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Gamma;射线辐射对聚合物改性白砂浆水泥砂浆复合材料的影响

摘要：

　　本文通过使用不同比例的白砂取代标准砂制备白砂水泥砂浆，重点研究了标准水泥砂浆的取代效应。所制备的样品首先在自来水中养护不同的时间间隔：3、7、28和90天。研究并讨论了添加10％苯乙烯 - 丙烯酸酯的效果和不同剂量的gamma;射线对聚合物改性白砂浆水泥砂浆试样物理力学性能的影响。测量压缩强度、总孔隙率和吸水百分比。通过扫描电子显微镜和热重分析研究证实了结果。

1.介绍：

　　在埃及含有白砂的地域中Sinai被认为是最重要的其中之一；Sinai的白砂储备约为2700万吨。它含有高硅含量98.8%。被大量应用于玻璃、合成铸造成型催化剂和太阳能电池工业等不同形式的大量工业中。当然，白砂吸引了一些科研人员去把它用作水泥砂浆和混凝土中的普通砂子的替代品。研究了白砂5%、10%和20%的不同比例掺量对混合水泥浆体的物理力学性能的影响。结果表明，与硬化的纯波特兰水泥相比，发现在不同水化时间间隔3、7、14、28和90天，具有不同白砂比的硬化混合水泥浆抗压强度值显著增加。并且随着制备的混合水泥浆中白砂的百分比增加，累积孔隙体积变得更小。另外，测量了90天后来自硬化的混合水泥白砂浆的Cs和Co放射性离子的累积浸出分数（CLF）。对浸出数据的检查表明，向水泥中添加白砂减少了浸出模式，因为对于所研究的放射性核素，OPC 5％白砂lt;OPC 10％白砂lt;OPC 20％白砂lt;OPC。

　　近年来对环境友好型混凝土（EFC）的兴趣不断增加，它利用了工业副产品或废料，从而有利于环境。 其中，粉煤灰，硅粉和矿渣等矿物外加剂已被用于部分取代混凝土中的水泥。由于微裂纹的引发和扩展容易以及传统水泥砂浆缺乏抗拉强度，普通水泥体系具有相对较低的耐久性。此外，强调通过降低材料的渗透性可以大大提高水泥系统的耐久性特性。因此，混凝土的渗透性在控制混凝土性能及其适用性方面起着至关重要的作用。水泥产品领域的最新进展涉及使用外加剂，特别是那些有机材料如聚合物少量添加以改变水泥产品的性质。

　　在现代混凝土施工中，聚合物与水泥和骨料一起制成的复合材料称为聚合物改性混凝土（PMC），而用聚合物和骨料制成的复合材料称为聚合物砂浆（PM）或聚合物混凝土（PC）。在这方面，胶凝材料的性能可以通过添加足够小的颗粒来填充水泥颗粒之间的间隙来改善。 聚合物已被用作水泥和水泥基材料（如砂浆和混凝土）的添加剂和改性剂。在材料结构上掺入聚合物，高分子改性对砂浆和混凝土性能的改善与水泥水化、孔隙率和单位含水量相关。 除了聚合物和水泥水合物之间的化学和物理相互作用外，还大大提高了砂浆和混凝土的强度，粘合力，回弹性，抗渗性，耐化学性和耐久性。这些材料适用于制造不同的结构和非结构预铸产品，如瓷砖粘合剂，正面涂层，覆盖物，装饰性表面处理以及道路建筑物的修补材料。

　　20世纪50年代开始在波特兰水泥砂浆和混凝土中掺入合成聚合物。 从那以后，对使用合成聚合物胶乳比使用天然橡胶胶乳更感兴趣，已被广泛使用适用于建筑行业。 聚合物胶乳是悬浮在水溶液中的水不溶性聚合物颗粒。 它们由不溶于水的聚合物制成的核心和用于避免絮凝的稳定体系组成胶体系统。目前，单独或聚合物组合如聚乙酸乙烯酯，乙酸乙烯酯 - 乙烯共聚物，苯乙烯 - 丁二烯共聚物，苯乙烯 - 丙烯酸共聚物和丙烯酸与丁苯橡胶乳液的胶乳通常用于生产水泥复合材料。

