中国外应力研究现状论文

材料专业毕业论文开题报告

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论文题目： 高聚物对水泥抗蚀性能的影响

1、国内外研究现状、水平及存在的问题：

随着建筑科技的进步与发展，一种新型化学建材正悄悄的却又以飞快的速度在中国建筑界得到应用和发展，这就是聚合物水泥基复合材料。聚合物水泥基复合材料通常按其化学构成大致分为两类，一类是以聚合物为基、水泥作为填充料组合成的，最常见的如目前大量应用于工程防水的“聚合物水泥防水涂料”;另一类是以水泥为基，以聚合物单体或数种聚合物对水泥进行改性而组合成的材料，如各种聚合物水泥混凝土及各种聚合物水泥砂浆等[1]。原则上讲，聚合物水泥是聚合物改性水泥，它保持了水泥水化物的一系列优点，并用聚合物的优点弥补了水泥制品的不足。因此，聚合物水泥显示出了较大的抗压、抗冲击、抗穿刺能力及耐磨性，优良的抗渗性、抗腐蚀性及抗老化性，适当的弹性模量，而不需要刻意追求高的断裂延伸率[2]。

1923 年克莱森(Cresson)首次申请了有关聚合物硬化水泥体系的专利。他把天然橡胶乳液作为填料加入道路路面建筑材料中。1924年，Lefebure申请了用天然橡胶乳液使水泥砂浆及水泥混凝土改性的专利，第一次提出了用聚合物对水泥砂浆及混凝土进行改性的概念。从此，拉开了混凝土中添加聚合物的历史性序幕。1932年，Band第一个提出了利用人造橡胶改性水泥砂浆及水泥混凝土，也获得了专利。20世纪40 年代，人们先后尝试了用合成聚合物乳胶改性，以及把聚乙烯乙酸酯也用于改性的方法。50年代，这一领域的研究与尝试开始受到各国材料界专家学者的重视，并获得了很多项研究成果，许多成果在工程上也都得到了广泛的应用。60-70年代， 人们开始研究用液态和固态的聚合物，诸如聚合物单体、树脂、聚合物乳胶粉等对水泥砂浆及水泥混凝土进行改性。80年代，各国都投入了大量的人力、物力、财力，对混凝土改性进行了研究，随着科研成果的不断出现，这一领域也得到了极大的推动，研究水平得到了极大的提升。美国是世界上聚合物水泥基复合材料研究开发的先行国家，最早于50年代就开始了对其进行实际应用的尝试。

由于我国在聚合物水泥基复合材料方面的研究起步比较晚，所以，至今还没有出台相关方面的行业标准与测试方法。多数学者认为聚合物水泥基材料的增强机理主要是由于剔除了粗骨料，降低了细集料的粒径，从而提高匀质性，使集料所得集配曲线为非连续性的;另外聚合物在水泥浆内部聚结成网络结构，起到了很好的阻裂增韧作用。近年来，人们逐渐开始从微观结构方面对聚合物改性水泥基材料进行研究，认为聚合物颗粒的分散和聚合物薄膜的形成是聚合物水泥改性的主要原因。研究认为聚合物从两方面影响了改性水泥浆的结构: (1)混合后一部分聚合物粒子吸附在水泥颗粒表面，形成薄膜;(2)另一部分聚合物分散在孔中的液相中，当自由水完全被水化和蒸发消耗掉后，聚合物在孔中形成薄膜[3]。此外，关于聚合物在改性水泥砂浆中的分布，目前还存在一些异议。 按照著名的Ohama[4] 模型，聚合物均匀分散在水相中，随着水泥水化，水分减少，聚合物逐渐凝聚成膜，因而聚合物主要存在于改性砂浆的孔隙中。 Su[5] 等对新拌改性水泥浆水相成分的分析表明，在拌合开始就有相当多的聚合物被吸附在水泥颗粒表面，他们还发现，拌合初期被吸附在水泥颗粒表面的聚合物的量与聚合物乳液种类和乳液掺量有关。 通过含氯聚合物改性砂浆的EDAX 分析表明，在聚合物改性砂浆中，水泥浆体与骨料之间的界面上聚合物的含量较高。 Ollit rault-Fichet 等的研究也说明，聚合物颗粒最初会被水泥颗粒吸附，并最终被包埋在水化水泥的颗粒之中[6]。

