聚合物改性混凝土的发展及应用

聚合物改性混凝土的发展及应用孙贵鹏【摘要】Polymermodifiedconcrete(PMC)hastheadvantagesofsimpleproductionmethod,water-proofingandwear-resisting,higherflexuralstrength,goodadhesion,strongresistancetochemicalcorrosion,etc..Thispaperintroducesthemodificationmechanism,performanceandapplicationofPMCandsummarizestheexistingproblems.%聚合物改性混凝土(PMC)具有制作简单、防水耐磨、耐冲击性好、较高的弯曲强度、粘结性好、耐化学介质腐蚀等优点。阐述7PMC混凝土的改性机理、性能及其应用，总结了目前需要解决的问题。【期刊名称】《建材技术与应用》【年(卷)，期】2016(000)001【总页数】5页(P9-12,15)【关键词】聚合物改性混凝土;性能;机理;应用【作者】孙贵鹏【作者单位】无锡市众合混凝土有限公司，江苏无锡214044【正文语种】中文【中图分类】TU528.41混凝土是现代土木建筑工程——房屋、道路、水运、水利、桥梁等工程中用量最大、用途最广的一种工程材料，具有经济效益好、可塑性好等特点，发挥着其他的材料无法替代的作用和功能。但是，由于混凝土本身特点所致，也有着不少制约其发展的缺陷。混凝土是一种具有多孔结构的非均质材料，是常见的脆性材料，其具有的抗拉强度低、抗裂性差、弹性模量高等特点［1］，有时不能满足实际工程需要。聚合物改性混凝土由此而生，自1923年英国人CressonL［2］获得第一个聚合物混凝土方面的专利后，便掀起了一股聚合物混凝土的研究热潮［3］。国际上通常将聚合物混凝土材料分为3类，第一类是纯聚合物混凝土或称树脂混^±(PolymerConcrete，PC)，它是由聚合物代替水泥作为胶结材料与集料拌和，经浇筑养护和聚合而成的一种混凝土。第二类是聚合物改性混凝土(PolymerModifiedConcrete,PMC),也称聚合物水泥混凝土(PolymerCementConcrete,PCC)，它是将聚合物与水泥复合作为胶结材料与集料拌和，再经浇筑养护和聚合而成的一种混凝土。第三类是聚合物浸渍混凝土(PolymerImpregnatedConcrete,PIC)，它是将硬化干燥后的普通混凝土浸渍在可聚合的低分子单体或预聚体中，在单体或预聚体渗入混凝土中的空隙后，引发聚合物所得到的聚合物混凝土复合材料，按浸渍方法又分为完全浸渍和部分浸渍两种［4］。聚合物改性混凝土还包括聚合物改性砂浆(PolymerModifiedMortar,PMM)。由于聚合物改性混凝土制作简单，采用现有的混凝土生产设备就能生产，成本较低，实际应用也较多，因此研究聚合物改性混凝土具有不可忽视的实际意义。用作改性混凝土的聚合物主要有4类：水溶性聚合物、聚合物乳液(分散体)、可分散聚合物粉料和液体聚合物。其一般满足以下要求［5-6］:对水泥的水化无负面影响。对水泥水化过程中释放的高活性离子有很高的稳定性。机械稳定性好，在操作过程中不会破乳。⑷低引气性。(5)在混凝土中能形成与水泥水化产物和集料之间具有良好粘结性的膜层，同时最低成膜温度要低。（6）耐水性、耐碱性、耐候性好。⑺不破坏水泥的碱性介质。（8）对钢筋无锈蚀作用。1.1水溶性聚合物水溶性聚合物能改善水泥混凝土的工作特性，其可以以粉末或水溶液的形式使用。