水工混凝土防护材料的插层键合机理研究

对水工混凝土实施表面保护，延长其服役年限，是水利水电工程安全高效运行的关键技术问题之一。本课题提出"插层＋键合"的思路，通过对偏高岭石的有机插层以及插层偏高岭石在碱激发条件下与水玻璃的键合，来制备有机／无机插层键合材料作为水工混凝土的表面防护材料，使其兼具矿物键合材料优异地耐久性和有机物优良地韧性、粘结性和耐水性，应用前景广阔。.通过揭示有机极性分子和聚合物与偏高岭石的插层复合机理及插层对偏高岭石－水玻璃体系键合作用影响机理，探索"插层＋键合"反应与材料性能之间的关系规律，为开发出高性能的有机／无机插层键合材料及其应用奠定坚实的科学基础。

选用不同的插层剂对偏高岭石进行插层复合。并通过XRD、FTIR、SEM、DSC-TG和TEM等测试手段对制备工艺条件和插层机理进行了分析。结果表明，醋酸钾和尿素被插层到偏高岭石层间，导致偏高岭石片层呈无序状态，即成功合成了偏高岭石-醋酸钾插层复合物和偏高岭石-尿素插层复合物。而选用的其他插层剂没达到插层的效果。通过对插层过程中的插层剂含量、热处理、研磨时间等工艺条件的探讨，结果发现，热处理能促进插层剂进入偏高岭石层间，对偏高岭石片层撑开或剥离有利。而增加研磨时间和插层剂的含量，也同样有助于插层反应的进行。通过插层聚合法，将不同含量的偏高岭石与聚丙烯酰胺复合，制备了一系列偏高岭石-聚丙烯酰胺复合材料，通过XRD、FTIR、Raman、SEM、DSC-TG和AFM等测试手段分析，对复合材料的制备和合成机理进行了探讨。结果表明，利用插层聚合法，已经成功制备了偏高岭石-聚丙烯酰胺复合材料。在该复合材料中，偏高岭石片层以纳米级别分散在有机聚合物基体中，其最大片层间距为1.45nm。振动光谱分析的结果表明，丙烯酰胺发生了交联聚合反应，并与偏高岭石以氢键的形式进行连接。而且偏高岭石的片层结构亦发生变化，即Si-O和Al-O多面体的对称性下降，发生畸变。这一结果与群论预测的结果一致。通过熔融插层法，成功制备了一系列偏高岭石-聚乙二醇复合材料。通过XRD、FTIR、SEM、DSC-TG和AFM等测试手段分析，对复合材料的制备和合成机理进行了探讨。结果表明，在复合材料中，偏高岭石在聚合物中呈无规则分布，大部分偏高岭石颗粒大小在100-200nm范围内，少数颗粒则在微米级别。在一系列复合材料中，聚乙二醇的晶型相同，但聚合物的某些晶面随偏高岭石含量的不同而发育程度不同。在磷酸激发条件下，将预处理的偏高岭石与不同含量的聚乙烯醇和聚乙二醇进行复合，制备了两种有机聚合物-无机聚合物复合材料。通过XRD、FTIR、Raman、SEM和DSC-TG等测试对制备的样品进行了表征。并对聚合物复合材料的抗压性能进行了测试。结果表明：在磷酸激发条件下，偏高岭石发生聚合反应，形成了一种[Si-O-Al-O-P-O]三维网络结构的无机聚合物。同时，在制备的过程中加入的有机聚合物与无机聚合物被均匀的混合在一起，且复合材料的抗压强度和硬度都得到提高。