在实际工程中，硅酸盐水泥易在酸和酸盐溶液中遭受侵蚀是因为：(1)硅酸盐水泥中含有大量的氢氧化钙及高碱性的水化C-S-H 凝胶、水化铝酸钙等水化产物，酸溶液中的H+与Ca(OH)2发生中和反应，使水泥石碱度急剧降低，进而造成高碱性水化硅酸钙和水化硫铝酸钙等水化产物分解，转变成低碱性水化产物，最后变成无胶结能力的SiO2·nH2O 及Al(OH)3等;(2)硫酸盐溶液中的硫酸根能和水泥石中的Ca(OH)2及水化铝酸钙等[7]发生化学反应，生成有膨胀性的石膏和钙矾石晶体，当这些结晶体在水泥石毛细孔隙中逐渐积累和长大，产生孔内应力，当应力大于临界破坏应力时，造成水泥试样破坏。由于水泥石本身也不密实，有很多毛细孔通道，使砂浆产生渗透性，使得水泥的使用性能下降。同时，侵蚀性介质容易进入其内部，以致由其配制的砂浆易受到腐蚀，导致水泥材料的耐久性下降。普通水泥砂浆不饱满、不密实，不能有效地形成具有防水抗渗作用的整体不透水层。它也存在抗压强度低、耐腐蚀能力不高等缺陷，其使用范围也受到了很大的局限。

而聚合物改性水泥由于聚合物及活性成分的掺入，改善了聚合物水泥砂浆的物理、力学及耐久性能，扩大了其应用范围。对水泥性能的改善主要体现在如下几个方面：

(1) 活性作用 聚合物乳液中有表面活性剂，能够起减水作用。同时对水泥颗粒有分散作用，改善砂浆和易性，降低用水量，从而减少了水泥的毛细孔等有害孔，提高砂浆的密实度和抗渗透能力。

(2) 桥键作用 聚合物分子中的活性基因与水泥水化中游离的Ca2+、Al3 + 、Fe2 + 等离子进行交换， 形成特殊的桥键，在水泥颗粒周围发生物理、化学吸附，成连续相，具有高度均一性，降低了整体的弹性模量，改善了水泥浆物理的组织结构及内部应力状态，使得承受变形能力增加，产生微隙的可能性大大减少。即使产生微裂隙，由于聚合物的桥键作用，也可限制裂缝的发展。

(3) 充填作用 聚合物乳液迅速凝结，形成坚韧、致密的薄膜，填充于水泥颗粒之间，与水泥水化产物形成连续相填充了孔隙，隔断了与外界联系的通道[8]。从而阻止了腐蚀性介质进入水泥石内部，提高了抗腐蚀和抗渗能力。

孙炎[9]曾研究冷混合沥青混凝土，用于道路工程;聚合物改性砂浆用于钢筋混凝土结构的永久模板，结果证明它们都可以更好地防止氯离子渗透和更好地抗碳化作用，从而提高钢筋混凝土结构的耐久性，掺加有硬沥青的钢桥面也具有更高的抗腐蚀性能[10]。鉴于此我们可以通过在水泥中掺杂沥青和石腊，来改善水泥的内部结构并填充其内部孔隙，从而提高水泥的抗蚀性，解决水泥抗蚀性较差的问题。

2、选题的目的、意义：

在我国，尤其是西部地区的盐碱地、盐湖区以及地下水中普遍存在着硫酸盐对水泥混凝土的侵蚀。在某些特种工业设施中，还存在有硫酸和硫酸盐的混合腐蚀以及H2S、CO2腐蚀等。从一些实例中我们可以看出，破坏水泥混凝土的主要原因一般都不是机械应力， 而是多种腐蚀或者是自身内部发生化学反应。这就引起了人们对水泥混凝土的耐久性能的讨论。因此，研究水泥的抗腐蚀性能不仅对建筑材料具有至关重要的作用，而且会对提高各种工程建筑的耐久性能有重大的经济价值和使用价值。关于聚合物对水泥砂浆改性的主要途径是在其中加入能起到改性作用的聚合物。从前人的研究中可看到，聚合物水泥基复合材料都显著高于普通混凝土的`力学性能，比如抗折强度、抗压强度、粘结强度等都得到了极大的提高。与普通硅酸盐材料相比，聚合物水泥基复合材料有着自身的优势见表1。

