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毕业论文开题报告
题 目 丙烯酸钙与矿物掺合料复合对水泥 学 院 材料科学与工程 专 业 班 级 学 生 学 号 指导教师
二〇一二年*月**日(宋体三号，居中，时间与开题时间一致)学院 材料科学与工程专业 材料科学与工程学生 学号
论文题目 丙烯酸钙与矿物掺合料复合对水泥强度及抗蚀性能的影响
一、选题背景与意义
1.国内外研究现状：
水泥作为一种重要的胶凝材料，广泛应用于土木建筑、水利、国防等工程。水泥的强度与抗蚀性是水泥性能的重要指标，因此，提高水泥的强度与抗蚀性可以改善水泥的使用性能，延长建筑物的使用寿命，对节约资源，能源及环保都有举足轻重的作用。
自从工业锅炉改为煤粉炉后,人们就开始对粉煤灰的火山灰性质进行了研究。最初，粉煤灰等工业废渣只是被当作节省水泥、降低成本的一种措施,在很长时间内人们对其应用都持一种消极的态度，甚至认为矿物掺合料的掺入是以牺牲水泥性能为代价的。20世纪30年代,美国开始对粉煤灰掺入混凝土和砂浆进行较完整的研究，而较早地把矿渣作为水泥混凝土掺合料的公开论文是德国学者r.grun在1942年发表的“高炉矿渣在水泥工业中的应用”。1948年,r.e.davis成功地将粉煤灰大规模应用于美国蒙大拿州的饿马坝工程，为矿物掺合料的应用树立了典范。
在20世纪70年代，能源危机、环境污染以及资源枯竭问题的出现，强烈激发人们对粉煤灰、矿渣等工业废渣进行再利用的研究，为工业废渣用作水泥混凝土掺合料开辟了新篇章。如今，经过一定的质量控制或制备技术获得的优质矿物掺合料，可明显改善硅酸盐水泥自身难以克服的组成和微结构等方面的缺陷（包括劣化的界面区、耐久性不良的晶相结构、高水化热造成的微裂纹等），赋予了水泥优异的耐久性能和工作性，超越了传统的降低成本和环境保护的意义，已成为水泥材料一个不可或缺的组分。
由于聚合物改性水泥防水抗渗效果好，粘结强度高，抗腐蚀能力强，耐高湿、耐老化、抗冻性好等优点而倍受人们的青睐。加入聚合物后水泥的强度和抗蚀性均有所提高。自从1923年克莱森（creon）第一个申请了有关聚合物硬化水泥体系的专利以来，世界各国纷纷开始了对聚合物改性水泥的研究。尤其是在80年代后，人们已经不只是停留在工程技术层面上研究聚合物改性水泥，而是转向改性机理、聚合物与水泥、水泥水化生成物间的作用机理从理论上进行了深入的研究分析，并有大量科研成果出现。聚合物改性水泥基复合材料在我国起步较晚，丙烯酸醋共聚乳液水泥砂浆及苯丙乳液砂浆(pae)应用较成熟，另外，聚氯乙烯一偏氯乙烯乳液砂浆(pvdc砂浆)、氯丁胶乳砂浆(cr砂浆)及丁苯胶乳砂浆(sbr砂浆)也被较多使用。
在聚合物改性水泥中，丙烯酸盐可灌性好，胶凝时间可调，低毒，因而是比较好的注浆材料。19世纪40年代美国首次在工程上应用丙烯酸盐注浆材料加固地基，70年代丙烯酸盐可大量生产后，日本等国开始广泛应用丙烯酸盐灌浆材料。我国生产出atm浆于87年应用于北京地铁二次衬砌的收缩裂缝注浆止水上，收到了明显效果。由于早期使用的化学添加剂有毒，污染环境，丙烯酸盐化学灌浆材料又重新受到各国的重视。美国于1980年研制成功了丙烯酸盐化学灌浆材料ac-400，毒性比丙烯酰胺浆液低。我国水利水电科学研究院和长江科学院先后于80年代中后期，研发了丙烯酸盐化学灌浆材料，在90年代国际会议上进行了交流，并应用于工程当中。在2005年以后，比利时等外国公司的中国代理商在地铁等部门推广应用丙烯酸盐化学灌浆材料。可见丙烯酸盐灌浆材料是一种通用的化学灌浆材料。2.选题的目的及意义
