有机聚合物/地聚合物胶凝材料水化硬化机理及微结构与性能研究

Focus on the brittleness, high shrinkage and aptness to crack of curing in the geopolymer materials, new strategy of orgnic/polymer modification of geopolymer materials will be applied, including the design of organic/geopolymer hybrid, the enhancements mechanisms and investigations of properties of organic polymer/geopolymer cementitious materials. The interaction mechanism of organic/geopolymers is based on the condensation of the active Si-OH group, which generate by water soluble organic/polymers hydrolysis, with the Si-OH, Al-OH groups in the geopolymer forming the Si-O-Si and Si-O-Al bonds and these condensation steps will ensure the organic/polymers are embedded homogeneously into the uniform geopolymer network structure to form hybrid geopolymer Furthermore, the hydration process, coordination toughening mechanism, organic-inorganic binding form, interface characteristics and hydration products of cementitious materials will be studied. The hydration, hardening mechanism, reaction kinetics, microstructure formation and effect of microstructure on the properties of organic polymer/geopolymer cementitious materials will be investigated. The effects of stability and evolution of the microstructures for the organic polymer/geopolymer cementitious materials on their mechanical properties, shrinkage and durability will be explored. The design and controlling methods of organic polymer/polymer cementitious materials will be proposed. Organic/polymers cementitious materials with excellent performance will be prepared, and the new creative results will help the development of the geopolymeric materials area.

针对地聚合物脆性大、收缩率高的问题，开展有机聚合物杂化改性地聚合物的研究。基于地聚合物缩聚反应前产生的Si-OH和Al-OH，选用可水解生成Si-OH基团的水溶性高分子，通过Si-OH、Al-OH基团间的缩合反应，实现有机高分子与地聚合物化学键合，形成有机高分子均匀分布穿插于地聚合物网络结构中的杂化胶凝材料。研究有机高分子与碱性胶凝系统的协调机制、胶凝材料水化进程、水化产物及有机高分子-地聚合物结合形式和界面特征，阐明有机聚合物/地聚合物胶凝材料的水化硬化机理、反应动力学、微结构形成及其微结构对材料性能的作用机制；探究有机聚合物/地聚合物胶凝材料微结构的稳定性及演变对胶凝材料力学性能、收缩率、耐久性的影响，提出有机聚合物/地聚合物胶凝材料的设计和调控方法，制备出性能优异的有机聚合物/地聚合物胶凝材料，进而为地聚合物材料的推广应用提供技术支撑。

针对地聚合物胶凝材料存在脆性大、固化时易失水开裂等问题。基于地聚合物缩聚反应前产生的Si-OH和Al-OH，以选用可水解生成Si-OH基团的水溶性高分子为主，开展了有机聚合物/地聚合物胶凝材料水化硬化机理、反应动力学、微结构特征及演变与性能的关系等研究。.（1）研究了有机聚合物/地聚合物胶凝材料水化热及反应动力学，揭示了有机聚合物/地聚合物胶凝材料的水化特性。硅烷偶联剂、苯丙乳液等有机聚合物的掺入不改变地聚合物的反应进程，但影响其水化速率，硅烷偶联剂提高反应初始期的反应热，延长诱导期，推迟加速期，对累积水化放热量影响不大；硅烷偶联剂水解形成Si-OH与地聚合物反应过程中形成的大量Si-OH和Al-OH之间发生缩合反应，形成Si-O-Si和Al-O-Al，实现有效化学键合。.（2）研究了不同水溶性高分子与地聚合物胶凝材料的配伍/参数优化，阐明了配伍/参数与地聚合物性能的相互关系。硅烷偶联剂、改性苯丙乳液等有机聚合物在适宜掺量下均可改善材料的力学性能、韧性提高25%~35%，但流动度有所降低，凝结时间有所延长。硅烷偶联剂的适宜掺量为0.1wt%~0.2wt%，改性苯丙乳液的适宜掺量为0.5wt%~1.0wt%；在0.6液固比、50℃条件下更利于Si-O-Si的形成。.（3）研究了有机聚合物/地聚合物胶凝材料的耐久性（长龄期性能、耐高温性能、抗硫酸盐侵蚀和抗冻融等性能），明确了有机聚合物/地聚合物胶凝材料微结构演变与性能的关系。硅烷偶联剂/地聚合物胶凝材料的长期力学性能优于纯地聚合物，360d时抗折、抗压强度分别是对比样108.5%和108.0%。有机聚合物/地聚合物胶凝材料抗硫酸盐侵蚀、抗海水侵蚀和抗冻融性能均优于纯地聚合物。.（4）有机聚合物/地聚合物胶凝材料性能的优化与调控，为地聚合物材料的推广应用提供技术支撑。选用消泡剂和微纳米材料等（如晶须、碳纳米管和氧化石墨烯等）调控有机聚合物/地聚合物胶凝材料的微结构，消泡剂和微纳米材料的适当使用可使胶凝材料微结构得到优化，性能得到提高，晶须、碳纳米管和氧化石墨烯的适宜掺量分别为：3wt%、0.05wt%和0.03wt%，其中氧化石墨烯的效果最佳，28d抗压强度和抗折强度是对比样的131%和181%。