表1 聚合物水泥基复合材料与普通混凝土的比较 性能

材料 普通混凝土 PCC

W/C

断裂 1 50~60

冲击 5 80

密度

抗拉强度 2~3

抗折强度 5~7 150~200

抗压强度 40~50 200~300

此外，聚合物水泥基复合材料还具有良好的耐化学腐蚀、抗渗性、低温下的抗裂性等。这就使得聚合物改性水泥基复合材料在一定范围内部分取代了钢铁、高分子材料(像MDF 水泥基复合材料制作的唱片、轮胎都是具体的实例)[11]。它能提高水泥石的抗腐蚀能力主要是因为聚合物的添加提高了提高水泥石的密实度。混凝土结构正常情况下可以存在至少30年，但如果存在源于生物的硫酸腐蚀不过短短几年就会被破坏掉[12]。修复或完全取代这种腐蚀结构越来越有必要，但这种修复代价昂贵一直不能满足社会。然而通过沥青或石蜡对水泥进行改性，可大大提高水泥的抗蚀性，这无疑会节约了资源，减少了不必要的浪费，为社会积累更多的财富。

3、实施方案及主要研究手段：

、实验方案

、原材料的准备;

(1) 沥青粉的研制

制得分别过200目和300目筛的沥青粉，并适量添加矿物掺合料来减小沥青粉的粒度。

(2) 石蜡粉的研制

通过在石蜡中添加矿物掺合料来粉磨石蜡，并制得掺有石蜡的粉末。

、正交实验

(1) 因素水平表

因素水平用量(V%) 粒度(目) 温度(℃)

1 2() 100 100

2 4() 200 120

3 6() 300 150

(2) 根据正交表L9(34)列出以下几组实验：

序号用量(V%)粒度(目) 温度(℃)

指标

腐蚀前 抗压强度

(MPa) 抗Na2SO4腐蚀强度 (MPa) 抗Na2CO3腐蚀强度(MPa)

1 2() 100 100 2

2()

200

120

6

3 2() 300 150 4 4() 100 120 5 4() 200 150 6 4() 300 100 7 6() 100 150 8 6() 200 100 9

6()

300

120

注：括号内为石蜡的用量

、以硅酸盐水泥为基体，按以上正交方案分别掺加沥青、石蜡成型,每种高聚物与水泥的复合分别作空白样，3天强度测试样，腐蚀样。分别测定抗压强度，抗硫酸盐及碳酸盐侵蚀的能力。

、在把水泥块放入腐蚀液中前和从腐蚀液中取出，分别称取其质量，查看其质量损失。

、每一个过程留样分别作物相分析和微观分析，进行腐蚀机理分析。

、通过各组实验试样的对比，确定聚合物在水泥中的最优抗蚀配比。

、研究手段

(1)用扫描电镜观察沥青、石蜡改性水泥的微观形貌，以及硫酸盐、碳酸盐腐蚀后的微观形貌。

(2)用X射线衍射仪分析沥青、石蜡改性水泥的物相组成。

(3)用压汞仪测试水泥试样的孔结构;

(4)利用粒度分析仪测试各添加物的粒径。

4、选题的创新之处：

目前已有许多聚合物乳液(如苯丙乳液、纯丙乳液、乙丙乳液等) 用于水泥砂浆的改性，而采用沥青和石腊这两种聚合物对水泥砂浆进行改性的研究却相对较少。实验利用沥青和石腊高分子的熔胀性，在水泥水化过程中，沥青和石腊受外界刺激产生一定的熔胀从而填充水泥石的内部孔隙，提高水泥的密实度，达到提高水泥抗蚀性的目的。

5、预期研究成果：

沥青、石蜡与水泥混合成型后，一部分沥青、石蜡颗粒填充在水泥孔隙里，另一部分沥青、石蜡颗粒在一定外界条件影响下分散在孔中的液相中，当自由水完全被水化和蒸发消耗掉后形成膜。这两方面共同作用大大提高了水泥的密实度并阻止了腐蚀液与水泥浆体的接触，从而使水泥的抗蚀性能得到改善。

