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聚合物混凝土 Polymerconcrete 定义 聚合物混凝土指由有机聚合物 无机胶凝材料 集料有效结合而形成的一种新型混凝土材料的总称 确切的说它是混凝土与聚合物的复合材料 普通混凝土抗拉 抗弯曲强度低 导致墙体桥梁的断裂和倒塌 聚合物混凝土是一种有机 无机的复合材料 可有效地减少混凝土的脆性 提高其耐久性 因为加入聚合物后 在混凝土表面形成保护层和密封剂的作用 阻止潮气和有害化学物质的侵蚀 是修补和连接结构的粘结剂 用聚合物填入已硬化的混凝土的毛细孔 DamageComparison 普通混凝土 聚合物混凝土 聚合物混凝土的发展历史 将聚合物用于混凝土的尝试始于1930年 直至1950年它的潜在用途才引起世界各国的重视 1975年5月在英国伦敦召开了第一届国际聚合物混凝土会议 并首次使用 聚合物混凝土 这一专业用语 1978年10月在美国奥斯汀召开第二届国际聚合物混凝土会议 会议上各国专家发表了大量关于聚合物混凝土的专题性论著 这些论著大大地促进了水泥及混凝土应用聚合物的研究工作 1990年9月在中国上海召开第六届国际聚合物混凝土会议 亚洲地区于1993年成立了亚洲聚合物混凝土国际组织 ASPIC 1994年5月在韩国召开第一届东亚聚合物混凝土会议 1997年5月在日本的日本大学举办第二届东亚聚合物混凝土会议 2000年在中国同济大学举办第三届亚洲聚合物混凝土会议 聚合物混凝土的分类 PIC PC PCC 下面分别介绍三类聚合物混凝土定义 是什么 性能机理 为什么 原材料配合比设计生产工艺 怎么做 主要应用 怎么用 聚合物水泥混凝土 一 定义 聚合物水泥混凝土 polymercementconcrete 简称PCC 亦称聚合物改型性混凝土 polymermodifiedcementconcrete 简称PMC 它是在普通水泥混凝土拌合物中加入单体或聚合物 浇筑后经养护和聚合而成的一种混凝土 二 PCC的性能与普通混凝土相比 PCC的强度较高 但又随着聚合物的种类 聚灰比 水灰比的不同而不同 PCC的弹性模量较小 但其抗拉或抗压破坏是的极限应变量都增大 由于掺加聚合物具有一定的减水作用 所以PCC得干缩减小 再加上其抗拉强度高 延伸性较好 弹性模量小 故其抗收缩裂缝的性能好 PCC的耐磨性比普通混凝土又大幅度提高 且聚灰比越大耐磨性越好 如聚灰比为20 的聚醋酸乙烯改性混凝土耐磨性比普通混凝土提高20倍 三 聚合物对PCC的改性机理聚合物乳液对水泥砂浆和混凝土的改性作用是通过聚合物在水泥浆与集料间形成具有较高粘结力的膜 并堵塞砂浆内的孔隙来实现的 水泥水化形成的水泥浆与聚合物颗粒聚集形成聚合物相互交织在一起形成一个完整的相互穿透的网状结构 集料被粘结在其中形成一个复合体 其中裂缝被聚合物薄膜架桥连接起来 从而避免裂缝的扩展 同时水泥水化物与集料间连接加强 随着聚灰比的增加这种架桥作用更明显 导致拉伸强度和开裂韧度的增加 改善其防水性 水密性 耐潮湿耐化学介质和冻融性等性能 这个过程的简化图如下 四 PCC的原材料1 聚合物用于水泥混凝土改性的聚合物可以分为4类 聚合物乳液 如丁苯胶乳 丙烯酸酯乳液等 可分散性聚合物粉料 