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Interaction between vinyl acetate-ethylene latex stabilized with polyvinyl alcohol and Portland cement
Jin, Yu
The purpose of this thesis was to investigate the interaction between the Vinyl-Acetate Ethylene (VAE) latex stabilised with Polyvinyl Alcohol (PVOH) and Portland cement. This interaction was divided into three stages: (1) colloidal interaction at the beginning, (2) hydration of cement in the presence of polymers, and (3) film formation of the latex in cementitious environment.
In the first stage, the colloidal interaction between two VAE latices stabilized by PVOH and Portland cement, including its main mineral phases, was investigated. The non-ionic VAE latex particles showed negative charge but had no affinity to Ca2+ by means of charge titration. Adsorption profiles were determined via the depletion method; the results indicated the analogous Langmuir type adsorption. The Zeta potential results showed a negligible effect of the VAE latex particles, indicating that the non-electrostatic interaction was dominant. Meanwhile, PVOH revealed preferential interaction with the aluminate phase. As a consequence, the strong interaction led to the flocculation of the latices in some extreme cases, e.g. in the C3A suspension.
In the second stage, the divergent influence of the latex particles and PVOH on the hydration kinetics was confirmed by means of isothermal heat flow calorimetry, ICP-OES as well as in-situ XRD measurements. In accordance with the initial interaction, latex particles influenced the silicate phase hydration principally, while PVOH affected the aluminate hydration. Although the equilibrium concentration of SO42- was lower in the presence of polymers during the first few hours, the strong ‘sulfate depletion’ peak in the heat flow calorimetry was subjected to the enhanced reaction between the aluminate and sulphate carrier, which was hindered by PVOH at the beginning.
In the third stage, the latex formed a film in the cementitious environment. Film formation was characterized in terms of its surface morphology, which was investigated by means of environmental scanning electron microscopy and atomic force microscopy. The coalescence of the polymer was indicated by its redispersibility. The latex films were stored under 85% relative humidity (R.H.), or coated on cement substrate under 50% R.H., or casted from the dispersions in synthetic cement pore solution (SCPS). Results showed that film formation was accelerated in the cementitious environment and that removal of PVOH in the vicinity of the latex particles by the interaction with cement was essential for polymer interdiffusion and coalescence.
Das Ziel dieser Arbeit war, die Wechselwirkung zwischen der Vinyl-Acetat-Ethylen (VAE) Polymerdispersion mit Polyvinylalkohol (PVOH) als Schutzkolloid und Portlandzement zu untersuchen. Die Wechselwirkung wurde in drei Phasen unterteilt: (1) kolloidale Wechselwirkung am Anfang, (2) Hydratation des Zements in Gegenwart von Polymeren, und (3) Filmbildung der Polymerdispersionen in zementhaltiger Umgebung.
In der ersten Phase wurde die kolloidale Wechselwirkung zwischen zwei VAE Dispersionen mit PVOH und Portlandzement untersucht. Die nichtionischen VAE Partikel wiesen negative Ladung, aber keine während der Ladungstitration nachweisbare Affinität zu Ca2+ auf. Die Adsorptionsprofile wurden mittels Verarmungsmethode gemessen und waren analog zum Adsorptionsprofil nach Langmuir. Dabei war die an Zementminerale adsorbierte Menge unabhängig von der Ladungsdichte. Außerdem zeigte das Ergebnis der Zeta-Potentialmessung eine vernachlässigbare Wirkung der Polymerpartikel, was auf eine Dominanz der nicht-elektrostatischen Wechselwirkung hinweist. PVOH hingegen wechselwirkt vorzugsweise mit der Aluminatphase. In einigen extremen Fällen führen die starken Wechselwirkungen zu einer Flockung der Polymerdisperisonen, z. B. bei der C3A-Suspension.
In der zweiten Phase konnten mittels isothermer Wärmeflusskalorimetrie, ICP-OES und in situ XRD-Messungen die unterschiedlichen Einflüsse von Polymerpartikeln und PVOH auf die Hydratationskinetik nachgewiesen werden. Wie die Ergebnisse aus Phase (1) vermuten lassen, beeinflussten die Polymerpartikel hauptsächlich die Hydratation des Silikats, während PVOH Auswirkungen auf die Hydratation des Aluminats hatte. Obwohl die Gleichgewichtskonzentration von SO42- in der Gegenwart von Polymeren in den ersten Stunden niedriger war, wurde der starke Sulfatpeak der der Wärmeflusskalorimetrie durch die verbesserte Reaktion zwischen Aluminat und Sulfatträger hervorgerufen, die zu Beginn durch PVOH behindert wurde.
In der dritten Phase wurde der Polymerfilm in zementhaltiger Umgebung gebildet. Die Filmbildung wurde in Bezug auf die Oberflächenmorphologie charakterisiert, die mittels Environmental Scanning Electron Microscope und Rasterkraftmikroskopie untersucht wurde. Dabei wurde das Zusammenwachsen des Polymers auf seine Redispergierbarkeit hingewiesen. Die Polymerfilme wurden unter 85% relativer Feuchte (r. F.) aufbewahrt, bei 50% als Schicht auf den Zementstein aufgebracht oder aus den Dispersionen in synthetischen Porenlösung gegossen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Filmbildung in zementhaltiger Umgebung beschleunigt wurde und das Entfernen von PVOH aus der Umgebung der
Polymerpartikel durch die Wechselwirkung mit Zement unerlässlich für den Prozess des Zusammenwachsens des Polymers war.
