晶须改性地质聚合物复合材料的制备过程及其性能研究

作     者：魏铭 

作者单位：盐城工学院 

学位级别：硕士

导师姓名：焦宝祥;张长森

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：地质聚合物 晶须 晶须表面改性 ANSYS仿真 抗硫酸盐侵蚀性能 

摘      要：地质聚合物是近年来兴起的具有三维网络状结构的铝硅酸盐材料,是一种绿色可持续的胶凝材料,常用碱性溶液与铝硅质粉料混合制备而成,因其早期强度高,凝结速度快,性能与水泥类似,被认为是传统硅酸盐水泥的绿色替代材料。由于地质聚合物脆性大韧性差、抗折强度低,限制其应用推广;本课题在前人研究基础上,选用硫酸钙晶须和钛酸钾晶须作为填料,偏高岭土作为铝硅质原料,制备不同掺量(1 wt%-5 wt%)的晶须/偏高岭土基地质聚合物复合材料,研究晶须对地质聚合物力学性能、微观结构和矿物组成的影响。两种晶须直接掺入地质聚合物中可以提高其力学性能,强度随晶须掺量增加先上升后下降。但晶须易出现团聚现象,导致改性效果的稳定性欠佳,同组测试结果偏差均较大。钛酸钾晶须改性的效果优于硫酸钙晶须,硫酸钙晶须的最佳掺量为1 wt%,养护28d地质聚合物复合材料的抗压与抗折强度为52.9 MPa与10.5 MPa,对比空白组分别提高了22.6%与66.7%;进而用磷酸三钠对硫酸钙晶须进行表面改性后掺入地质聚合物中,最佳掺量仍为1 wt%,此时养护28d时地质聚合物复合材料的抗压与抗折强度分别为57.3 MPa与11.75MPa,对比未表面改性的硫酸钙晶须/地质聚合物分别提高了8.3%与11.9%;复合材料的累计孔体积从176 mm/g降低至145 mm/g,对比空白组的193 mm/g降低了25%。进一步探究了改性硫酸钙晶须/地质聚合物在硫酸盐环境下的耐久性能。经过120d硫酸盐溶液浸泡后,改性硫酸钙晶须/地质聚合物的累计孔体积与最可几孔径分别为161 mm/g与10.09 nm,在相同浸泡时间下,纯地质聚合物的累计孔体积与最可几孔径分别为178 mm/g与12.68 nm,复合材料的抗硫酸盐侵蚀性能得到提高。钛酸钾晶须的最佳掺量为3 wt%,此时养护28d地质聚合物复合材料的抗压与抗折强度为66.5 MPa与和8.2 MPa,对比空白组分别提高了54.1%与30.0%。进而研究了晶须不同分散工艺(添加不同分散剂、将晶须与激发剂混合后超声、对晶须表面改性等)对地质聚合物改性效果的影响,结果表明:仅添加分散剂和超声分散的方法晶须在地质聚合物中的分散效果有明显好转,但力学性能不够理想;在此基础上,采用KH-550、KH-792和KH-560硅烷偶联剂改性钛酸钾晶须,其中KH-792改性的综合力学性能较好,当其掺量为3wt%时,复合材料28 d的抗压、抗折强度分别为61.6 MPa和11.1 MPa,比空白组分别提高了43%和76%。晶须经表面改性后,能够显著提高晶须在地质聚合物基体中的分散性,从而更好的填充地质聚合物的孔隙,减小复合材料的平均孔径及累计孔体积,改善地质聚合物的孔结构并有效发挥晶须在基体中的裂纹桥接作用,起到增强增韧的效果;改性后进行表面附着羟基或带羟基的基团,既可以降低晶须颗粒间的排斥力,又可以在地质聚合物前驱体中参与缩聚反应,增强晶须与基体的结合力,提高地质聚合物的性能。通过ANSYS软件建立三点弯曲抗折模型仿真,验证了晶须在地质聚合物基体中裂纹桥接的重要性。本研究成果对于晶须改性地质聚合物的研究具有一定理论与实用价值。