研究生开题报告

硕士研究生课题开题报告指导教师：孔祥明硕士生：师海霞一、课题名称聚合物乳液在混凝土中的应用二、课题背景及研究意义聚合物混凝土（concrete-polymer material ）为颗粒型有机－无机复合材料的统称。

这类材料在近30年来有显著的发展。

按其组成和制作工艺,可分为:聚合物浸渍混凝土(polymer impregnated concrete,PIC)；聚合物水泥混凝土（polymer cement concrete，PCC），也称聚合物改性混凝土（polymer modified concrete，PMC）；聚合物胶结混凝土（polymer concrete，PC），又称树脂混凝土(resin concrete，RC)。

以上所称混凝土也都包括砂浆在内。

聚合物混凝土与普通水泥混凝土相比，具有高强、耐蚀、耐磨、粘结力强等优点。

上述三种聚合物混凝土的主要物理力学性能见表[聚合物混凝土和普通混凝土的物理力学性能比较从经济效益讲，如按每单位体积材料作比较，聚合物混凝土的价格高于普通水泥混凝土，但如按单位强度和使用年限作比较，则前者常比后者的价格为低。

聚合物浸渍混凝土(PIC) 以已硬化的水泥混凝土为基材,将聚合物填充其孔隙而成的一种混凝土-聚合物复合材料,其中聚合物含量为复合体重量的5～15％。

其工艺为先将基材作不同程度的干燥处理，然后在不同压力下浸泡在以苯乙烯或甲基丙烯酸甲酯等有机单体为主的浸渍液中,使之渗入基材孔隙,最后用加热、辐射或化学等方法,使浸渍液在其中聚合固化。

在浸渍过程中,浸渍液深入基材内部并遍及全体者，称完全浸渍工艺。

一般应用于工厂预制构件，各道工序在专门设备中进行。

浸渍液仅渗入基材表面层者，称表面浸渍工艺，一般应用于路面、桥面等现场施工。

由于聚合物填充了水泥混凝土中的孔隙和微裂缝，可提高它的密实度，增强水泥石与集料间的粘结力，并缓和裂缝尖端的应力集中，改变普通水泥混凝土的原有性能，使之具有高强度、抗渗、抗冻、抗冲、耐磨、耐化学腐蚀、抗射线等显著优点。

可作为高效能结构材料应用于特种工程，例如腐蚀介质中的管、桩、柱、地面砖、海洋构筑物和路面、桥面板，以及水利工程中对抗冲、耐磨、抗冻要求高的部位。

也可应用于现场修补构筑物的表面和缺陷，以提高其使用性能。

聚合物浸渍混凝土的制备技术，还可推广到不以水泥混凝土为基材和不以有机单体为浸渍液的材料，例如聚合物浸渍石膏和硫磺浸渍混凝土。

聚合物水泥混凝土(PCC) 以聚合物(或单体)和水泥共同作为胶凝材料的聚合物混凝土。

其制作工艺与普通混凝土相似，在加水搅拌时掺入一定量的有机物及其辅助剂，经成型、养护后，其中的水泥与聚合物同时固化而成。

聚合物掺加量一般为水泥重量的5～20％。

使用的聚合物一般为合成橡胶乳液，如氯丁胶乳(CR)、丁苯胶乳(SBR)、丁腈胶乳(NBR)；或热塑性树脂乳液，如聚丙烯酸酯类乳液(PAE)、聚乙酸乙烯乳液(PVAC)等。

此外环氧树脂及不饱和聚酯一类树脂也可应用。

由于聚合物的引入，聚合物水泥混凝土改进了普通混凝土的抗拉强度、耐磨、耐蚀、抗渗、抗冲击等性能，并改善混凝土的和易性，可应用于现场灌筑构筑物、路面及桥面修补，混凝土储罐的耐蚀面层，新老混凝土的粘结以及其他特殊用途的预制品。

聚合物胶结混凝土(PC)以聚合物（或单体）全部代替水泥，作为胶结材料的聚合物混凝土。

常用一种或几种有机物及其固化剂、天然或人工集料（石英粉、辉绿岩粉等）混合、成型、固化而成。

常用的有机物有不饱和聚酯树脂、环氧树脂、呋喃树脂、酚醛树脂等，或用甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯等单体。

