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1、福州大学硕士研究生论文开题报告论文题目聚合物改性磷酸钾镁水泥韧性机理研究姓名学号性别导师学科专业研究方向学院土木工程学院开题报告时间、地点导师审核意见导师签名：年月日审核小组意见（注：需对开题报告的总体情况进行评价，指出不足和建议，并明确是否同意开题报告通过。）审核小组成员签名：年月日学位点意见学位点负责人签名：年月日一、论文选题依据（包括本课题国内外研究现状述评，研究的理论与实际意义，对科技、经济和社会发展的作用等）1.1研究背景普通硅酸盐水泥作为人们最通用的建筑材料，现在全球年产量可达到2.8亿吨。然而100Okg水硬性水泥的生产会产生约900kg的二氧化碳，并消耗约10亿焦耳的电能和燃料
2、能。随着全球气候变暖和生态环境的不断恶化，人们也开始致力于研究和开发一种新型的环保型胶凝材料。在这种情况下，磷酸镁水泥以自身优异的性能逐渐受到人们的关注，尤其是在快速修补领域的应用。磷酸镁水泥（MagneSiUmphosphatecement,MPC）是由氧化镁与可溶性磷酸盐、缓凝剂按照一定比例，通过酸碱中和反应生成的以磷酸盐水化物为黏结相的新型无机胶凝材料，国外学者又将其命名为化学结合磷酸盐胶凝材料（ChemiCaHybondedphosphatecement,简称CBPC）。磷酸镁水泥在常温下发生化学反应，随后凝结硬化，整个形成过程与普通硅酸盐水泥类似，而最终的硬化体又具有陶瓷制品的特性。
3、目前，磷酸盐水泥经过多年的发展，基本上形成磷酸铁镁水泥（MAPC）、磷酸钾镁水泥（MKPC）和磷硅酸盐水泥（MPSC）3大种类，其中以镂磷酸盐制备的磷酸镂镁水泥是研究最早且较成熟的一种水泥。磷酸镁水泥是一种新型气硬性胶凝材料，同时具有化学结合陶瓷的属性，具有一系列传统结构材料无以比拟的性能：（1）凝结硬化迅速，早期强度高，3h强度可达40MPa以上叫（2）与旧混凝土有相近的弹性模量和膨胀系数，体积相容性好，粘结强度高571；（3）作为修补材料使用，具有优异的耐磨性能，经5000转的磨损作用，磨蚀深度仅在0.3Omm左右，耐磨度高出普通硅酸盐水泥制品的2倍15，叫（4）对钢筋的防锈性能好，同等条
4、件下，钢筋的锈蚀率仅为普通硅酸盐水泥的22.8%和矿渣水泥的48.6%；（5）抗盐冻剥蚀性能好，40次冻融循环后才出现表面剥蚀现象；（6）耐热性能好，理论上至少可以经受1300；超过800时，硬化水泥石转为类似陶瓷的结构，强度反而提高；（7）可以有效胶结除聚合物以外的各种废弃物，掺量大，有利于环保，降低成本并提高磷酸镁水泥的性能；（8）镁质原料来源广泛，中国是世界上镁矿资源最丰富的国家，其菱镁矿资源总量31.45亿吨，还有探明储量在40亿吨以上的白云石矿，这些资源不但丰度高，还容易进行许多自然循环，这意味着磷酸镁水泥有着无穷无尽的镁质原料来源。力学性能同样优异的磷酸钾镁水泥（MKPC）因克服了
5、磷酸铁镁水泥（MAPC）水化反应和成型时会放出气味难闻的氨气的缺陷而逐渐引起人们的广泛关注。本课题所研究的水泥基体就是磷酸钾镁水泥。同时磷酸镁水泥也有一些问题亟待解决：（1）水化反应速度过快，尤其在高温条件下；（2）脆性大，抗冲击性能差；（3）作为气硬性胶凝材料，磷酸镁水泥基材料长期在潮湿环境或水中养护时，强度降低较多MUL耐水性较差；（4）磷酸镁水泥用作建筑材料时成本较高。尤其是作为气硬性胶凝材料，脆性大，抗冲击性能差，影响其耐久性。同时也会制约其工程应用。磷酸镁水泥因其快凝、早强、黏结性能好、干缩小、耐磨性和抗冻性良好等一系列区别于普通硅酸盐水泥的独特性能而得到人们的广泛研究和应用。目前.