　　自从近50年前引入这项技术以来，材料辐射加工的实际应用一直在涉及。 伽玛辐射在治疗过程中引起交联和降解，但其中一种效应可能在某些材料中占优势。交联是聚合物辐照最重要的效果，因为它通常是伴随着辐射剂量作用下聚合物链数量的增加，导致形成网状结构。几项研究表明，在辐射聚合过程中硅酸钙之间的相互作用于混合水泥水合反应过程中形成的水合物和存在于孔隙中的聚合物中发生。因此，增强的相间粘合导致提高了机械强度、所执行部件的热和化学环境性能、可加工性、磨损、粘合强度、与基材的粘合性，或者砂浆和混凝土的防水性能发生。本工作的目的是研究用白砂、苯乙烯 - 丙烯酸酯和不同剂量的gamma;-射线辐照部分替代标准砂对复合材料的物理 - 力学性能的影响。

2.试验

2.1材料

　　从埃及国家水泥公司获得一种新产生的普通波特兰水泥（OPC）型（I）样品。白砂（WS）具有高比例的二氧化硅含量，99.5％主要由石英组成，粒度范围从0.25毫米到0.45毫米0.15 mm，重金属含量小于0.1％，比表面积为通过表面积仪器Nova 2000测量195平方米克/升，如表2所示以及良好的吸附性能，润湿性能，增加耐火性和增加导热性。它来自西奈最好的山脉（沙地）。 此外，本研究中使用的标准砂（SS）具有超过99％的SiO 2含量，布莱因表面积为395m 2 / kg，粒度范围为0.42mm至0.15mm; 化学氧化物组成列于表1中。苯乙烯丙烯酸酯（SAE）胶乳由Clariant提供。 它的密度为1.04 g / cm3，固含量571，乳白色液体。

2.2 样品制备

　　在这项研究中，白砂水泥砂浆标本是通过部分替代标准砂（SS）以不同比例的白砂（WS）制备的，以获得三种类型的水泥砂浆。 得到的砂浆被指定为1OPC：2SS：1WS，1OPC：1SS：2WS和1OPC：0SS：3WS。 使用标准（最佳）稠度的水。所得到的水泥砂浆试样通过使用立方体模具（每边2.5cm长）模制成立方体试样。将带有试样的模具置于25℃的湿箱中最初24小时。然后将试样从模具中取出并在自来水下固化3,7,28,60和90天的不同时间间隔。另外，在相同的条件下制备硬化的传统水泥砂浆（10OP：3SS：0WS）以进行比较。

2.3聚合物改性水泥砂浆的制备

　　通过将水泥砂浆组分1OPC:2SS:1WS和1OPC:1SS:2WS与含有10％苯乙烯丙烯酸酯胶乳的水泥浆的最佳稠度水强烈混合，制备两组SAE-水泥砂浆复合材料，这基于经常观察到的常见剂量分别适合于机械和耐久性。将混合物模制成立方体，尺寸为2.5厘米*2.5厘米*2.5厘米，然后放在湿度柜中25°C下24小时。 使用由Symec Engineers（I）Pvt。Ltd提供的Co-60gamma;-cell-220源（印度制造），以10kGy至50kGy（剂量率10kGy / h）的不同剂量的gamma;射线照射制备的样品。Ltd.company。 SAE水泥砂浆复合材料被指定为1OPC：2SS：1WS 10％SAE和1OPC：1SS：2WS 10％SAE。

2.4物理机械测量

　　使用由ELE international（UK）供应的ADR-Auto 250KN压缩机根据ASTM C109 / C-109M-09测量压缩强度测试，在该研究中对硬化水泥砂浆以及水泥砂浆进行总孔隙率和吸水率百分比SAE水泥砂浆根据ASTM标准：（C642-13）采用标准程序复合样品。 这两个属性计算如下：