聚合物在此种混凝土中的含量为重量的8～25％。

与水泥混凝土相比,它具有快硬、高强和显著改善抗渗、耐蚀、耐磨、抗冻融以及粘结等性能，可现场应用于混凝土工程快速修补、地下管线工程快速修建、隧道衬里等，也可在工厂预制。

三、国内、外研究现状1聚合物水泥基复合材料概况复合材料是应现代科学技术发展涌现出的具有强大生命力的材料。

它是由两种或两种以上异质、异性、异形的材料复合而成的新型材料［1］。

复合材料可经设计，即通过对原材料的选择、各组份分布设计和工艺条件的保证等，使原组份材料优点互补，因而呈现了出色的综合性能。

材料复合技术问世以来，在无机－金属，无机－有机复合材料的研究上取得了很大的发展［2～9］。

作为传统建筑和基础材料的水泥基混凝土材料，是无机非金属材料中的最主要的一类人工制造材料，迄今为止仍是整个建筑工程不可缺少的基础。

从社会发展角度来看，它仍是现在和未来的主要建筑材料［10］。

这类材料资源丰富，材料适用性强，耐久性好，成型加工方便，成本低廉，但是它脆性大、强度低。

自1843年勃特兰水泥问世以来［11］，历经多次发展，均以扩大用途与提高力学性能为主线。

水泥基复合材料是由水硬性胶凝材料与水发生水化、硬化后形成的硬化水泥浆体作为基材，与各种无机、金属、有机材料所组成。

普通水泥砂浆抹灰材料手工拌合时的和易性较差，容易产生空鼓现象，致使留下透风渗水孔隙和通路，且粘接力不高，容易造成界面粘接不牢、开裂、脱落等质量问题。

普通水泥砂浆不饱满、不密实，不能有效地形成具有防水抗渗作用的整体不透水层。

它也存在抗压或抗折强度低、脆性大、耐腐蚀能力不高、密度大等缺陷，其使用范围受到很大局限[12]。

要进一步提高水泥的性能，就要改进胶结材料的性能，因此人们就开始使用聚合物乳液与水泥掺合以改进砂浆的各种性能。

聚合物水泥基复合材料是指掺有粗细集料的和未加集料的聚合物水泥混凝土、聚合物水泥砂浆和聚合物水泥净浆的泛称。

聚合物水泥基复合材料主要有水泥、石膏、聚合物、成膜材料、助剂、混合材、颜填料等组成[13]。

广义讲，聚合物水泥基复合材料属于有机和无机的复合材料。

有机物，特别是高分子聚合物，其优异的柔韧性，抗冲击性，以及良好的抗渗性和单位体积重量小等等固有的优势，是众所周知的。

这正好弥补了普通水泥基材料的缺陷。

大量的工程实践证明，高分子聚合物在水泥基材料中有效地改进了其性能。

若把水泥基材料视为水泥浆体粘接剂和集料两种结构组分构成的复合材料时，则聚合物可以从几个方面来改善水泥基材料的性能[14]：1.提高粘接剂本身强度；2.增强粘接剂和集料界面间的粘接力；3.提高集料的强度；4.填充空隙；5.上述综合效果。

就其改性效果而言，在水泥基复合材料中加入有机聚合物先后出现了聚合物浸渍混凝土（PIC）、聚合物水泥混凝土（PCC）。

这类材料具有较好的力学性能，主要原因是聚合物在水泥基体中有增塑、增韧、填孔和固化作用。

由于成本较高和水泥基体与聚合物之间的整体复合不够完善，发展受到限制[15]。

而用于建筑节能的聚合物水泥基复合材料并非只是通过对砂浆及混凝土进行改性就可满足其应用性能。

应用于建筑节能的聚合物水泥基复合材料应是聚合物与水泥之间的相互改性的复合材料。

研究进展已有文献大量报道的主要是聚合物改性水泥砂浆及改性混凝土的研究结果。

而改性混凝土方面的研究结果对用于建筑节能的聚合物水泥基复合材料研究的指导作用不大。

2聚合物水泥砂浆发展概况自硅酸盐水泥发明以来，水泥一直是最重要的建筑工程材料之一。

由于它属于水硬性无机胶凝材料以及具有较高的抗压强度及弹性模量，可用来配制成多品种、多强度等级的混凝土、钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土构件及结构，还可用于配制各种砂浆以及用作灌浆材料等，因而被广泛应用地上、水中及地下工程。