6、,各国学者对磷酸镁水泥的应用研究主要涉及以下几个领域：（1）用作快速修补材料MPC用作路面修补材料3，不但凝结速度快、早期强度高、与旧混凝土之间的粘结性能好，而且施工方便、易于养护、耐磨性高，可以在温度较低的情况下施工，比较适合用于快速抢修道路路面。（2）固化有害及放射性核废料必MPC固化废料时可以在室温下进行，不需要热处理，不仅可以减少燃料费用，还避免了热处理中产生的有害气体对环境造成二次污染，同时得到的废料制品强度高，稳定性好，有害成分溶出的几率低，固化效果明显优于以往的玻璃化方法。（3）作为新型结合剂生产人造板材口&间MPC用作人造板材的结合剂，能显著降低能耗和减轻对环境的污染。同时，人
7、造板材的耐火性会更高，尺寸稳定性好，耐久性优异。MPC对人造板材的木质原料要求不高，可使用的原料范围较广。另外一个显著的特点是该水泥在室温下就可快速的凝结硬化，不像传统水泥或有机高聚物那样需要加热养护。(4)冻土地区及深层油井固化处理MPC材料具有在低温下施工的特性，因此可以用于冻土处理和加固。另外MPC基材料在深层油井固化方面也展现了优异的性能。ArgOnne和BroOkhaVen国家试验室通过模拟深层油井施工环境开发出了磷酸镁水泥井水泥。(5)金属防腐及喷涂材料应用利用MPC处理金属可在金属表面形成持久的钝化层而阻止金属锈蚀。像金和的一样，钝化层具有电化学稳定性，不会与水和氧气等腐蚀促进物
8、发生化学反应。采用MPC处理不锈钢，使其能在花费较少的情况下达到长期防腐的目的，而钝化层厚度只有20mMPC胶凝材料具有快凝、早强和良好的耐高温性能，美国的一些公司已经把MPC材料开发成喷涂混凝土，将其喷涂在硬质泡沫聚苯乙烯板或木材的表面形成墙体。聚合物-水泥基复合材料是指以水泥、集料(包括粗集料和细集料)为基体材料，以聚合物为增强材料,加水拌和硬化后而形成的材料,也可以说是利用水泥混凝土的制造方法和施工技术与高分子材料有效结合而产生的一种新型材料。聚合物可以明显提高水泥的抗折强度，显著降低水泥砂浆的压折比，提高水泥基材料的韧性，目前已被广泛应用。聚合物改性镁水泥砂浆是以聚合物作为菱镁改性剂的
9、镁水泥砂浆。采用聚合物与镁水泥制成的水泥基复合材料。黄煜镇侬研究了聚合物对磷酸铉镁水泥的工作性能和力学性能的影响。杨永、曹永敏等研究了聚合物对氯氧镁水泥的性能的影响。那么关于聚合物对磷酸镁水泥的韧性的影响？其作用机理是怎么样的呢？这需要我们进行研究。1.2国内外研究现状磷酸镁水泥(MagneSiUmphosphatecement,MPC：国外又称ChemiCaHybondedphosphateCeramiCSCBPCS)是一种新型无机胶凝材料，兼具水泥和陶瓷的优点。MPC具有早强、快凝、高粘结、干缩小、耐热、耐磨和抗冻等优点，可用于工程快速修补，冻土处理及有害、放射性物质的处理和固化睁2,此外
10、，MPC生物安全性和相容性好、可降解因阿，已被广泛应用于国内外的医学(骨、牙粘结)研究血中。在20世纪70年代。Roy等就开始研究磷酸盐胶结材料的应用。随即，美国BrOokhaVen实验室进行了研究。SUgama等对MPC的水化、缓凝机理、显微结构开展研究。Wagh阂提出了采用KH2PO4代替(NH4)2HPO4制备磷酸镁钾水泥(MKPC),前者在生产过程中会产生氨气。研究证实)，MKPC具有与MPC同样优越的性能。据此，有的文献的中将两者均称为MPC。MPC主要有重烧MgO粉末、磷酸盐、外加剂掺合料加水制备。磷酸盐的类型主要有(NH4)2HPo4、KH2PO4K2HPO4o外加剂以缓凝剂为主