聚丙烯酸醋等 水溶性聚合物 聚乙烯醇 聚丙烯酰胺等 液体聚合物 环氧树脂 不饱和聚酯树脂等 对聚合物的要求 1 対水泥水化和硬化无负影响 2 对水泥水化过程中释放的高活性离子 Ca2 Al3 有很高稳定性 3 有很高的机械稳定性 4 低引气性 5 再混凝土中能形成与水泥水化产物和集料有良好粘结力的膜层 6 形成的聚合物膜要有极好的耐水性 耐碱性和耐候性 7 水泥的碱性介质不被破坏 8 对钢筋无锈蚀作用 2 对胶结材料的要求所用水泥除普通硅酸盐水泥外还可使用各种硅酸盐水泥 矾土水泥 快硬水泥等 其强度等级大于或等于32 5MPa即可 3 骨料PCC所用粗细骨料与普通混凝土相同 可以是天然的也可以选用人造轻骨料 当用于防腐蚀要求的工程时应使用硅质碎石和碎砂4 主要助剂PCC所用主要助剂有稳定剂和消泡剂稳定剂 可以防止水泥溶出的多价离子等因素使聚合物发生凝聚现象 有OP型乳化剂 均染剂102等消泡剂 消除由于乳液中表面活性剂所产生的气泡从而影响PCC的强度 常用的消泡剂有4类 1 醇类消泡剂 2 脂肪酸酯类消泡剂 3 磷酸酯类 4 有机硅类 五 PCC的配合比设计与常规水泥混凝土的配合比设计相比 PCC还应考虑影响PCC的因素 如聚合物的种类 掺量 聚灰比 水灰比 消泡剂及稳定剂的掺量和种类等 其水灰比主要以被要求的和易性 坍落度和流动度 来确定 控制在0 30 0 60范围内 聚灰比在15 20 时抗弯强度最大 通常取5 20 聚合物水泥砂浆的配合比为 水泥 砂 1 2 1 3 质量比 六 PCC生产工艺 一 拌制工艺PCC中聚合物掺量为水泥质量的5 25 根据工程要求定PCC拌制与普通混凝土拌制相似设备相同 其区别在于将水泥和聚合物共同作为胶凝材料 搅拌时间稍长于普通混凝土3 4min 二 施工工艺正式浇筑前对基层进行清理 施工时 分层涂抹 每层厚度7 10min为宜 在抹平时抹子上往往会粘附一层聚合物薄膜 应边抹边将其擦拭掉 如大面积涂抹时每隔3 4m要留设宽15mm的缝 七 PCC的应用PCC的应用主要有以下几个方面修补材料 聚合物对旧混凝土有很好的粘附效果 可用于修补混凝土结构 用作粘附剂 利用PCC良好的粘结性用于粘结瓷砖 新旧混凝土等 用于防腐蚀涂层 由于PCC密实度高抗渗能力大 吸水率低可有效阻止腐蚀介质的渗入 提高混凝土结构的耐腐蚀性 用于表面装饰和保护 预应力聚合物改性水泥混凝土 水下不分散聚合物改性混凝土 聚合物水泥防水涂料 聚合物水泥混凝土路面 新拌聚合物水泥混凝土 矿井聚合物水泥喷射混凝土 PCC工程修补实例 聚合物浸渍混凝土 一 定义 聚合物浸渍混凝土 polymerimpregnatedconcrete 简称PIC 它是将已硬化的普通混凝土经干燥和真空处理后 放在以树脂为原料的液态单体中浸渍经加热或辐射 或催化剂 的方法使渗入到混凝土孔隙中的单体产生聚合作用 使混凝土和聚合物结合成一体的新型混凝土 按其浸渍的方法不同可分为完全浸渍和部分浸渍 二 性能普通混凝土是一种非均质多孔材料 PIC中用聚合物填充了混凝土内部的孔隙和微裂纹 特别是提高了水泥石与骨料间的粘结强度 减少了应力集中 使PIC具有高强 密实 防腐 耐磨 抗渗 抗冲击等优良物理性能 与基准混凝土相比 抗压强度可提高2 4倍 一般在150MPa以上 