因,而适量外加剂的掺入,降低了地聚合物涂层的孔隙率,增强了有机乳液与胶凝材料之间的复合作用,促进其抗侵蚀性能明显提升。(3)地聚合物涂层对水泥砂浆试块表现出优异的防护效果。抗冻性能与孔结构密切相关,在涂层的防护作用下,减小了试块的质量损失和强度损失,抗冻性能随之提高。同时,结合SEM测试发现,经6个月氯盐和硫酸盐浸泡后,试块表面的涂层含有大量的盐晶体,涂层中的复合胶凝材料抑制其本身裂缝的产生,有效地减缓了有害离子对试块的侵蚀速率。地聚合物涂层可以提高试块的抗自然侵蚀能力,且地聚合物涂层防护效果的进一步提升得益于外加剂的引入。
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