11、，如硼砂。掺合料包括粉煤灰、硅灰、水玻璃、乳胶粉、各种纤维、放射性物质等。Yang、杨全兵的、杨建明胸等研究结果表明氧化镁颗粒粒径越小，比表面积越大，导致MPC净浆的固化速率越快。氧化镁细度还会对MPC浆体的强度产生一定的影响。Yangct11姜洪义由M等通过试验指出增加MgO细度，对磷酸镁水泥的早期强度有利，对其后期强度影响不大。Soudee和Peram川指出，经高温燃烧后，氧化镁的活性会降低，原因是氧化镁颗粒表面发生重组，比表面积减小，缺陷减少，从而氧化镁的活性降低；而氧化镁经粉磨后，比表面积增加，从而活性会得到提高。常远等经过试验发现,MKPC浆体的凝结时间和流动性是由30m以下的MgO
12、颗粒控制的，MgO的细度对MKPC浆体的早期强度没有明显影响，但其后期强度主要由3060m范围内的MgO颗粒所控制。李鹏晓网，姜洪义等关于P/M对磷酸镁水泥强度和凝结时间的影响进行了研究。杨建明M等研究了不同P/M(质量比)作用下MKPC浆体的性能，结果表明，MgO相对于磷酸盐应是过量的，多余的Mgo充当体系的骨架或堆积料可提高硬化体的抗压强度，但二者之间要满足一定的比例要求杨建明M等人研究结果表明，硼砂在MKPC浆体中主要是通过在MgO表面形成保护膜、降低水化反应时浆体的温度和调节PH值等综合作用来减慢水化反应速度。HaII同、雒亚莉阿、吉飞等人研究结果表明，不同种类的缓凝剂对MPC的作用机
13、制和缓凝效果不同杨建明等用硼砂、十二水合磷酸氢二钠和无机盐自制成复合缓凝剂，通过降低MKPC浆体水化时的水化温度、调节水化体系的PH值等多重作用，明显延长了MKPC的凝结时间。汪宏涛等研究结果表明，在一定的掺量范围内，MPC浆体的早期强度会随着硼砂掺量的增加而迅速降低，后期强度变化较小，但是硼砂掺量过大(15%)时，试件成型时会出现泌水分层现象，导致强度过低。李春梅网等研究结果表明掺合料的添加延缓了MKPC浆体的凝结时间，磷渣粉有优越的缓凝特性，不影响力学性能的情况下提高浆体的工作性能。掺有粉煤灰、矿渣粉和磷渣粉的水泥浆体都有非常好的流动性，但是硅灰对浆体的流动性有着不利的影响。粉煤灰20%、
14、矿渣粉20%和磷渣粉30%掺量范围内，水泥石的后期抗压强度都有一定程度提高，但是抗折强度却呈下降趋势；硅灰的最大掺呈较低(10%),但是硅灰的掺入对抗折和抗压强度都有提高。林玮等研究表明在磷酸镁水泥体系中，粉煤灰除存在着活性效应，微集料效应和形态效应外，还存在着对磷酸根离子的吸附效应，吸附效应延缓的磷酸镁水泥的凝结时间。侯磊画等研究表明矿渣参与了水化反应并提高了MPC的胶凝性能,随着矿渣掺量的增加，MPC的抗压强度提高,但矿渣水化产生的膨胀应力会破坏MPC的内部结构,因此其抗折强度随矿渣掺量增大而降低，矿渣MPC的主要水化产物为六水合磷酸镁锭(MgNH4P046H2O),矿渣的掺入使凝胶相增加
15、，并有部分Ca”进入MgNH4Pd6H2O晶格,使水化产物的形貌、大小发生变化。样品中剩余较多死烧镁和矿渣颗粒,可起骨料作用。有学者对纤维改性的磷酸镁水泥性能进行研究，研究结果表明纤维可增强其韧性和抗冲击性能.。目前以MPC为基体的纤维增强复合材料的研究成果有：掺适量钢纤维可有效改善MPC基材料的韧性并保持好的耐久性向；与硅酸盐水泥基材料比较，MPC基材料与纤维有更好的粘接强度和相容性；由玻璃纤维、聚丙烯纤维和钢纤维增强的MPC基复合材料的力学性能和耐久性均优于硅酸盐水泥复合材料；掺适量的聚丙烯纤维或钢纤维可使MPC基砂浆表现出应变硬化特性和较高的弯曲韧性，且在湿热环境下仍保持较好的稳定性。M