最高可达285MPa 抗拉强度提高2 3倍 抗弯强度提高2 3倍 徐变减小 弹性模量和抗冲击强度有所提高 三 PIC的增强机理PIC的增强机理主要包括以下几个方面 1 混凝土中毛细孔被聚合物所浸渍填充 减少了混凝土的孔隙 改变其孔径分布 增强了混凝土的密实度从而提高了混凝土的强度和其他性能 2 聚合物浸渍使水泥石本身强度得到提高 不仅填充了界面处的孔隙 而且增大了集料与基体的粘结 从而提高了混凝土的整体强度 3 聚合物的存在改变了裂纹顶端周围应力场 且在集体中调节了应力集中 增加了混凝土的断裂韧性 聚合物浸渍混凝土微观结构 四 PIC的原材料1 基材主要用水泥混凝土和钢筋混凝土作为被浸渍基材 其制作成型方法与一般混凝土制品相同 但应满足下列要求 1 混凝土构件表面有适当孔隙便于浸渍 2 构件有一定强度 能承受干燥 浸渍 聚合过程中的作用力 3 混凝土中化学成分 如外加剂 不妨碍浸渍液的聚合 4 基材的表面和内部要充分干燥 达到几乎不含水 5 基材的尺寸形状应满足浸渍 聚合设备的要求 2 浸渍液浸渍液是PIC的主要材料 有一种或几种单体组成 加热聚合是还应加入添加剂辅助 作为浸渍用的单体应满足以下要求 1 有适当的粘度以便于浸渍到基材内部 2 有较高的沸点和蒸汽压 以减少浸渍和聚合时的损失 3 浸渍液生成的玻璃状聚合物耐热温度应超过基材的使用温度 4 经加热处理后浸渍液能在基材内聚合 并与基材能较好地粘结在一起 5 聚合物应具有较高的强度 较好的耐水 耐碱性能 6 聚合物浸入混凝土孔隙后其收缩率小 聚合后不因水分等作用而软化或膨润 3 添加剂PIC中常用的添加剂有阻聚剂 苯醌等 引发剂 过氧化物 偶氮化合物等 促进剂 二甲基苯胺 交联剂 苯乙烯等 和稀释剂 同交联剂 五 PIC的配合比设计PIC的基体配合比设计可采用普通混凝土的设计方法浸渍砂浆各成分的构成体积比参考表1 表一浸渍砂浆的成分 几种常见的浸渍混凝土的配合比见表2 表二常用浸渍混凝土的配合比及性能 六 PIC的生产工艺PIC的制备工艺主要为 基体 硬化的混凝土 的干燥 抽真空 单体浸渍 聚合 PIC的聚合方法1 辐射法2 加热法3 化学法 七 PIC的应用与限制 1 因为PIC能非常显著地改善耐久性 但由于单体化合物的成本高又需要浸渍工艺 故其造价较高 常用于必须长期不需要维修的情况使用 2 全部浸渍只能用于预制产品 如混凝土污水管 隧道预制衬片 铁路枕轨 码头防波堤的预制桩等 3 由于PIC暴露于高温环境中其力学性能降低 从而限制PIC在高强度要求情况的使用 4 由于PIC生产工艺过程较复杂 费用高不宜大面积使用 因此开发出表面浸渍工艺 即聚合物作为涂层或封闭剂用于混凝土结构 不需保留单体 大大降低了成本 因此表面浸渍的PIC主要用在砂浆混凝土的表面维修工程中 聚合物胶结混凝土 一 定义 聚合物胶结混凝土 polymerconcrete 简称PC 又称聚合物混凝土或树脂混凝土 它是由聚合物代替水泥作为胶凝材料与集料拌合 二 PC的性能与普通混凝土相比 PC具有强度高 耐化学腐蚀 耐磨 抗冻性好等有点 但硬化时收缩大 耐久性差 其抗压强度一般在60 180MPa之间 最高可达210MPa 抗弯强度为14 28MPa 抗拉强度为10 3 17 2MPa 