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氧化石墨烯改性聚氨酯涂层提升混凝土氯盐抗力的研究

氧化石墨烯改性聚氨酯涂层提升混凝土氯盐抗力的研究

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作者：高天宇中国矿业大学

学位级别：硕士

在海洋环境中,氯离子侵蚀是引起混凝土中钢筋锈蚀,进而影响混凝土结构耐久性的主要原因,而在混凝土表面涂刷有机涂层是改善混凝土工程氯盐抗力的重要方法之一。有机涂层虽然可以有效提升混凝土的抗氯盐侵蚀能力,但由于有机涂层易老化的... 详细信息

在海洋环境中,氯离子侵蚀是引起混凝土中钢筋锈蚀,进而影响混凝土结构耐久性的主要原因,而在混凝土表面涂刷有机涂层是改善混凝土工程氯盐抗力的重要方法之一。有机涂层虽然可以有效提升混凝土的抗氯盐侵蚀能力,但由于有机涂层易老化的通病,老化后的涂层对混凝土的防护能力大打折扣。已有研究证明,在有机涂层中掺入普通颗粒状纳米材料可以有效提升混凝土的防腐蚀性能和抗老化性能;鉴于前人研究的基础上本文选择使用片状纳米材料—氧化石墨烯(GO)材料,并将其进行改性后加入到聚氨酯涂层中,进而制备出GO改性聚氨酯涂层混凝土试件。本文选取TiO接枝GO的改性方式和将GO直接超声分散两种分散方法,将0.1%、0.3%、0.5%质量分数的GO掺入到聚氨酯涂层中制备出复合涂层。以涂层混凝土为研究对象,通过紫外老化实验、电通量实验和长期氯盐浸泡实验研究GO改性聚氨酯涂层混凝土的抗氯离子渗透能力和抗老化能力。同时结合扫描电镜、傅里叶红外光谱分析探究GO对聚氨酯涂层提升混凝土抗氯盐和抗老化性能的机理。在此基础上,建立氯盐浸泡环境和紫外老化环境下的GO改性聚氨酯涂层混凝土构件服役预测模型。本文取得的主要研究成果如下:(1)在混凝土表面涂刷聚氨酯涂层可以有效改善混凝土的抗氯离子侵蚀性能。掺入GO后的聚氨酯涂层对混凝土的抗氯盐侵蚀效果提升更明显,使用TiO对GO进行改性后加入到聚氨酯涂层中对混凝土抗氯盐侵蚀能力的提升大于将GO仅超声分散后加入到聚氨酯涂层中的提升效果。相较于无涂层混凝土,掺入0.5%GO聚氨酯涂层混凝土抗氯盐侵蚀能力最高提升72.4%,掺入0.3%TiO改性GO聚氨酯涂层混凝土抗氯盐侵蚀性能最高提升了80.2%。GO对聚氨酯涂层的改性效果主要取决于GO材料在聚氨酯涂层中的分散性,GO不仅可以对聚氨酯涂层中的孔洞和缝隙起到填充作用,自身的片状、堆叠的结构还可以有效延长氯离子的腐蚀路径,延缓腐蚀所需时间。(2)聚氨酯涂层抗紫外光照老化能力较弱,加入GO后其抗老化能力得以显著提升。由于纳米材料易团聚的特性,GO改性聚氨酯涂层抗老化能力随GO掺量总体呈现先增大后减小的趋势。0.3%掺量的TiO改性GO聚氨酯涂层混凝土抗老化性能最优异,同时其抗氯盐侵蚀能力提升幅度也最大,提升幅度最高为77.4%。在紫外加速老化后,GO改性聚氨酯涂层混凝土的氯离子扩散系数呈现增大趋势。(3)GO加入可以减少聚氨酯涂层中的微孔洞,增加涂层表面密实度,优化其表层的孔隙结构,随着GO材料分散性的增强这一效果更加显著。老化后的聚氨酯涂层防腐蚀能力大大削弱,掺入改性GO后可以大幅度减少聚氨酯涂层老化后的孔洞和裂缝,增强涂层密实度,使其仍有较好的抗氯离子侵蚀能力,从而延缓其服役寿命。(4)建立了涂层混凝土的氯离子扩散系数和老化时间的函数关系:D=a+(b-a)/1-x/c。根据Fick第二定律结合以前学者的研究基础上,结合长期氯盐浸泡以及电通量实验数据推导出氯盐环境下和紫外老化环境下GO改性聚氨酯涂层混凝土的服役寿命预测模型。在氯盐环境中无涂层混凝土构件服役寿命预计为19.6年,聚氨酯涂层混凝土构件服役寿命预计为35.7年,GO聚氨酯涂层混凝土和TiO改性GO聚氨酯涂层混凝土构件其抗氯离子侵蚀寿命延长至67.3年和78.4年,相比无涂层混凝土构件分别增加了47.7和58.8年,相比聚氨酯涂层混凝土构件分别增加了31.6年和45.3年;在日常紫外照射环境中无涂层混凝土构件服役寿命预计为17.6年,聚氨酯涂层混凝土构件服役寿命预计为45.3年,GO聚氨酯涂层混凝土和TiO改性GO聚氨酯涂层混凝土其抗氯离子侵蚀寿命延长至73.2年和89.8年,相比无涂层混凝土构件预计服役寿命分别增加了55.6年和72.2年,相比聚氨酯涂层混凝土构件预计服役寿命分别增加了27.9年和44.5年。论文有图29幅,表21个,参考文献135篇。