矿物掺合料在水泥中起着重要的作用。矿物掺合料具有三大功能效应：一是形态效应，即利用矿物掺合料的颗粒形态在混凝土中起减水作用，被称为“矿物减水剂”。二是微细集料效应，即利用矿物掺合料中的微细颗粒塞到水泥颗粒塞不到的空隙中，提高水泥的致密度，增加水泥石的强度。三是，化学活性效应即利用矿物掺合料的胶凝性或火山灰性，将ca(oh)2晶体转化成c-s-h凝胶，减少ca(oh)2晶体，增加c-s-h凝胶，提高水泥石的抗腐蚀性。
在一定条件下，矿物掺合料能提高混凝土的使用性能，延长混凝土的使用期限，节约了资源、能源，减少了环境污染。如当硅灰掺量5%,粉煤灰掺量为30%~40%时，水泥胶砂的抗压、抗折、干缩性能均优于流动性相似的基准胶砂。当粉煤灰取代水泥用量为10%, 30%和50%.时，半年的浸泡试验表明粉煤灰提高了混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力，而且，粉煤灰对胶凝材料的流变性也有一定的改善。在混凝土中掺入5%-9%的硅灰，混凝土的抗压和抗折强度随硅灰掺量的增加而呈增长趋势。研究证实，在硫铝酸盐水泥中加入少量硅酸盐水泥与矿渣后可明显降低生产成本，且水泥强度不降低。
丙烯酸盐灌浆材料是一类具有低粘度的灌浆材料，由镁或钙的氧化物、氢氧化物与丙烯酸反应生成的丙烯酸盐混合物，并加入多种其他所需组分生成。丙烯酸盐一般含有能生成线性高分子的双键，形成线性结构。交联剂能与丙烯酸盐结合成网状结构，原因是含有两个以上（包括两个）的双键，能起到连接的作用。交联剂可以是甲撑双丙烯酰胺，丙烯酸丁酯等。引发剂的作用是引发丙烯酸盐及交联剂的反应如偶氮二异丁腈，过硫酸钾等。促进剂的作用是促进反应快速进行如三乙醇胺。丙烯酸盐浆液是在促进剂和引发剂的作用下，使丙烯酸钙和丙烯酸镁发生自由基反应生成线性高分子，并在交联剂的作用下，线性分子生成网状高分子。丙烯酸盐浆液的性质为：浆液粘度低，浆液表面张力小，渗透性小，粘结性较好。
混凝土是靠水泥石与集料的连接而实现其胶凝的价值。这就使水泥石与集料的接触面显得尤为重要，包含水泥石接触面和集料接触面，它直接影响着混凝土的诸多性能，如强度、抗蚀性等。集料-水泥界面是从混凝土混合物加水搅拌混合阶段开始。它形成的好与坏与水灰比，集料表面对水泥浆体的湿润程度有直接关系。例如，水泥与集料侵润性好了，集料-水泥浆体界面结合区的密度就会改善。因此，向水泥浆体中加入聚合物溶液或是亚硫酸盐纸浆废液等，两表面的亲水性增加，从而使集料-水泥浆体界面过渡区密度增加，提高了混凝土的性能。丙烯酸盐的作用机理就是通过对集料表面包覆丙烯酸钙及水泥，使集料和水泥浆体之间形成连接紧密且有一定强度的界面过渡区。用丙烯酸盐和水泥包裹集料，水泥浆体与集料之间紧密连接，提高界面过渡区的连接强度，有效的改良了集料-水泥浆体界面区，提高了水泥的性能。有人经试验发现，加入丙烯酸钙后水泥的力学性能和抗蚀性能都提高了。另外，丙烯酸盐中含有大量—coomg、—cooca、—h、—oh 和h2o 基团，它们的极性较大，能与水泥中的钙离子，硅离子等形成大量氢键与分子间作用力，能使丙烯酸盐凝胶体能和水泥石表面牢固粘结。
