聚合物水泥混凝土研究現(xiàn)狀

倉(cāng)定仲　倉(cāng)定穩(wěn)

摘 要：普通混凝土是一種典型的脆性材料，存在著材質(zhì)不均勻、拉壓比小、干縮明顯、耐久性不強(qiáng)的缺點(diǎn)。聚合物可以明顯改善混凝土的力學(xué)性能、柔韌性和耐久性等。本文介紹了聚合物混凝土的研究現(xiàn)狀，闡述了聚合物對(duì)混凝土的改性機(jī)理，列舉了聚合物混凝土目前存在的問(wèn)題，并對(duì)聚合混凝土的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞：聚合物;聚合物混凝土;改性機(jī)理

0 引言

普通的水泥混凝土屬于脆性材料，孔隙多而且不規(guī)則，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻、干縮變形大。這極大地影響了水泥混凝土的抗?jié)B、抗凍、抗碳化等耐久性。人們?cè)谑褂没炷恋倪^(guò)程中對(duì)其進(jìn)行了諸多改良，進(jìn)而出現(xiàn)了鋼筋混凝土、纖維混凝土和聚合物混凝土等。

聚合物混凝土是指在混凝土攪拌過(guò)程中將高分子聚合物摻入到水泥混凝土中而形成的一種有機(jī)復(fù)合材料。與普通混凝土相比，聚合物混凝土具有抗?jié)B性及抗凍性突出、耐磨、抗沖擊、干縮較小、后期強(qiáng)度強(qiáng)度高、澆筑時(shí)流動(dòng)性好、成品表面光滑、與普通水泥混凝土粘結(jié)強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

聚合物混凝土作為一種性能優(yōu)良的復(fù)合材料，得到了世界各國(guó)的重視，得以快速發(fā)展。1923 年英國(guó)工程師Cressons[1]首創(chuàng)用天然橡膠乳液改善水泥混凝土路面的使用性能。1924年英國(guó)工程師Lefebure[2]用聚合物改善水泥混凝土的使用性能。1930 年后隨著塑料在水泥混凝土中的應(yīng)用，人們開始注重人工聚合物對(duì)水泥混凝土性能的改進(jìn)作用，從此開啟了聚合物水泥基復(fù)合材料的研究時(shí)代。

美國(guó)、蘇聯(lián)、德國(guó)、日本等國(guó)家從1950年開始便對(duì)聚合物混凝土進(jìn)行了廣泛而系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。

目前德國(guó)已經(jīng)將聚合物混凝土普遍應(yīng)用于工業(yè)建筑、建筑裝飾、建筑結(jié)構(gòu)修復(fù)、電力設(shè)備基礎(chǔ)、混凝土制品等方面。1970年以后聚合物改性混凝土在日本已經(jīng)成為重要的建筑材料。建筑裝飾、混凝土防護(hù)、混凝土修復(fù)、混凝土構(gòu)件預(yù)制等領(lǐng)域均已大面積采用聚合物改性混凝土。目前日本已經(jīng)制訂了聚合物混凝土的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

1980年之前由于化工行業(yè)一直比較薄弱，我國(guó)從1980年后才對(duì)聚合物混凝土的力學(xué)性能、耐久性進(jìn)行大規(guī)模的試驗(yàn)研究，但是對(duì)聚合物混凝土的改性機(jī)理的研究不多。目前聚合物混凝土在我國(guó)主要應(yīng)用于防滲工程、防腐工程、混凝土結(jié)構(gòu)修補(bǔ)、道路路面工程等方面。

2 聚合物種類

聚合物混凝土的性能主要取決于聚合物材料的類型、聚合物與混凝土的結(jié)合方式等因素[3]。目前常用的聚合物材料大體主要有水性聚合物、聚合物乳液、反應(yīng)型聚合物三類：

2.1 水性聚合物

目前使用最多的水性聚合物有丙烯酸鹽、聚丙烯酰胺（PAM）、聚乙烯醇（PVA）、呋喃苯胺樹脂、甲基纖維素，羥乙基纖維素等[4]。水性聚合物既可以提高混凝土的保水性還可以提高混凝土的粘度，從而增強(qiáng)混凝土的粘結(jié)性，適合抹灰工程、混凝土修復(fù)工程以及防水工程。

2.2 聚合物乳液

聚合物乳液是目前研究和應(yīng)用較多的聚合物改性材料。例如：乙丙乳液、純丙乳液、苯丙乳液、硅丙乳液、聚丙烯酸酯、苯乙烯-丁二烯橡膠乳液、橡膠瀝青乳液、以及使用量最大的VAE類乳液等[5-6]。

2.3 反應(yīng)型聚合物

反應(yīng)型聚合物根據(jù)機(jī)理的不同可以分為兩種。一種是分子中含有的—COOH等基團(tuán)與水泥水化過(guò)程中生產(chǎn)的Ca（OH）2發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而提高了混凝土的強(qiáng)度和抗?jié)B性能;另一種是雙組分聚合物摻入到混凝土中后聚合物的雙組分相互反應(yīng)發(fā)生固化。因此國(guó)外將這種摻入混凝土后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的聚合物稱為反應(yīng)型聚合物（RPM）[7]。反應(yīng)型聚合物混凝土（RPMC）可以用于快速堵漏工程和防水防滲工程，目前常用的反應(yīng)型聚合物有環(huán)氧樹脂與不飽和聚酯樹脂等[8]。

