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改性EPS混凝土界面性能试验及分子动力学模拟研究认领

被引量： 1

作者：

秦大静

学位授予单位：

河南工业大学

摘要：

EPS（Expanded polystyrene,聚苯乙烯泡沫）混凝土具有优良的保温性、耐久性和防火性等,是一种有机-无机复合建筑混凝土材料,在固废建材化领域有广泛的工程应用前景。EPS混凝土内部具有许多对整体力学性能的发挥起着决定性的作用的EPS颗粒与水泥基粘结界面。尽管已有学者对复杂多变的界面问题做了大量研究,但大多都局限于现象学的工程方法,而忽略了分子结构中潜在的相互作用机制,在一定程度上限制了EPS复合混凝土材料性能的提升。本文依托于河南省属高校基本科研业务费专项资金项目（2020ZKCJ21）和郑州市科技局自然科学项目（21ZZXTCX09）。采用EVA（Ethylene vinyl acetate,乙烯-醋酸乙烯酯）乳液对EPS颗粒表面进行改性处理后制备EPS混凝土试块。假设EVA在界面处充当EPS颗粒与水泥基两相粘结的桥梁,并且可改善界面粘结性能和整体复合材料的机械强度。在宏观尺度调控的指导下,测试了EVA改性前后EPS混凝土的力学性能。在微观层次,采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射技术（XRD）和傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）现代测试技术着重表征了EVA改性前后EPS/水泥基界面的结构与形貌。在纳米尺度,运用分子动力学模拟方法将EPS、集料和水化硅酸钙（C-S-H）分子结构引入EPS混凝土研究中,探讨了EVA改性剂对EPS/C-S-H和集料/C-S-H界面黏附机理的影响。虽然在EVA的化学改性作用下EPS混凝土的抗压和抗折强度得到了改善,但其延性却并未得到显著提高。因此,为增强EPS混凝土的延性采用了另一种化学改性剂——硅烷偶联剂（SCA）以及物理改性材料——聚乙烯醇（PVA）纤维协同对EPS混凝土进行改性,采取了多尺度的研究方法以探究SCA和PVA纤维对EPS混凝土的协同增强作用。主要结论如下:（1）通过对EVA改性前后EPS混凝土的力学性能进行测试,并通过一系列微观试验对有无EVA的EPS/水泥基界面微观形貌特征进行对比和分析,初步揭示了EPS颗粒与水泥基体间粘结力的形成机制。结果表明,EVA显著提高了EPS混凝土抗压强度和抗折强度,改善了EPS颗粒表面处利于界面水化产物产生的亲水特性。此外,在含有EVA的界面过渡区存在表明界面发生化学反应的酯基和羧基,以及分别随着EVA增加逐渐增加的C-S-H凝胶和逐渐减少的Ca（OH）2。验证了EVA对弱界面缝隙的填充作用、提高界面过渡区组织致密度以及增强整体力学性能的作用。（2）基于分子动力学方法,构建了有无EVA的EPS/C-S-H、Si O2/C-S-H和Ca O/C-S-H的6种界面模型,并对界面静态结构、动态特征和黏附机制进行了分子尺度模拟。结果表明,EVA可以分别与C-S-H中的水分子和Ca产生稳定的氢键作用以及离子键作用,有效地桥接EPS高分子材料和无机C-S-H底物并提高所在界面结合强度。此外,EVA对Si O2/C-S-H界面黏附性的影响较小,但EVA链在Ca O/C-S-H界面处极易吸附在C-S-H表面,阻碍了C-S-H和Ca O集料中Ca离子的交换以及新水化产物的形成,从而减弱了Ca O/C-S-H的界面粘结作用。（3）基于单独使用EVA改性剂对EPS混凝土的延性增加不显著,采用了SCA偶联剂和PVA纤维协同改善EPS混凝土弱延性性能的方法,并针对有无EVA的EPS/C-S-H和PVA/C-S-H界面微观形貌特征进行分析。结果表明,三种混凝土的力学强度顺序为EPS/PVA/SCA>EPS/PVA>EPS,以及SCA改性剂和PVA纤维对EPS混凝土具有抗裂作用和增韧作用。此外,SCA改性聚合物膜可以作为有机材料（PVA纤维和EPS颗粒）与水泥基粘结相互作用的桥接韧带,对减少有机材料与无机材料之间的模量差异和提高混凝土整体延性性能具有重要作用。（4）基于分子动力学方法,构建了有无SCA的EPS/C-S-H、PVA/C-S-H的4种界面模型,并针对界面静态结构、动态特征和黏附机制进行了分子尺度模拟。结果表明,SCA可增加界面亲水性、减小界面效应和增强界面氢键作用。此外,Ca与H稳定的相互作用可以使PVA/SCA/C-S-H和EPS/SCA/C-S-H具有较为稳定的界面体系。进一步揭示了SCA增加有机/无机界面吸附能和提高界面黏结质量内在机理,并验证了SCA提高界面黏结质量的假设。

摘要译文

关键词：

EVA乳液; EPS混凝土; SCA偶联剂; PVA纤维; 界面性能; 分子动力学模拟

学位年度：

2023

学位类型：

硕士

学科专业：

土木水利（专业学位）

导师：

闫亚召

中图分类号：

TU528[混凝土及混凝土制品]

学科分类号：

080501[材料学];081303[建筑技术科学];081408[土木工程材料]

D O I：

10.27791/d.cnki.ghegy.2023.000322