矿物掺合料水泥已由单掺发展到双掺，多掺。聚合物水泥领域中，改性聚合物种类也越来越多，水泥性能也逐渐提高。矿物掺合料与聚合物给水泥行业带来了两个突破性进展，这很容易让人想到如果矿物掺合料与聚合物复合又会对水泥行业的发展带来什么契机。本论文将自制水溶性的丙烯酸钙溶液与矿物掺合料（主要是粉煤灰、硅灰、矿渣）按不同配比复合，掺入p.ⅰ525硅酸盐水泥中，通过检测标准稠度需水量，凝结时间，抗压和抗折强度，抗硫酸盐腐蚀性，探索丙烯酸钙与矿物掺合料的复合效果，及复合对水泥性能的影响。通过分析整理数据，得出最优复合掺量，及影响规律。实验最后结合xrd和sem等分析测试手段，进行丙烯酸钙与矿物掺合料复合改性的机理分析。
二、研究内容与目标 1.研究内容
①制备丙烯酸钙：待配丙烯酸钙溶液的浓度为0.2g/ml，让79.59g的丙烯酸与60g的caco3反应，后用500ml的容量瓶定容。
②磨料（水泥熟料和石膏，矿渣）：需要10kg的水泥熟料和石膏，5kg的矿渣。首先把熟料，石膏，矿渣用颚式破碎机破碎，然后再用球磨机粉磨直到达到合适的粒度。
③配料：本实验采用固定丙烯酸钙浆液的量，矿物掺合料添加比例变化的方法。将实验分为十组，经查找相关文献，除空白样外十组中丙烯酸钙浆液的量均为固体质量的5%，每一组矿物掺合料所占的质量百分数如下表：
表1 矿物掺合料的种类及用量
其中，促进剂，引发剂，交联剂的种类及用量（占丙烯酸钙浆液的质量百分数）如下表：
表2 助剂的种类及用量
④测标准稠度需水量、测凝结时间：测标准稠度需水量时采用调整水量法，首次配量为：
丙烯酸钙（0.2g/ml），助剂（三乙醇胺：浓度85%，一滴0.0405g，丙烯酸丁酯：一滴0.0169g），水泥300g，丙烯酸钙需用22.5ml。为了方便配置，溶液配25ml。如下表：
表3 标准稠度需水量的溶液用量
凝结时间均采用国标规定的方法进行测试。
⑤测1d，3d，28d强度：对十组样进行水泥净浆成型后，分别测试试样的1d，3d，28d的抗压强度。
⑥测抗硫酸盐腐蚀性:按照国家标准进行测试，通过水泥砂浆的抗折强度来反应抗腐蚀性的好坏。一组试样用水泥100g，所加的溶液（为了方便配置，溶液配10ml，取用7.5ml）如下表：
表4 抗硫酸盐腐蚀性的溶液用量
⑦进行电子扫描电镜（sem）及x射线衍射（xrd）测试：对比较好的样品或异常样品通过电子扫描电镜（sem）及x射线衍射（xrd）测试进行机理分析。2.研究目标
经过试验，得出结果，对结果进行分析，来探究丙烯酸钙与矿物掺合料复合对水泥强度及抗蚀性能的影响，寻找最佳的丙烯酸钙及矿物掺合料的配比，并通过sem、xrd等测试手段分析其改性机理。为以后聚合物矿物掺和料复合水泥的研究提供理论和实践基础。
三、研究方法与手段 1.实验材料
孰料：济南市山水水泥集团提供的普通硅酸盐水泥孰料 矿物掺和料：粉煤灰、矿渣
聚合物单体：丙烯酸钙
外加剂：交联剂（丙烯酸丁酯）、引发剂（过硫酸钾）、促进剂（三乙醇胺）2．实验仪器
标准稠度测定仪、养护箱、2×2×2水泥成型模具、磁子搅拌器、标准稠度测定仪、电子称、水泥净浆搅拌、万能材料试验机 3.试验手段
（1）利用颚式破碎机和球磨机把熟料和石膏，矿渣粉磨到一定细度。
（2）设10组实验，除空白样以外，其余9组均加入相同比例的丙烯酸钙浆液，矿物掺和料的种类及用量发生变化。
（3）按表3配比，对水泥进行标准稠度用水量的测定。然后进行强度测定，成型1天后拆模，养护28天，并进行1d、3d、7d、28d强度测试。在此期间进行凝聚时间的测定。
（4）按表4配比，对水泥进行抗硫酸盐侵蚀的测定。测试样最后的抗折强度。
（5）找出最佳丙烯酸钙和矿物掺和料配比。（6）对强度测试较好的或异常的试样进行xrd和sem分析，分析丙烯酸钙和矿物掺和料对水泥水化的影响。
四、参考文献
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