有机-矿物地聚合物的增韧结构形成机理与调控研究

As a new type of green cementing material，mineral geopolymer has the advantages of high strength, chemical stability, durability and environmental, there are also problems of brittleness and poor toughness. The flexural toughness of mineral polymer can be significantly improved by organic polymer (more significantly than toughening effect of organic polymer on Portland cement).However,the mechanism of toughening and regulation is not clear, so that the development of the toughening technology of mineral geopolymer is affected. The toughening structure and its regulation mechanism are used as research objects. Through the study on the bonding of chemical functional groups provided by low-molecular-weight organic compounds and reactive groups in mineral geopolymer, the formation mechanism of toughening structure is be revealed on the molecular scale. Through the researches on the micro morphology and distribution of the organic polymer film in mineral geopolymer and the organic-inorganic interface structure, the toughening structure characteristics are obtained on the submicroscopic scale. The multi scale structure model is built. The toughening structure and flexural toughness of organic-mineral geopolymer on different regulation factors are studied in order to make clear the relationship between them. This research can provide the theoretical basis for the research and development of high toughness mineral polymer, and it is to the benefit of the application of the mineral geopolymer in the modern concrete engineering, which has more stringent requirements on ductility, toughness and crack control ability.

作为新型绿色胶凝材料，矿物地聚合物具有高强、稳定、耐久等技术优点，但也存在脆性大、韧性差等问题。有机聚合物能显著改善矿物地聚合物的弯曲韧性（更显著于有机聚合物对普通硅酸盐水泥的增韧效果），然而其增韧机理及调控机制尚不明确，制约了矿物地聚合物增韧关键技术的发展。本项目以有机-矿物地聚合物其增韧结构与调控机制为主要研究对象，通过化学官能团（有机低分子化合物引入）与矿物地聚合物中活性基团的成键作用研究，揭示分子尺度增韧结构的形成机理；通过研究矿物地聚合物中有机聚合物膜的微观型貌与分布、有机-无机界面黏结结构的组成，获得亚微观尺度增韧结构特征，构建多尺度结构模型；通过研究不同调控因素对有机-矿物地聚合物增韧结构及弯曲韧性的作用规律，明晰调控因素-增韧结构-力学性能三者间的内在联系。本研究可作为高韧性矿物地聚合物开发的理论基础，对其在延性、韧性有更高、更严格要求的现代混凝土工程中应用具有重要意义.

矿物地聚合物具有高强、稳定、耐久等技术优点，但也存在脆性大、韧性差等问题。有机聚合物能显著改善矿物地聚合物的弯曲韧性，然而其增韧机理及调控机制尚不明确。本项目按照研究计划，开展了有机低分子化合物对地聚合物物理力学性能的影响研究，明确了不同化学官能团对矿渣基地聚合物物理力学性能的影响规律，比选出对地质聚合物凝结时间影响较小、增韧效果显著的官能团类型。开展了有机-矿物地聚合物力学性能的影响因素及调控研究，探明了聚合物种类、掺量、碱激发剂量种类、模数、碱当量、养护制度与温度等因素对有机-矿物地聚合物抗折、抗压、折压比以及弯曲韧性等力学性能的影响规律，获得了有机-矿物地聚合物力学性能的调控手段。开展了有机-矿物地聚合物增韧结构的分尺度研究与调控。利用FTIR、29Si NMR等测试手段发现，在分子尺度，PAAS、PEG等有机聚合物掺入后在1180 cm-1波数附近出现C-O-Si键的吸收峰，表明掺入的有机聚合物参与铝硅酸盐三维网络结构的形成；有机聚合物的掺入影响矿渣基地聚合物中29Si核周围的化学环境，使得[SiO4]的聚合度降低；在亚微观尺度，利用MIP、SEM等测试手段发现，有机聚合物主要通过填充地聚合物孔隙与裂缝使其致密化，以及形成有机聚合物与地聚合物相互穿插的三维网络结构，在亚微观尺度对地聚合物进行增韧。从而多尺度揭示了有机-矿物地聚合物的增韧结构形成机理，明晰了各类影响因素对有机-矿物地聚合物增韧结构的作用规律，建立了组成-结构-性能之间的相互关系。项目资助在国内外重要学术期刊或学术会议上发表相关学术论文9篇（其中被SCI收录3篇，EI收录3篇，中文核心期刊3篇），申请国家发明专利2项，参与国内外学术交流3次，培养硕士生3名（其中1名毕业，2名在读），联合培养博士生1名（已毕业）。项目圆满完成了任务书既定的任务与目标，研究成果符合预期要求，经费使用合理，符合预算要求。