16、PC硬化体的PH值小于10,对玻璃纤维不存在腐蚀现象胸。混杂纤维增强磷酸镁水泥复合材料在钢筋混凝土结构加固领域将会有较好的研究与应用前景网。黄煜镇M等研究了聚合物乳液对磷酸镂镁水泥性能的影响，结果表明：聚合物乳液的物理性质粘度与改性磷酸镁水泥的密度、流动性及凝结时间有较紧密联系；而聚合物乳液的化学性质PH值则可能是影响改性磷酸镁水泥力学性质的重要因素；合适的聚合物乳液在适宜掺量下能对改性磷酸镁水泥的抗压强度产生较小影响,提高材料的抗折强度与粘结强度,并显著增大断裂能；掺加聚合物乳液不改变磷酸镁水泥的水化产物类型,但显著影响水化产物的形貌与结构的密实程度。其虽然提出聚丙烯酸酯乳液和EvA乳液能够
17、提高磷酸镂镁水泥的断裂能，对微观结构有影响，但是关于聚合物对磷酸镂镁水泥的韧性的影响机理并没有解释清晰。杨永,曹永敏等研究了聚合物对氯氧镁水泥性能的影响，研究表明聚合物对氯氧镁水泥透水性、耐水性、吸水率与抗卤性能均有明显提高，抗压强度有轻微下降，抗折强度有的提高有的下降。李学梅碇等研究表明EVA作为添加剂加入氯氧镁水泥中能明显改善纤维增强氯氧镁水泥的界面粘结性能；而用EVA作表面处理剂处理纤维对界面粘结性能没有明显的影响。1.3聚合物改性磷酸钾镁水泥韧性机理研究选题的意义和作用目前学者研究的主要是聚合物对磷酸镂镁水泥及氯氧镁水泥的工作性能和力学性能影响，但对于聚合物对镁水泥性能的影响机理研究并
18、不全面系统，且少有学者研究聚合物改性磷酸镁水泥的韧性。与磷酸钺镁水泥相比，磷酸钾镁水泥具有与其同样优越的力学性能且不会释放出氨气，较磷酸钺镁水泥更为环保。本课题以环保为前提，用磷酸钾镁水泥作为基底材料，主要研究的是聚合物对磷酸钾镁水泥的韧性的影响，并且通过XRD、孔结构、SEM.NMR等微观试验测得聚合物改性磷酸钾镁水泥的晶体产物、总孔体积、孔径分布、孔隙率、内部产物形状、孔隙结构及分子结构，并分析其韧性机理，为后面学者进行聚合物改性磷酸钾镁水泥的研究提供理论依据，使磷酸钾镁水泥工程应用更为广泛。二、论文的研究内容、研究目标，以及拟解决的关键问题（包括具体研究与开发的主要内容、目标和要重点解决
19、的关键技术问题）2.1论文的研究内容、研究目标研究目标：1、通过变换磷酸钾镁水泥基本组分（水灰比、磷镁比、缓凝剂），聚合物种类和掺量，探究出韧性较高的聚合物改性磷酸钾镁水泥的配方；2、采用折压比、极限拉应变、弯曲强度、断裂韧性指数指标，探究不同种类的聚合物和掺量对聚合物改性磷酸钾镁水泥韧性的影响规律。研究内容：1、聚合物种类和掺量对聚合物改性磷酸钾镁水泥韧性的影响规律根据正交试验配方，进行抗压试验、抗折试验、单轴拉伸试验、四点弯曲试验，研究聚合物种类和掺量对聚合物改性磷酸钾镁水泥的折压比、极限拉应变、弯曲强度、断裂韧度系数的影响规律。2、研究不同聚合物对聚合物改性磷酸钾镁水泥的内部微观结构的影
20、响规律通过XRD、孔结构分析、SEM.NMR等微观试验手段，研究不同聚合物对聚合物改性磷酸钾镁水泥的晶体产物、总孔体积、孔径分布、孔隙率、内部产物形状、孔隙结构及分子结构的影响。2.2拟解决的关键问题1、具有较高韧性的聚合物改性磷酸钾镁水泥配方的确定；2、探究聚合物种类和掺量对聚合物改性磷酸钾镁水泥性能的影响规律，并通过晶体组成、孔结构、微观形貌解释其影响机理。三、拟采取的研究方案及可行性分析（包括研究的基本思路，研究过程拟采用的方法和手段，现有研究条件和基础，研究开发方案和技术路线等）3.1拟采取的研究方案基本思路：1、结合国内外现有的文献，确定聚合物改性磷酸钾镁水泥的控制变量及韧性评定指标