关键词：氧化石墨烯聚氨酯涂层混凝土氯盐抗力老化抗力

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氧化石墨烯改性环氧树脂涂层提升混凝土抗碳化性能的研究

氧化石墨烯改性环氧树脂涂层提升混凝土抗碳化性能的研究

引用

作者：范春华中国矿业大学

学位级别：硕士

在大气环境条件下,由混凝土碳化引起的钢筋锈蚀是影响混凝土结构耐久性的主要因素,在混凝土表面涂刷有机涂层能够有效地阻碍CO的侵入从而提高混凝土的抗碳化性能。但是,有机涂层容易老化,从而导致对混凝土的保护能力逐渐降低。已有研究... 详细信息

在大气环境条件下,由混凝土碳化引起的钢筋锈蚀是影响混凝土结构耐久性的主要因素,在混凝土表面涂刷有机涂层能够有效地阻碍CO的侵入从而提高混凝土的抗碳化性能。但是,有机涂层容易老化,从而导致对混凝土的保护能力逐渐降低。已有研究表明,普通颗粒状无机纳米材料的掺入能够在一定程度上提升涂层的防护性能和减缓有机涂层的老化。本文选择了一种新型的片状纳米材料——氧化石墨烯(GO)运用到有机涂层中,以期获得对复合涂层抗碳化和抗老化能力的更有效提升。本文有代表性地选择了环氧富锌底漆和环氧树脂面漆作为涂层体系,采用将GO和去离子水混合以及利用Ti O接枝GO两种分散方法,将0.1%、0.3%和0.5%(重量比)的GO加入到环氧树脂中,制备成复合涂层。以复合涂层混凝土为研究对象,通过人工气候紫外老化实验和加速碳化实验研究GO改性环氧树脂涂层混凝土的抗碳化和抗老化性能,结合扫描电镜和红外光谱实验从微观角度分析GO对环氧树脂涂层提升混凝土抗碳化和抗老化性能的机理,根据实验结果最后建立了GO改性环氧树脂涂层混凝土的碳化深度预测模型。本文取得的主要研究结果如下:(1)纳米GO能有效地改善环氧树脂涂层的抗碳化性能。两种分散方法对环氧树脂涂层混凝土抗碳化能力的改善效果表现为:Ti O+GO+环氧树脂涂层>GO+环氧树脂涂层>空白环氧树脂涂层。当GO掺量为0.3%时,两种涂层都具有最优的抗碳化性能,经过7d的加速碳化后,相比较于空白环氧树脂涂层,GO+环氧树脂涂层和Ti O+GO+环氧树脂涂层分别提升了37.3%和50.2%,GO对环氧树脂的改性效果取决于GO在环氧树脂中的分散效果,纳米GO不仅可以填充环氧树脂中的微孔隙和裂缝,还能提供屏障效应使得CO的扩散途径更加曲折。(2)纳米GO能有效地改善环氧树脂涂层的抗紫外老化性能。0.3%掺量的GO改性环氧树脂涂层混凝土在经过不同紫外加速老化时间后,通过对抗碳化性能的比较,改善效果表现为:Ti O+GO+环氧树脂涂层>GO+环氧树脂涂层>空白环氧树脂涂层。在加速碳化7d时,相对于无涂层混凝土,经过14d紫外老化的空白环氧树脂、GO+环氧树脂和Ti O+GO+环氧树脂涂层混凝土的抗碳化能力分别提高了30.5%、56.4%和65.4%,GO和环氧树脂的良好的界面结合力、GO的屏障效应和Ti O的紫外光屏蔽效应极大地提高了复合涂层的抗紫外老化性能。(3)通过对已有混凝土碳化深度预测模型的分析,基于Fick第一定律,建立起了GO改性有机涂层混凝土老化前后的碳化深度预测模型,并对不考虑老化和紫外加速老化条件下的涂层混凝土进行了寿命预测,发现GO能极大地改善有机成膜涂层混凝土的抗碳化和紫外老化性能。(4)在紫外加速老化后,以混凝土与碳化深度到达15mm为标准,空白环氧树脂、GO+环氧树脂和Ti O+GO+环氧树脂三种涂层的平均天花费为0.51元/m、1.19元/m和1.04元/m。在经济性方面,由于GO昂贵的性质,所以在性价比方面稍有不足,但随着GO产业化的发展,在未来将GO运用到有机涂层中还是大有前途的。论文有图35幅,表20个,参考文献104篇。

关键词：氧化石墨烯环氧树脂涂层混凝土碳化抗力老化抗力

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