然而硅酸盐水泥硬化成水泥石之后，其中存在有引起腐蚀的组成成分氢氧化钙和水化铝酸钙。

水泥石本身也不密实，有很多毛细孔通道，使混凝土和砂浆产生渗透性，使用性能下降，同时，侵蚀性介质易进入其内部，以致由其配制的混凝土或砂浆易受到腐蚀，导致材料耐久性下降。

另一方面，由于混凝土或砂浆中的水泥浆与石子或砂子之间存在含有微裂缝的界面区（或称过渡区），因而在受弯和受拉荷载作用下，界面区的裂缝在非常低的应力下就会迅速扩展，导致材料呈脆性破坏，即表现为较低的抗拉（弯）强度及变形性差的弱点。

针对上述情况，人们采取使用多种材料与水泥复合配制混凝土或砂浆，以改善水泥石的性能及界面区的结构，提高混凝土或砂浆的综合性能。

随着化学工业的发展，人们已逐渐认识到，高分子聚合物区别于低分子化合物的主要特征在于，高分子材料的大分子的链段的松弛运动，使其呈现出特有的韧性和弹、粘性［16］。

因此可以将聚合物的这些优点应用到水泥混凝土及砂浆中，从而形成了有机材料和无机材料向复合的边缘科学—聚合物混凝土或砂浆复合材料。

其科学领域是介于聚合物科学、无机胶凝材料化学及混凝土工艺学之间。

世界上第一个（1923年）申请用天然橡胶乳液（NR）改性水泥砂浆及混凝土专利的是里夫布尔（Lefebure）［17］，1932年邦德（Bend）第一个获得用人造橡胶乳液改性水泥砂浆及混凝土的专利［18］。

20世纪40～50年代，人们发明了多种合成聚合物乳胶进行改性的专利，并把橡胶改性水泥砂浆应用到船舶、地面和道路的面板涂层，作为防腐和粘结材料。

60年代以后，除将合成胶乳用于对水泥混凝土进行改性外，人们又研究把多种聚合物，例如聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、聚氯乙烯等用于水泥砂浆及混凝土改性。

70年代以后，人们又开始研究应用不同形态的聚合物，例如应用聚合物单体、树脂、胶乳、聚合物粉末等对水泥砂浆及混凝土改性。

自1971年美国混凝土学会（ACI）成立了548聚合物混凝土委员会以后，从1979年开始，每隔三年左右即组织召开一次聚合物混凝土的国际学术讨论会[19]。

80年代至今，世界范围对这一领域研究开发的兴趣与日俱增，并有了大量的科研成果。

1981年PIC （Polymer in Concrete）国际委员会成立，负责定期召开国际会议，并定期交流聚合物混凝土方面的信息。

目前，世界上在这一领域比较先进的国家有美国、日本、前苏联、德国等。

聚合物改性水泥砂浆(PCM)在我国正式应用始于1980年，比较成熟的要数丙烯酸酯共聚乳液水泥砂浆或苯丙乳液（PAE砂浆）。

其他还有氯丁胶乳砂浆（CR砂浆）、聚氯乙烯－偏氯乙烯乳液砂浆（PVDC砂浆）及丁苯胶乳砂浆（SBR砂浆）等。

3聚合物水泥砂浆分类3.1聚合物品种国内外用于水泥混凝土或砂浆改性剂的聚合物品种繁多，基本上分为三种类型[19]：聚合物水分散体、水溶性聚合物或单体和粉末状聚合物。

1.聚合物水分散体1）橡胶胶乳：其中又有天然橡胶胶乳及合成橡胶胶乳－氯丁胶乳、丁苯胶乳、丁腈胶乳、甲基丙烯酸甲酯－丁二烯胶乳、聚丁二烯胶乳。

2）树脂乳液：其中含有热固性树脂胶乳、热塑性树脂胶乳、沥青胶乳。

（1）热固性树脂胶乳：环氧树酯乳液和不饱和树脂乳液。

（2）热塑性树脂胶乳：聚丙烯酸酯乳液、聚醋酸乙烯酯乳液、聚氯乙烯－偏氯乙烯乳液、乙烯醋酸乙烯共聚乳液、聚丙酸乙烯酯乳液、聚丙稀。