吸水率（%）=*100 总孔隙度（%）=

其中A表示称重于水中的悬浮样品的重量，B表示称重于空气中的饱和样品的重量，C表示干燥样品在空气中的重量。

　　使用JSM-5400（Jeol /日本）技术研究了一些选定样品的形态和微观结构。使用Shimadzu型热重分析仪（TGA）型TG-50-Instrument（日本），通过将加热温度从25℃提高到900℃，以10℃/ min的氮气加热速率和氮气流量来研究样品的热分解行为和10毫升/分钟。另外，抗压强度的损失（LCS）百分比计算如下：

LCS %=(A-B)/A*100

　　A是常规水泥砂浆（1OPC：3SS：0WS）在自来水中固化一定固化时间的平均抗压强度值，B是白砂水泥砂浆的平均抗压强度值1OPC：2SS：1WS和1OPC：1SS ：2WS样品在相同的固化时间。

3.结果讨论

3.1 抗压强度

　　图1表示含有不同含量的标准砂和白砂作为固化时间函数的硬化水泥砂浆试样的抗压强度值。基于所获得的实验结果，所有制备的样品的抗压强度值随着固化时间的增加而逐渐增加。 在添加水时，波特兰水泥（二硅酸钙和三硅酸钙）的主要成分发生水解并产生较少碱性的硅酸钙水合物，表示为（C-S-H）凝胶和氢氧化钙。硅酸钙水合物（C-SH）凝胶填充了水泥颗粒之间的空隙并在它们之间形成桥接，从而导致试样硬化和随后的硬化[30]。 连续形成的凝胶逐渐充满毛细管孔隙，结果，试样内部的固体部分增加，而孔隙的体积减小; 结果发生抗压强度的提高压缩强度的提高也可能归因于作用于凝胶颗粒之间的内聚力或晶体的相互生长以及形成导致更多硬化的更多化学键。 用白砂（WS）代替传统水泥砂浆（1OPC：3SS）的标准沙子显着影响压缩强度，导致砂浆的抗压强度值降低，特别是在较高的替代率下传统的水泥砂浆。强度取决于添加剂的性质和用量以及水灰比（w / c）。 白砂（WS）是一种具有很大吸水倾向的材料。 这导致可用于与介质中的水泥颗粒相互作用的水量的减少，并且因此水向未水化的水泥颗粒表面的扩散速率变得更低。因此，样品的水合速率包含不同比例的白砂减少，结果，与常规水泥砂浆相比，产品的形成相对较低，导致在水合过程期间水合产物减少。 如图2所示，与传统水泥砂浆在不同固化时间相比，白砂水泥砂浆的抗压强度百分比（LCS）损失的计算清楚地表明了这种行为。图3显示了苯乙烯丙烯酸酯水泥砂浆复合材料1OPC：2SS：1WS 10％SAE和1OPC：1SS：2WS 10％SAE作为伽马辐射剂量的函数的抗压强度结果。显然， SAE水泥砂浆复合材料的抗压强度值的改进可能归因于以下原因：（i）SAE能够填充样品的孔隙。（ⅱ）。伽玛辐照过程中发生许多类型的化学反应，反应性聚合物的颗粒表面如聚丙烯酸酯和钙离子，Ca（OH）2或硅酸盐离子在聚集体表面上形成复合材料上的一种增强物。另外，试样的抗压强度值随着gamma;射线剂量的增加而逐渐增加。 这主要归因于在照射剂量的作用下聚合物链的交联程度的增加导致形成三维网络结构。交联是聚合物辐照最重要的效果，因为它通常可以改善预制件以及散装材料的机械，热学和化学环境特性。在处理期间发生聚合物交联和通过断链降解，但是这些效应中的一个或另一个可能在一些材料中占优势。以及在水合过程中形成的硅酸钙水合物与在辐射聚合过程中存在于孔中的聚合物之间的相互作用增强了界面间的结合，结果发生了机械强度的提高。还观察到，含有较高含量白沙的试样的抗压强度值较低; 这是由于前面提到的同样的原因。

