摘 要

聚合物改性水泥基材料弥补了普通水泥抗弯拉强度低、耐酸耐盐腐蚀性差的缺点。不饱和聚酯树脂作为一种热固性树脂，有着良好的力学性能、耐化学腐蚀性能。本文制备了不饱和聚酯乳液，研究了不饱和树脂乳液对水泥基材料水化性能、力学性能和耐久性的影响，研究工作对于制备性能优良的聚合物改性水泥基材料具有指导价值。

本文采用阴离子乳化剂十二烷基苯磺酸钠、非离子乳化剂OP-10两种不同类型的乳化剂制备了不饱和聚酯乳液，研究了不同类型及掺量的不饱和聚酯乳液对水泥基材料的水化进程、化学结合水、孔隙率以及力学强度、耐热性以及抗冻融性能的影响。主要研究结论如下：

（1）阴离子与非离子乳化剂制备的不饱和聚酯树脂乳液都能用于水泥基材料改性，阴离子乳化剂制备的不饱和聚酯乳液稳定性较好，非离子乳化剂制备的乳液与水泥的相容效果较好。

（2）不饱和聚酯乳液延长了水泥净浆的初凝以及终凝时间，延缓了水泥的早期（3d内）水化进程，与乳液掺入量呈正相关，但对后期（28d后）水化程度影响不大。

（3）不饱和聚酯乳液能增强水泥砂浆抗折性能，随着乳液掺量的增加，改性砂浆的孔隙率降低，抗折强度增加,当掺量为3%时,达到最大值。

（4）不饱和聚酯乳液改性水泥砂浆比普通水泥砂浆有更好的耐热性以及抗冻融性，随着乳液掺量的增加，改性砂浆的质量损失、强度损失都减少。

关键词：不饱和聚酯乳液；聚合物改性水泥基材料；水化程度；力学强度；耐久性

Abstract

Compared with the cement concrete, polymer modified cement based material has better flexural strength and corrosion-resistance. Unsaturated polyester resin (UPR) is a kind of thermosetting resin, which has plenty of strong properties, such as great mechanical property and processability. We look forward to get a kind of cement-based material with high durability and flexural strength by using UP latex modified cement.

This paper used sodium dodecyl benzene sulfonate (SOBS, anionic emulsifier) and OP-10 (non-ionic emulsifier) to prepare two types of UP latex. UP cement was prepared with various UP latex content and then tested for penetration, chemically combined water, porosity, mechanical strength, heat and freeze-shaw resistance.

The results proved that two different types of UP latex both can be used to prepared modified cement material, in which, anionic UP latex had better stability and non-ionic UP latex cement’s mixing effect was better. The initial and final setting time of the cement paste can be increased by raising the UP content. The early (3d) hydration of the cement was delayed by raising the UP content, however, the later (28) hydration was not affected.

As for the cement mortar, the porosity can be decreased by raising the UP content. The flexural strength of the mortar increased with the increase of the UP content and reached maximum at UP content of 3%. The heat and freeze-shaw resistance of the mortar increased with the increase of the UP content, along with the decrease of the quality and strength loss.

Key words: Unsaturated polyester emulsion; polymer modified cement based material; hydration; mechanical strength; durability