当以粉末形式使用时，一般先将其与水泥和集料进行干混，然后再加水进行湿拌。当使用粉末状水溶性聚合物时，应选择易于在冷水中溶解的种类。水溶性聚合物可以提高水相的黏度，对于大流动性的混凝土，能提高其稠度而避免或减轻集料的离析和泌水，但又不会影响其流动性。另外，水溶性聚合物还会形成一层极薄的薄膜，从而提高砂浆和混凝土的保水性。水溶性聚合物对硬化砂浆和混凝土的强度一般没有太大的影响［7］。1.2聚合物乳液（或分散体）聚合物乳液是由聚合单体在水中进行乳液聚合而获得的，乳液中的聚合物粒子很小，直径为0.05~5pmo-般而言，按照乳液中粒子所带电荷的种类可分为3类：阳离子型乳液（带正电）、阴离子型乳液（带负电）、非离子乳液（不带电）。聚合物粒子带什么电荷主要是由生产乳液时所使用的乳化剂决定的，混凝土改性通常使用非离子型的乳化剂［8］。聚合物乳液对混凝土的改性作用主要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层，进而堵塞砂浆内的孔隙来实现的。水泥的水化过程与聚合物的成膜过程同时进行，最后形成一种水泥浆与聚合物膜相互交织的互穿型网络结构。若聚合物的可反应基团与固体氢氧化钙表面或集料表面的硅酸盐发生化学反应，则可以改进水泥水化产物与集料之间的粘结，从而改善混凝土的性能。1.3可分散性聚合物粉料可分散性聚合物粉末一般由聚合物乳液经喷雾干燥而成，具有比较好的干流动性，在水中容易重新乳化而得到聚合物乳液，其中聚合物粒子约为1~10pm。将可分散聚合物粉料与水泥和集料一起干混，然后再加水湿拌，在湿拌时聚合物粉末便重新分散。它对水泥砂浆和混凝土的改性机理与聚合物乳液相同，只不过它往往是先与水泥和集料进行干混，再加水湿拌后才会重新乳化成乳液［9］。1.4液体聚合物将液体聚合物用于混凝土改性时，必须采用能在水存在下固化的系统，同时聚合物的固化反应和水泥的水化反应能同时进行，从而形成聚合物与水泥凝胶互穿的网络结构。这种结构使得集料粘结得更为牢固，并提高了混凝土的性能。用于水泥混凝土改性的液体聚合物有环氧树脂和不饱和聚酯，在与水泥混合时还要加入固化剂。与聚合物乳液改性相比，使用液体聚合物时聚合物的用量要多很多，因为聚含物并不亲水，分散不太容易。所以，目前液体聚合物比其他类型的聚合物要少得多［10］。由于水泥水化产物与聚合物两相互穿形成了网络结构，堵塞了混凝土内部空隙，增强了集料之间的粘结力，因此，硬化后的PMC的各种性能均比普通混凝土要好。除了力学性能之外，各种物理和化学性能也得到了提升。2.1力学性能2.1.1强度由于聚合物本身具有较高的抗拉强度，改善了水泥水化产物与集料之间的粘结，因此PMC的抗拉强度比普通混凝土有明显的提高，但其抗压强度则没有明显提高，甚至有所降低。聚合物品种不同，本身的性能也不同，对PMC强度的影响也不同。弹性胶乳有使PMC抗压强度下降的趋势，而热塑性树脂乳液则会使PMC的抗压强度提升。同—种聚合物，其共聚物中单体含量不同，也会对PMC的强度有所影响。PMC的抗压、抗弯以及抗剪强度均随着聚灰比的增加而提高。其中，抗拉、抗折强度一般先提高再下降，说明存在着一个最佳掺量范围。其强度下降的原因一般认为是乳液的引气作用导致过多的气泡。而抗压强度则基本不变，有时呈现上升或下降的趋势，抗压强度下降的原因被认为是聚合物的弹性模量比硬化水泥浆体低，当复合体受压时起不到刚性支撑作用。聚合物的刚性提高时，则抗压强度可随聚灰比提高而提高［11］。