3 聚合物對(duì)混凝土的改性機(jī)理

在混凝土中摻入少量的聚合物就可以使得混凝土的強(qiáng)度、耐久性得到大幅提高，聚合物對(duì)水泥混凝土的性能的改善作用主要體現(xiàn)在：

（一）目前添加到混凝土中的聚合物改性劑中都有表面活性劑的成分，表面活性劑能夠起減水作用，減少用水量并改善混凝土的和易性，使得混凝土中的水泥顆粒以及氣泡分散地更加均勻，從而減少混凝土中貫通的孔洞的數(shù)量，改善了混凝土內(nèi)部孔隙分布狀況，提高了混凝土的抗?jié)B和抗氯離子侵蝕性能[9]。

（二）聚合物凝結(jié)后在混凝土中逐漸形成連續(xù)完整的膜與水泥水化物交織形成空間網(wǎng)絡(luò)[10]，并填充了混凝土中的空隙，使得混凝土逐步轉(zhuǎn)變成一種均勻密實(shí)的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以有效地轉(zhuǎn)移和分散混凝土在受外力作用時(shí)產(chǎn)生的集中應(yīng)力。

（三）聚合物改性劑的摻入延緩了水泥的水化進(jìn)程，降低了水泥水化熱的峰值，減少了混凝土水泥水化過(guò)程中溫度裂縫的產(chǎn)生以及Ca （OH） 2 的生成。此外聚合物改性劑還具有保水作用，它可以降低混凝土的失水速率，使得水泥顆粒的水化更加充分，混凝變得更加密實(shí)。

（四）聚合物改性劑中的活性因子與水泥水化物中游離的Ca2+、Fe2+、Al3+等離子進(jìn)行交換，形成特殊的橋鍵，改善了水泥漿物理的組織結(jié)構(gòu)及內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)，并限制裂縫的發(fā)展。

（五）摻入到混凝土中的聚合物通過(guò)物理作用和化學(xué)作用增強(qiáng)了混凝土中的膠凝材料與骨料之間的粘結(jié)力，改善了水泥水化物與骨料之間的界面狀況，使得混凝土強(qiáng)度得以提高。

4 聚合物混凝土存在的問(wèn)題

與普通水泥混凝土相比雖然聚合物混凝土具有較多優(yōu)點(diǎn)，但其也存在著一些問(wèn)題。

（一）成本方面較高：由于原材料及生產(chǎn)工藝的原因，聚合物價(jià)格一直較高，這就使得聚合物混凝土價(jià)格比普通混凝土價(jià)格高出很多，影響了聚合物混凝土大批量的使用。

（二）對(duì)聚合物混凝土長(zhǎng)期性能的研究還顯得不足，使得聚合物混凝土的使用壽命得不到充分的數(shù)據(jù)證明。

（三）對(duì)聚合物改性機(jī)理的系統(tǒng)性研究不夠：目前世界上對(duì)聚合物的改性機(jī)理模型有多種，其中普遍為大家接受的模型有Ohama模型[11]、Konietzko 模型[12]和 Puterman模型三種，但三種模型都有不完善的地方。

（四）目前的聚合物混凝土中的聚合物絕大多數(shù)有刺激性異味、毒性，在生產(chǎn)和使用過(guò)程中容易使人產(chǎn)生惡心、頭暈等。

5 結(jié)論與展望

在普通水泥混凝土中摻入適量聚合物后形成的聚合物混凝土的力學(xué)性能與耐久性能都比較出色。隨著科技的進(jìn)步，人類對(duì)聚合物混凝土的研究將會(huì)更深入，聚合物混凝土的性能將會(huì)得到進(jìn)一步提升，聚合物混凝土的應(yīng)用領(lǐng)域也將更加廣闊。未來(lái)開發(fā)綠色、環(huán)保、高強(qiáng)度、高韌性的聚合物混凝土將是我們持續(xù)努力的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]王國(guó)秉，孫志恒，水工混凝土建筑物新型修補(bǔ)材料及其技術(shù)的研究[J].山西水利科技，2006，（2）：1-4.

[2]Lefebure，V.improvments in or relating to concrete，cement，plasters and the like[P].British patent：217279，1924-6-5.

[3]OHAMA Y. Polymers Based Materials for Repair andImproved Durability， Japanese Experience [J]. Con-struction and Building Materials，1996，10（1）：77 282-77 285.

[4]RICHARD M，GILLES O.Reinforcement of HydratedPortland Cement with High Molecularmass Water-Solu-ble Polymers[J]. Mater Sci，2007，（42）：4858-4869.

[5]劉琳，王國(guó)建，劉啟志，等.硅丙乳液對(duì)水泥砂漿性能的影響[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2004，7（1）：121-123.

[6]吳明.EVA聚合物水泥防水材料在建筑防水中的應(yīng)用[J].中國(guó)建筑防水，1996，（4）：21-22.

[7]李應(yīng)權(quán)，徐永模，韓立林，等.新一代聚合物水泥防水涂料的性能與固化機(jī)理[J].化學(xué)建材，2002，（8）：28-30.

[8]尚建麗，楊曉東，李占印，等.雙摻改性聚合物砂漿性能的試驗(yàn)研究[J].化學(xué)建材，2002，（12）：18-20.

[9]劉生海，魏兆龍.聚合物乳液改性混凝土應(yīng)用研究[J].北方交通，2006，（12）：36-38.

[10]LIU J，XU C W.Modification of High Performancesof Polymer Cement Concrete[J].Journal of WuhanUniversity of Technology-Mater.Sci.Ed.Mar.2003，18（1）：118-124.

[11]Ohama Y.Polymer-modified mortars and concretes.In：Rama-chandran VS（Ed）.Concrete Admixtures Hand Book：Properties，Science and Technology[M].Noyes Publica-tions，Park Ridge，NJ，USA，1984-343.

[12]Konietzko A.Polymerspezifische auswerkungen auf dastragverhalten modifizierter zementgebundenen beton （PCC）[D].Dissertation，Braun-schweig，1988.