聚合物/水泥复合胶凝材料凝结硬化机理及过程调控

Ogranic polymer has become an invaluable element in the development of cement-based functional materials, however the function mechanism of the polymer in cement-based materials is not clarified which prohibits the development of this kind of materials. Recently, people started to explore the function mechanism of polymer in cement-based materials, but most of the researches focused on the influence of polymer on the microstructure and cement hydration after the hardening of the cement. Little report is found on the function of polymer during the period of the setting and hardening of cement, whereas the main structure of hardened cement-based materials forms during this period. This project will investigate the setting and hardending process of thermalplastic polymer styrene-acrylic ester copolymer/Portland cement composite cementitious materials with different polymer/cement ratios to explore its setting and hardening mechanism and put forward control methods for the process. The physical and chemical interactions between polymer and cement and the effect of polymer on the cement hydration during the period of setting and hardening will be analyzed, through studying on the adsorption characteristics of polymer on single cement particle, the effect of polymer on the hydration of single cement particle, and the valence bond reaction or ion chelation between polymer and cement hydrates. The microstructure development of the composite cementitious materials during the period of setting and hardening will also be observed. This project will provide theoritical basis for explaining the function mechanism of polymer in cement-based materials and the optimization design of polymer/cement-based composites.

有机聚合物已经成了很多水泥基建筑功能材料中不可或缺的组分，但作用机制研究匮乏，限制了相关材料的发展。前期人们对聚合物在水泥基材料中作用机制的探索主要集中在聚合物对硬化后水泥石结构和水化产物的影响上，而对聚合物在水泥石主要结构形成阶段即凝结硬化过程中的作用研究甚少。本项目研究不同组成的热塑性聚合物苯乙烯-丙烯酸酯共聚物/硅酸盐水泥复合胶凝材料的凝结硬化过程，揭示聚合物/水泥复合胶凝材料的凝结硬化机理，并提出该过程的有效调控方法；通过研究聚合物在单分散水泥颗粒表面的吸附特征、聚合物对单分散水泥颗粒水化过程的影响、聚合物与水化产物之间发生的价键反应和离子螯合反应，分析聚合物与水泥之间的物理和化学相互作用以及聚合物对凝结硬化阶段水泥水化的影响，观察复合胶凝材料凝结硬化过程中微观结构的演化；为聚合物在水泥基材料中的作用机制解析和聚合物水泥基复合材料的优化设计提供理论基础。

有机聚合物已经成了很多水泥基建筑功能材料中不可或缺的组分，但作用机制研究匮乏，限制了相关材料的发展。前期人们对聚合物在水泥基材料中作用机制的探索主要集中在聚合物对硬化后水泥石结构和水化产物的影响上，而对聚合物在水泥石主要结构形成阶段即凝结硬化过程中的作用研究甚少。本项目研究聚合物/水泥复合胶凝材料的凝结硬化过程，揭示其凝结硬化机理，并提出该过程的有效调控方法。建立了一套行之有效的聚合物与水泥之间相互作用和凝结硬化阶段聚合物对水泥水化和微观结构演化影响的表征方法，并借助这些方法系统研究了聚合物对水泥早期水化和微观结构演化的影响，获得了系统的结论。研究了聚合物在单分散水泥颗粒表面的吸附特征，分析了聚合物与水泥之间的物理作用，探索了聚合物与水泥之间发生的化学作用。系统研究了苯丙和丁苯聚合物对水泥早期水化的影响，包括凝结时间、水化热、水化产物及其微观形貌等。从聚合物和水泥在凝结硬化阶段相间的物理和化学作用的角度分析了聚合物的作用机理。找出了聚合物/水泥复合胶凝材料凝结硬化过程的基本特征及其主控因素。发现聚合物/水泥复合胶凝材料凝结硬化慢的主要原因是聚合物延缓了水泥水化。对此，本项目优选出三种高效的调凝物质来调控聚合物/水泥复合胶凝材料的凝结硬化过程，达到了在不损害复合胶凝材料现有性能的前提下加速其凝结硬化的目的。并且研究了调凝物质和聚合物/水泥复合胶凝材料在凝结硬化阶段的相互作用机理。发现三种调凝物质都能促进聚合物/水泥复合胶凝材料的凝结硬化，缩短其凝结时间、提高其早期强度；加速水泥早期水化，提高凝结硬化阶段的水化放热量和水化程度。但是三种调凝物质的最优掺量和调凝效果在一定程度上受聚合物/水泥复合胶凝材料种类的影响。本项目明确了聚合物/水泥复合胶凝材料的凝结硬化特征，找出了凝结硬化过程的有效调控方法，探明了凝结硬化及其调控机理；为聚合物/水泥复合胶凝材料的优化设计提供了理论基础，推动了聚合物水泥基复合胶凝材料的发展。