OhamaY提出了计算聚合物改性混凝土抗压强度的公式［4,11］:对于PMM:对于PMC:养护条件对强度也有影响，对于PMC和PMM，理想的养护条件是：早期水养以促进水泥水化；后期干养，以促进聚合物成膜。聚灰比越大，干养后期强度增加越多。2.1.2粘结性能通常，PMC的粘结性能均比普通水泥砂浆有所提高，性能提高的程度受聚合物品种、聚灰比及聚合物与水泥悬浮体对被粘基材的液相渗透程度等影响。与普通混凝土相比，PMC对各种基材的粘结强度均得到提高，粘结强度随聚灰比的提高而提高，同时也受基底材料性质的影响。粘结强度数据往往相当分散，同时也会因试验方法、养护条件和基面孔隙度而变化［12］。有机聚合物不仅可以改善水泥砂浆的内聚强度及水泥浆与集料之间的粘结力，而且对老旧混凝土或钢板的粘结效果均有显著提高，这种性质使得有机聚合物很适合于老旧混凝土的修补及表面涂层。2.1.3弹性模量PMC的弹性模量明显较普通水泥混凝土和砂浆下降，其下降程度与聚合物种类和聚灰比有关。通常聚灰比增大，弹性模量下降。此外，泊松比几乎不受聚灰比的影响［8］。2.1.4耐磨性普通水泥混凝土和砂浆中加入聚合物可大幅度提高其耐磨性，提高的程度与聚合物品种、聚灰比以及磨损条件有关，一般随聚灰比的增大而提高［8］。2.1.5韧性PMM的韧性比普通水泥砂浆要好得多，断裂能是水泥砂浆的2倍以上。显微研究表明，在胶乳改性砂浆横断面上可清楚地看到聚合物薄膜就像桥梁一样横跨在微裂缝上，因此能有效地阻止裂缝的形成和扩展，所以胶乳改性砂浆的断裂韧性、变形性能较水泥砂浆有很大提高。乳液改性砂浆和混凝土的冲击韧性随聚灰比的提高而增大，且弹性胶乳改性优于热塑性树脂乳液改性［13］。2.1.6徐变养护条件、聚合物种类和聚灰比均对PMC的徐变有影响。部分研究认为PMC的徐变比普通混凝土大，但也有研究认为PMC的徐变比普通混凝土小［8］。2.2物理与化学性能2.2.1密度和孔隙率PMC的平均密度取决于很多因素，与聚合物用量、品种等有关。在其他条件相同时，PMC的密度随聚合物含量的增加而减小［8，14-15］。加入聚合物乳液引起材料内空隙的重新分布，使得孔隙率增大，因此在PMC密度下降的同时，空隙变小并均匀分布。2.2.2耐水性由于聚合物填充并封闭大孔，使得总空隙量、大直径空隙量以及开口空隙量均减少，进而使得PMC的吸水性大大减少，不透水性大大提高。同时，这种效应随聚灰比的提高而增大［15］。2.2.3抗碳化性由于聚合物的填充和封闭作用，空气、二氧化碳等气体的透过性大大降低，因而抗碳化能力也大大提高。2.2.4抗Cl-离子侵蚀性由于Cl-离子是随着水迁移的，而聚合物所带来的良好的不透水性使得其具有很好的抗Cl-离子侵蚀能力。随着聚灰比的提高，Cl-离子的扩散系数降低，Cl-离子的侵蚀深度呈线性下降。2.2.5抗冻性与耐候性由于PMC的吸水率大大降低，以及孔隙率降低，加之一定的引气作用，其抗冻性比普通混凝土好得多［16］。2.2.6耐化学介质在PMC中，由于聚合物的填充作用和聚合物膜的密封作用，使得PMC的耐腐蚀性大大提高。其主要耐油和油脂类，但不耐有机溶剂［17］。通常，耐蚀性随聚灰比的提高而提高。2.2.7干缩PMC的干缩主要受聚合物种类及聚灰比的影响。PMC的干缩随干燥时间的延长而增加，至28d趋于稳定。通常来讲，28d干缩随聚灰比的增大而减少。在各类PMC和PMM中，乳液砂浆和混凝土应用得最多。与普通混凝土相比，有着较高的弯曲强度、非常好的粘结性、防水耐磨、耐化学介质腐蚀，能抗碳化、抗氯盐侵蚀，抗冻性和耐候性也大大提高。因此，PMC和PMM能应用于许多普通混凝土不适用的地方。