3.2总孔隙率和吸水率百分比

　　根据Powers理论（Powers，1960）和具体的社会技术报告，硬化水泥浆内的孔隙是影响混凝土强度和耐久性的重要因素之一。 孔隙率通常分为三组：凝胶空隙是直径为1.5-2nm的凝胶空隙; 毛细孔隙的范围从0.01mm到1mm; 直径大于50nm的空隙被称为宏观空隙; 夹带的空隙（0.05-1.25mm）和截留的空隙（1-4mm或更多）被广泛称为大孔隙。为了估计硬化的样品朝向水的渗透性，研究了总孔隙率和吸水百分比。实验数据表明，含有不同比例的标准砂和白砂的硬化水泥砂浆的总孔隙率百分比随着固化时间的变化而变化。从图4可以看出，对于所有类型的水泥砂浆，总孔隙率百分比值随着固化时间的增加而降低。将水泥与水混合后发生水合反应，并形成C-S-H凝胶并沉积在样品的孔隙系统中。 随着水化过程的进行，更多的水化产物形成并积聚，导致孔体积减小，因此总孔隙率百分比值下降。而对于给定的固化时间间隔，传统水泥砂浆（1OPC：3SS：0WS）的总孔隙率值低于用不同比例的白砂替代的其他水泥砂浆的总孔隙率值。 白沙的存在具有较高的表面积; 因此它比水泥颗粒更快地吸附或/和吸引水分子，因此水合速率变慢。这种行为显然是随着白沙含量的增加而出现的; 因此在水合过程中形成的水合产物的量减少。 结果，沉积和填充孔系统的固体部分减少。 此外，图5显示了水泥砂浆的吸水百分比值与固化时间以及不同含量的白砂的变化。结果表明，所有硬化水泥砂浆的吸水百分比 随着固化时间的增加逐渐减少。随着水合作用的进行，水合产物的量增加并且其积聚关闭可用孔隙体积，导致孔隙系统内水渗透性的阻碍。 而在给定的时间间隔内，所有测试年龄段的白色沙子制成的硬化水泥砂浆1OPC：2SS：1WS和1OPC：1SS：2WS的吸水率增加。这是由于白砂与波特兰水泥比例增加，导致水从介质中脱离或吸附，水与水泥颗粒的相互作用降低; 特别是在高含量的白沙下，水合产物的量减少。 因此，相对于在水合过程中形成的水合产物的总体积，样品的孔体积增加，因此多孔系统内水的扩散速率变高。因此，传统水泥砂浆（1OPC：3SS：0WS）试样与其他含有白砂的硬化水泥砂浆所获得的值相比，表现出较低的吸水率值。

通过测定总孔隙率和吸水率来讨论聚合物加入量和固化条件对水泥砂浆渗透性的影响。 添加SAE对水泥砂浆复合材料的总孔隙率和吸水性能的影响如图1和图2所示。 6和7。结果表明，随着照射剂量的增加，所有样品的总孔隙率和吸水率均下降。 此外，发现总孔隙率和吸水率值远低于未改性样品（对照）。这是由于随着水泥水化过程的继续，用聚合物颗粒部分填充微孔和空隙。 1OPC：1SS：2WS 10％SAE样品的孔隙率和吸水性的较低值可归因于以下事实：聚合物颗粒比砂和水泥颗粒小得多，填充较小的空隙并最终聚结成整体式 围绕骨料并涂覆水泥颗粒的薄膜。所得到的聚合物改性水泥砂浆试样也防止了微裂纹的形成，从而改善了砂浆水泥复合材料的不渗透特性。

3.3 热稳定性

通过热重分析（TGA）获得了常规水泥砂浆（1OPC：3SS：0WS）和包含不同比例的白砂1OPC：2SS：1WS和1OPC：1SS：2WS的水泥砂浆的热分解。 剩余的重量百分比与温度的关系如图8和表2所示。结果表明，对于所有砂浆试样，0-300℃温度范围内剩余重量百分比值没有变化。 而在360°C的温度下，有一些重量相当于钙的分解Ca（OH）2和碳酸钙（CaCO3）的脱碳，这种现象特别在两种类型的水泥砂浆1OPC：3SS：0WS和1OPC：2SS：1WS。

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