参考文献：

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国家地震局地震地质大队

在现今地下构造和现代构造运动的情况下,一个地区里应力的方向与大小有变化,它的性质、特点和变化规律,总称地应力场特征[1]。地应力场的研究是一项基础性研究工作,具有重要意义。

本文着重讨论中国某地区近年来地应力场的总体趋势特征及其研究途径,目前尚属探索性质,不当之处欢迎批评指正。

一、主要构造体系

中国某地区主要有:东西向构造体系、某山字型构造体系东翼反射弧和新华夏构造体系(以下简称新华夏系),此外尚有华夏构造体系、旋卷构造、棋盘格式构造和北西向构造等[,3]2。地质构造复杂,断裂发育,A近地质时期以来,构造活动较为明显(图1)。

图1 主要断裂分布略图

本区新华夏系展布广、断裂多,A近地质时期以来活动显著,近年来地震分布与其断裂带展布一致,为该区主要发震构造。同样在我国东部新华夏系展布地区,近年来也多为主要发震构造,地震都是沿着其主要断裂带发生的。可见新华夏系不仅是本区现今活动显著的构造体系,也是我国东部现今活动的构造体系。

二、现今构造运动

主要根据地形变资料,研究现今活动的构造体系,确定现今构造运动,以便查明地块边界上外力作用的方式、方向,为模拟实验提供加力依据。

本区范围较小,纵观其外围广大地区,现今活动的构造体系主要有:东西向构造体系、山字型构造体系、旋卷构造体系和新华夏系等,其中以新华夏系活动最普遍、最显著。而本区现今构造运动特征,与其外围广大地区基本一致。

(一)地形变图的编制和分析

本文根据1966～1970年、1968～1972年、1971～1974年的三张地形变图,以1966、1968、1971年施测成果为第一期;1970、1972、1974年复测成果为第二期,进行统一平差处理[]4。两期水准每公里2倍,总的中误差约±3mm。假定原点高程不变,分别推算二期高程,求出高程差,绘制地形变等值线,反映现今“褶曲”;根据断层微量位移观测成果,以及断层两侧路线水准推算的相对垂直断距,凡超过2倍总的中误差者,定为现今活动的断层。这样的地形变图实质就是现今的地质构造图,是研究现今构造运动的一种尝试。

根据上述编制的三张地形变图(图2),列表对比(表1),可以看出东西向构造体系和某山字型构造体系东翼反射弧,自1966～1970年至1968～1972年地面升降量减少,构造活动趋势减弱;新华夏系地面升降量逐渐增大,构造活动程度也逐渐增强,表明现今活动甚为显著。

图2 地形变略图

表1 现今活动的构造体系展布一览表

续表

(二)断层微量位移观测成果

本文选用1969～1974年本区近20个断层微量位移观测站的成果。跨断层水准测量,仅能测定两盘相对升降变化,跨距长20m左右者,中误差约±;跨距长600～1000m者,中误差约±。跨断层垂直和斜交的基线、水准测量,可以测定两盘相对水平扭动和垂直起落,跨距长24m或48m,中误差约±。判别断层的活动,根据水平扭动或垂直升降变化量,有一者大于2倍中误差来确定;若沿同一方向有趋势性累变,虽小于2倍中误差,也酌情考虑。

观测结果表明断层两盘相对运动有一定的规律,多数具有明显的年周期性变化。其运动轨迹线可分为:椭圆形、平行波状、“8”字形等三种类型(图3、图4、图5;表2)。各类均有明显的对称性,各拐点也与固定月份相对应,运动过程呈螺旋式发展。各年之间的趋势活动主要反映构造活动,但年周期性变化尚不能完全排除非构造因素的影响。

表2 断层现今周年运动趋势的类型

图3 东西向构造体系某处断层上盘运动矢量图(～)

图4 新华夏系某处断层上盘运动矢量图(～)

图5 山字型前弧西翼某处断层上盘运动矢量图(～)

考虑本区各断层年周期性运动特点,用不同年相同月份曲线的峰、谷对应相比,推算出各断层的位移,与南北向反时针扭动加力模拟实验中的裂面位移情况基本一致(图6)。得出北北东向断层反时针扭动、北东向断层顺时针扭动、东西向断层也顺时针扭动;新华夏系断层的相对垂直断距也都大于其他构造体系,显示断层活动的应力活动方式主要与新华夏系一致,并在本区地应力测量中得到证实。观测结果表明根据本区某中型山字型构造体系的前弧两翼断层呈对称反向扭动,说明该山字型现今也在活动。但也有个别测站观测结果与实验情况相反。