21、。本课题拟采取的变量为：水灰比、磷镁比、缓凝剂类型及掺量、聚合物种类（聚乙烯醇粉末、聚丙烯酰胺粉末、EVA乳液）、聚合物掺量；韧性指标：折压比、极限拉应变、弯曲强度、弯曲韧性系数；2、通过正交试验，变换磷酸钾镁水泥的基本组分（水灰比、磷镁比、缓凝剂类型及掺量）,得到工作性能（流动性、凝结时间）和基本力学性能（抗压强度、抗折强度）相对优越的磷酸钾镁水泥基本配方；3、通过正交试验，变换聚合物种类和掺量，进行抗压试验、抗折试验、单轴拉伸试验、四点弯曲试验得到不同组分聚合物改性磷酸钾镁水泥的折压比、极限拉应变、弯曲强度和弯曲韧性系数。4、后正交试验测得数据，探究聚合物种类和掺量对聚合物改性磷酸钾镁水泥
22、的折压比、极限拉应变、弯曲强度和弯曲韧性系数的影响规律，并得到韧性较好的聚合物改性磷酸钾镁水泥配方。5、对韧性较好的聚合物改性磷酸钾镁水泥的配方，进行XRD、孔结构、SEMNMR试验，观察聚合物改性磷酸钾镁水泥的晶体产物、总孔体积、孔径分布、孔隙率、内部产物形状、孔隙结构及分子结构。6、通过晶体产物、总孔体积、孔径分布、孔隙率、内部产物形状、孔隙结构及分子结构，进行机理分析，分析聚合物对磷酸钾镁水泥的韧性影响机理。7、具体的技术路线图如图1：图1技术路线图拟采用的方法和手段：(I)参照GB/T17671-1999水泥胶砂强度检验方法测得磷酸钾镁水泥的抗折强度和抗压强度。(2)聚合物改性磷酸钾镁
23、水泥凝结时间的测定,参考普通硅酸盐水泥测定方法,按照GB/T1346-2001水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法网中相关规定进行。由于磷酸盐水泥水化硬化较迅速,而且其初凝时间和终凝时间间隔较短,试验只测定聚合物改性磷酸钾镁水泥初凝时间，使用维卡仪测定,从加水搅拌时开始计时，搅拌时间控制在3min之内，自搅拌完成每隔30s测试一次,临近初凝时,每隔15s测试一次。(3)聚合物改性MPC净浆流动度的测定,参考GB/T8077-2000混凝土外加剂匀质性试验方法进行测定，以净浆在平板上自由流动30s后扩展面相互垂直的两方向最大直径平均值作为水泥净浆的流动度。(4)采用单轴拉伸试验得到聚合物
24、改性磷酸钾镁水泥的受到轴向拉力时的应力应变曲线，从应力应变曲线中读出极限拉应变；通过四点弯曲试验得到聚合物改性磷酸钾镁水泥的应力挠度曲线，通过计算得到弯曲强度和弯曲韧度系数。各项指标计算方法简介：A.抗折强度试验采用北京中科路建仪器设备有限公司生产的DYE-2000型电液式压力试验机，其精度等级为I级，最大荷载为2000kNo在本试验中，抗折试验采用40mm40mm160mm的长方体试件，试件成型2-3小时后拆模，然后置于自然养护室中养护至规定龄期后进行试验。根据水泥胶砂强度检验方法(GB/T17671-1999)网可知，抗折强度采用公式(3-1)进行计算：(3-1).5FfLbh2其中，4为