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1 聚合物改性水泥基材料概述 1

1.2 聚合物改性水泥基材料的基本性能 2

1.2.1 水化反应 2

1.2.2改性机理 2

1.2.3 孔隙率 2

1.2.4 力学强度 3

1.2.5 耐久性 3

1.3 不饱和聚酯乳液改性水泥基材料 3

1.3.1 不饱和聚酯树脂 3

1.3.2 不饱和聚酯乳液 3

1.3.3 不饱和聚酯乳液改性水泥 4

1.4 研究目的及意义 4

1.5 研究主要内容 5

第2章实验部分 7

2.1 实验原料 7

2.2 实验设备及仪器 7

2.3 实验过程 8

2.3.1 不饱和聚酯乳液的制备 8

2.3.2 不饱和聚酯乳液改性水泥净浆的制备 8

2.3.3 不饱和聚酯乳液改性水泥砂浆的制备 8

2.4 性能测试 9

2.4.1 针入度测试 9

2.4.2 化学结合水测试 10

2.4.3 孔隙率测试 10

2.4.4 力学强度测试 11

2.4.5 耐久性测试 11

第3章结果与讨论 13

3.1 不饱和聚酯乳液对水泥基材料凝结时间的影响 13

3.2 不饱和聚酯乳液对水泥基材料水化程度的影响 14

3.3 不饱和聚酯乳液对水泥基材料孔隙率的影响 15

3.4 不饱和聚酯乳液对水泥基材料力学强度的影响 16

3.5 不饱和聚酯乳液对水泥基材料耐久性能的影响 17

3.5.1 耐热性 17

3.5.2 抗冻融性 20

第4章结论 23

参考文献 24

致谢 26

第1章 绪论

1.1 聚合物改性水泥基材料概述

水泥混凝土材料易于加工，有着良好的抗压性能以及耐久性，而且原料丰富，价格低廉，是建筑行业不可或缺的工程材料。然而，传统的水泥材料也存在一些缺陷，其本身的抗弯拉强度低、韧性低且服役过程中易受到酸和盐的侵蚀，这些因素会影响水泥混凝土材料的使用性能和寿命。随着社会的发展以及科技的进步，人们的生活质量不断提高，对居住条件、道路材料等有了更高的要求，因此，改善普通水泥性能的研究受到了广泛的关注。

在水泥混凝土材料中添加少量的聚合物制备的聚合物改性水泥基材料（PMC），在材料的诸多性能方面有了显著的提高，成为改善传统水泥性能的一大研究热点。将聚合物加入混凝土材料中，聚合物粒子可以填充体系的孔洞，成为解决普通水泥混凝土材料抗渗性的一种有效途径，同时改善了传统水泥的保水性、抗冻融能力以及力学强度等性能。研究表明，聚合物改性水泥基材料有着良好的力学性能以及耐久性，其抗折强度是普通水泥的两倍，而收缩率仅为原来的40%，抗渗性、抗冻融以及耐酸耐盐能力等也都有所提高^[1]。用于传统水泥基材料改性的聚合物可以分为水性聚合物、可分散的聚合物粉料、聚合物乳液或分散体以及液体聚合物四类^[2]。与前者相比，有机液体更易形成均一的空间分布，也就是说，加入较少的比例就可以达到相同的改性效果。其中，有机液体可以是甲基纤维素、聚乙烯醇等溶液，也可以是环氧树脂、不饱和聚酯树脂等树脂。

对改性水泥基材料的研究最早可以追溯到上世纪20年代，在50年代，尤其是70年代后，国内外涌现了大批的研究成果^[3]。1923年，英国科学家Creson创造性地使用天然胶乳改性道路材料，由此申请获得了第一个相关专利，拉开了聚合物改性水泥基材料研究的帷幕。30~40年代，合成材料逐渐引起了科学家的研究关注，1939年，Rodwell申请了合成树脂改性传统水泥的专利。70年代开始，聚合物改性水泥基材料的相关研究发展迅速，多种不同形态的聚合物被关注研究，任保营^[4]研究发现，丙烯酸乳液和丙苯乳液可以改善水泥的韧性，使得水泥浆体中未水化的Ca(OH)₂等物质增多，与传统水泥相比，其浆体内部的结构更为密实。西晓林等人^[5]发现，聚乙烯醇由于自身的表面活性以及带有的-OH等反应性官能团，使得聚乙烯醇胶团不断交联失水，水泥颗粒不断硬化水化，改善了体系的韧性以及强度。同时，改性机理的研究也日益深入。刘希凤等人发现，聚合物改性水泥水化产物的周围被薄膜围绕，不饱和聚酯在水化相中互相穿插，有截断裂纹生长能力的作用，提高了水泥的抗折、抗冲击强度。S.Chandre等人也发现，改性砂浆水化产物中的Ca(OH)₂与聚合物反应，形成有机交联络合物^[6]，改善了浆体的内部结构。到90年代，聚合物改性水泥基材料在建筑领域的应用已经受到了极大的重视，在美国，每年，改性水泥混凝土材料已经在超过100万平方米的桥面得到应用^[7]。