图6 模拟实验的断层位移图

上述资料说明本区现今活动的构造体系有东西向构造体系、山字型构造体系和新华夏系等,其中以新华夏系活动最普遍、最显著。显示地块现今自北往南作不均匀水平运动的同时,主要是作南北向反时针扭动,即西侧相对向南,东侧相对往北移动[]5。

三、现今区域地应力场

为了查明本区现今区域地应力场的轮廓,通过模拟实验了解主应力迹线、应力和能量的变化规律;并实地测量地应力,予以验证。有关岩石力学性质问题本文暂不叙述。

(一)模拟实验结果

本文所作实验为半定量性质,采用明胶网格法和光弹法两种[6,7],均用新华夏系应力活动方式加力,前者为南北向反时针扭动加力,后者暂用北60°西方向压缩。各模型内均计算近1000个点,编制了各种应力和能量相对等值线图(图7)。两种实验结果大体近似:

图7 模拟实验图

(1)最小主压应力迹线(即实验中的拉伸方向,相当地质构造中的压性结构面走向),总体呈北北东向展布。靠近北东向断层附近常偏转为北东向,例如在本区中部北东向断层发育地段,表现甚为明显。往北东向和北北东向断层端部常出现弯曲变化,例如光弹模拟实验中,该现象甚为普遍。明胶模拟实验中,在山字型构造和弧形断裂附近常出现各向同性点。

(2)最大剪切应力主要集中在特定的断裂交叉处,其次是在特定的断裂拐弯和端点部位。最大主应力、最小主应力和最大剪切应力的集中地点,彼此有的重合,有的并不一致。

(3)能量分布大都集中在特定的断裂交叉处,以本区东北部最显著,西南部次之,西北部多为零散的集中点。

(二)地应力测量结果

根据本区构造体系的展布和现今构造运动特征,进行模拟实验获得应力场轮廓,由于自然条件的复杂性,模拟实验的局限性,实验结果与实地情况不可能完全符合,只有实地测量地应力[8,9],才是查明地应力场的可靠途径。

1973～1974年我队和地质力学研究所协作,在本区五处中奥陶统厚层石灰岩中,实测地应力[10],测量时电感曲线规律稳定,各处测量结果与模拟实验结果基本对应一致(图7,图8)。

图8 地应力绝对值测量位置图

(1)1973年在本区东北部的某中型山字型前弧与北北东向断层交叉处,及远离交叉处的另一个地点测量地应力,测得最大主应力和最小主应力均为压缩,最大主压应力方向(即实验中的压缩方向,相当地质构造中的张性结构面走向)分别为:N75°W、N58°W,与实验结果相差不到10°;最大剪切应力分别为:和,与该交叉处最大剪切应力集中的实验结果也对应。

(2)1974年在本区西部三处,测得最大主应力和最小主应力也均为压缩,最大主压应力方向分别为:N74°W、N65°W,N35°W,与实验结果相差约15°。最后者测点距北东向断层甚近,相距约200m,致使最大主压方向转为N35°W,也与实验结果一致。最大剪切应力分别为:、、,亦与实验结果对应。各处实测主应力值,均与实验结果对应。

综上所述,本区最大主压应力多为北西西向,局部转为北西向,主应力、最大剪切应力值的相对变化,都与模拟实验结果基本对应一致;与地形变、地震资料分析结果也都符合,进一步证明近年来本区地应力场主要为新华夏系应力活动方式。

四、结语

1.经过初步研究,本区近年来主要为新华夏系应力活动方式,最小主压应力迹线总体呈北北东向展布,应力及能量集中地点,多在特定的断层交叉、拐弯和端点等部位。

2.以地质构造体系为基础,研究现今构造运动,配合模拟实验,测量地应力,可以查明现今区域地应力场的主要特征。实践证明李四光教授提出的地应力场问题及其生前亲自部署的研究方法、途径是正确的,是切实可行的。

3.现今区域地应力场的研究,是一项重要的基础性研究工作,不仅具有理论意义,对探索地震预报、工程建设、找矿勘探、矿产开发等都有现实意义。

主要参考文献

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