25、抗折强度，MPGR为折断时施加在长方体试件中部的荷载，N；L为两支座间的距离，mm；b为长方体试件的宽度，mm力为长方体试件的高度，相机。B,抗压强度试验采用北京中科路建仪器设备有限公司生产的DYE-20型电液式压力试验机，其精度等级为I级，最大荷载为2000kN.在本试验中，抗压试验采用抗折试验结束后的断裂试件进行测试。抗压强度采用公式(32)进行计算：力=2(3-2)cA_其中，A为抗压强度，MPa；入为施加于断裂试件中部的最大荷载，MA为断裂试件受压面积，mm2oC.四点弯曲试验试验采用试件尺寸为15mm100mm400nm的薄板。四点弯曲各试件的弯曲强度按照弯拉强度按照式(3-3)进行
26、计算Jbh2式中：Jf一弯拉强度，MPa；EMr试件破坏时的最大荷载，M/一两支座间距离，b试件截面宽度，mm,h试件截面高度，mmo采用JSCE-SF4丽弯曲韧度因子法对聚合物改性磷酸钾镁水泥的弯曲韧性进行评价，其计算公式见式（3-4）Tbl=；bhtb（3-4）式中：3水泥基材料的弯曲韧度系数（韧度因子），MPax苏,一给定挠度值，本试验中为/。0；挠度为儿时，荷载挠度曲线下的面积，Nmm;I试件跨度，mmb一试件宽度，mm一试件高度，mmD.单轴拉伸试验试验采用试件尺寸为14mmx30mmx200mm的薄板，在对各试件进行单轴直接拉伸试验前2天需将各试件从养护室内取出，室温下晾干后，对其
27、表面进行预处理，具体实施步骤如下：（1）试件表面打磨平整；（2）用酒精擦去表面残留物；（3）在试件两端各65mm范围内使用宽度为30mm的碳纤维布加固，使用环氧树脂粘贴;（4）碳纤维布表面再使用长度为50mm、宽度为30mm、厚度约为0.8mm的铝片加固，仍使用环氧树脂粘贴；（5）为了粘结牢固，室温下养护48小时；完成以上工作后，试件即可用于单轴直接拉伸试验。抗拉强度采用公式（35）进行计算：=（3-5）4其中，为抗拉强度，MPa；Ft为施加于试件上的直接拉伸荷载，N；At为直接拉伸试件的截面积，mm2o3.2可行性分析（1）熟练掌握正交试验方法并能对试验结果进行正确分析；（3）试验所用仪器：
28、水泥净浆搅拌机、压力机、SEM,孔结构分析仪、万能试验机等都已到位；（4）对于试验所用到的仪器在预实验时都已经使用过，不存在操作上的问题，对于材料性能试验，课题组长期以来都在做这方面的研究，所以可以对试验结果进行正确分析；（5）课题组和福建同利建材科技有限公司形成良好的合作机制，配备了完善的试验设备和场所；（6）从文献中得到结论聚合物对磷酸铉镁水泥断裂能有一定得影响。故本课题研究聚合物对磷酸钾镁水泥韧性的影响是可行的。从目前所做试验分析，通过掺入聚乙烯醵粉末和聚丙烯酰胺粉末探究聚合物粉末对磷酸钾镁水泥的性能影响，得到初步结论，这两种聚合物单掺时，使得磷酸钾镁水泥的折压比有一定得提高，如图2为水
29、灰比和聚合物掺量改变时，聚乙烯醇对磷酸钾镁水泥的折压比的影响。四、本课题的特色与创新之处创新点：(1)采用磷酸钾镁水泥，研究不同聚合物对磷酸钾镁水泥的韧性的影响。(2)通过XRD、孔结构分析、SEMNMR等研究聚合物改性磷酸钾镁水泥的微观结构，并从微观结构分析聚合物对磷酸钾镁水泥韧性的影响机理。特色：对聚,物改性磷酸钾镁水泥的韧性进行系统的研究。五、参考文献1 FinchT,SharpJH.Chemicalreactionsbetweenmagnesiaandaluminiumorthophosphatetoformmagnesia-phosphatecementsJ.Joumalofmate
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