弹性模量范围较大 4 40GPa 抗冲击韧性耐磨性由于普通混凝土6倍和2 3倍徐变较大为普通混凝土的2 3倍 变形性能好 早期强度高 1d强度可达28d强度的50 以上 3d可达70 以上 粘结强度高不论对水泥制品还是石材 金属等军有很高的粘结性 三 PC的原材料1 胶结材料 主要指树脂类 有五种类型 1 热固性树脂 2 热塑性树脂 3 沥青类及树脂改性沥青 4 煤焦油改性树脂 5 乙烯类单体选择胶结材料是应考虑以下要求 1 在满足使用要求的前提下尽可能选价格低的树脂 2 粘度较低且可进行调整 便于同集料混合 3 硬化时间可适当调节 固化收缩小 4 固化过程受现场条件如温度 湿度等影响小 5 与集料粘结性好 有良好耐水性和化学稳定性 2 集料PC所用粗细骨料与普通混凝土相同 粗骨料粒径为10 20mm 细骨料粒径为2 5 5 0mm 要求骨料 1 集料要干燥 含水率小于0 1 2 有一定强度 3 集料要有一定级配和密实度 且表面吸附小 减少树脂用量 3 填充材料填充材料可减少树脂用量改善聚合物胶结混凝土的性能 填充材料宜加入细度为1 30um的惰性材料 如 1 石灰石粉 2 硅粉 粉砂 粉煤灰 3 滑石粉及铸石粉等 4 外加剂因为液体树脂原材料本身并不会硬化 在配置PC时还需加入一定量的外加剂 如固化剂 增韧剂 引发剂 促进剂 稀释剂 增塑剂等 四 PC的配合比设计为寻求树脂与骨料之间的有效配合比 因此PC的配合比设计必须满足 1 提高混凝土的耐久性 2 提高混凝土的安定性 3 降低单位体积混凝土的成本 配合比设计步骤如下 1 确定树脂与硬化剂 引发剂 促进剂 的适当比例 2 按最大密实体积法选择最佳骨料级配 3 试验确定最佳配合比 五 PC的生产工艺 PC的生产工艺过程如右图所示 其中影响PC质量最重要的因素是称量的准确性以及树脂和固化剂在混凝土拌合物体积内的均匀性 拌合工艺法一 现将骨料投入搅拌机中约2min混合 再投入预先混合好的液态树脂和硬化剂 在搅拌3min 法二 先加入液态树脂和硬化剂搅拌2min 再投入骨料和填充材料混合搅拌3min 养护1 常温养护硬化法2 加热养护硬化法 六 PC中树脂的硬化过程其硬化过程大致可分为工作阶段 结构硬化阶段和最终硬化阶段 1 工作阶段指树脂在加入硬化剂的最初30min左右该阶段的基本特征是 液态树脂的硬化反应刚开始 混合物温度变化不大 PC尚未凝固并有一定的可塑性 此阶段基本无收缩 也无危害 不会引起内应力和开裂现象 2 结构硬化阶段此阶段为聚合物硬化的重要阶段 视树脂的不同通常为0 5 48h可采用加热缩短此过程 此阶段内PC逐渐硬化 聚合 并伴有明显放热特征 产生大量热量 混凝土的温度急速升高 此阶段收缩加快产生较大内应力 引起材料的弹性结构局部松弛 3 最终硬化阶段最终硬化阶段所需时间最长 一般为1 14天此时材料有较高的硬度和一定的脆性 虽然此阶段收缩性不大 但由于结构已形成 它对结构产生裂缝的危害较大 在养护中应引起足够重视 七 PC的应用由于树脂成本高 目前仅用于特殊工程 如耐腐蚀性工程 修补混凝土构件及堵漏材料等 此外树脂混凝土因其美观的外表 又称人造大理石 可以制成桌面 地面砖 浴缸等 1 PC具有很好的粘结性 可用做胶结材料 粘结瓷砖 修补混凝土裂缝等 2 因其具有很好