主要应用在以下几个方面：3.1修补材料由于聚合物对旧混凝土有很好的粘结效果，因此PMM最早就用于修补混凝土结构，包括修补裂缝、表面剥落、钢筋防腐保护等。自20世纪80年代以来，已在国内许多工程上广泛应用，如房屋建筑中混凝土的修补，路面桥梁、水库大坝、溢洪道、港口码头混凝土的修补等。此外，需要根据具体工程的要求选用相应的PMC或者PMM［18］。3.2防水材料PMC和PMM用作防水材料主要包括两类，结构防水(或称刚性防水)及膜层防水(或称柔性防水)。结构防水的聚灰比较小，砂浆使用厚度至少在5mm以上，多数为10mm左右；膜层防水的聚灰比很大，主要作为防水涂层使用，使用厚度约为2~3mm。其广泛用于混凝土类屋面、墙面、地下室内外墙、水池、游泳池、化粪池等［19］。3.3粘结剂PMC和PMM具有良好的粘结性能，根据这一性能，PMC和PMM已用于粘结瓷砖、新旧混凝土之间的粘结等［20］。3.4用于防腐蚀涂层因PMC的密度显著提高，使其抗渗性能大为改善，吸水率降低，能有效阻止腐蚀介质的侵入，从而提高混凝土结构的耐腐蚀性。国内已将PMC广泛应用于化工车间、化学实验室等的地面、墙面、屋面板等地方［21］。3.5表面装饰和保护PMM可直接作为建筑物墙面的装饰层，可作为找平层，还能用作各种结构的保护层，如隧道、地沟、坑道、管道、训练场等场合。用于内外卜装饰层时，对其性能需求以及聚灰比要求有所不同。虽然PMC弥补了普通混凝土的很多缺点，但是其自身也有一些问题。主要表现在以下几个方面：虽然生产工艺非常简单，但是性能改善不够显著，需要进一步地研究。成本较普通混凝土高，因此在保证性能的基础上降低成本是一个需要解决的问题。⑶各项性能影响因素较多，对施工时的要求较高。使用年限未经过考证，而这一点仍在研究中。对抗压强度提升不明显，甚至会起反作用。随着科学技术的不断发展，对建筑材料性能的要求也在不断提高。聚合物改性混凝土PMC具有制作简单、防水耐磨、耐冲击性好、弯曲强度较高、粘结性好、耐化学介质腐蚀等优点，即使其在某些方面仍有问题，但是PMC作为一种高性能材料已经广泛应用于建筑房屋、工厂、装饰、桥梁等多个领域。对于今后的发展方向，需要更全面、更具体，例如PMC的使用年限、抗压强度的提高、性能最好的综合配比、更低的使用成本等，将是今后主要的研究方向。通过不断地研究与发展，将会使PMC能够更好地满足实际需要，更好地发挥作用。【相关文献】冷发光，周永祥，王永海，等.混凝土材料技术发展与展望[J].建筑科学，2013，29(11):114119.CressonL.Improvedmanufactureofrubberroadfacingrubb-flooring，rubbertilingorotherrubber-lining[P].Britishpatent:191474，1923-1-12.季中明，高奉君.浅谈土建工程中新型混凝土材料的应用[J].建筑与文化，2013(10):7.王静，贾宝华，李伟，等.混凝土材料的动态力学性能研究[J].北京理工大学学报，2013，33(8):776-782.张二芹，黄志强.聚合物混凝土的发展及应用[J].四川建材，2014，40(3):39-40，43.陈铁生，董志刚，尚秦江.高耐久性的聚合物纤维混凝土的性能及应用[J].青岛理工大学学报，2011，32(6):12-15.王引平，王冬一.无机聚合物混凝土力学性能研究[J].四川建筑，2014，34(6):238-240.刘卫东.改性聚丙烯纤维混凝土的工程性能研究[D].上海：东华大学，2010.罗立峰.钢纤维增强聚合物改性混凝土的冲击性能[J