聚合物改性水泥砂浆的研究进展

聚合物改性水泥砂浆的研究进展

引言早在90 年前聚合物改性砂浆和混凝土的概念就已

被提出了，但直到20 世纪70 年代后此类材料才得到较快发展，正值欧美发达国家在20 世纪四五十年代修建的混凝土

结构进入修补加固的时期。从某种程度上说，聚合物在水泥

基材料中的应用是伴随着混凝土结构的修补加固而发展起来的。随着近年来我国兴建的混凝土结构进入维修加固期，聚

合物改性水泥砂浆在我国的研究应用也有了较快发展。聚合

物的掺入可以提高水泥砂浆和混凝土的强度、粘结性能、抗

渗透性、耐腐蚀性等，因此聚合物被广泛用于提高建筑材料

的性能。用于修补混凝土结构表面缺陷的聚合物改性水泥砂

浆（PMCM ），可分为乳液类和胶粉类。对大量应用于PMCM 中的聚合物的调查表明，通过乳液聚合的聚合物应用最为广

泛并且能够被接受。用于聚合物改性水泥砂浆中的常用聚合

物乳液主要有丁苯类乳液（SBR）、丙烯酸类乳液（PAE）、环氧类乳液（EE）、氯丁类乳液（CR）、苯丙乳液（SAE）、醋酸乙烯酯－乙烯共聚物乳液（VAE ）、支化羟酸乙烯酯乳液（VA－VEOV A ）、聚醋酸乙烯酯乳液（PVAC ）等。一、新拌聚合物改性水泥砂浆的性能1、工作性聚合物

的种类、掺量对新拌砂浆的工作性影响显著。有研究发现，

不同种类聚合物乳液的减水率都能达到20％以上，减水效果明显，其中SBR 的减水效果更优。即使是同种聚合物，由于聚合物乳液的性质不同，对改性砂浆流动性的影响也不相同。通常，随着聚灰比（聚合物与水泥的质量比）的增加，

乳液改性砂浆的流动性提高，工作性改善。聚合物乳液的掺

入能提高新拌砂浆的工作性，这是因为乳液中的表面活性剂

及稳定剂在改性砂浆中引入了较多气泡，砂浆中水泥颗粒的

堆积状态得到改善，水泥颗粒的分散效果提高。乳液的憎水

性和胶体特性使新拌改性砂浆具有良好的保水性，从而降低

了对其进行长期湿养护的必要。通过在聚合物改性砂浆中掺

入纤维素醚、改性无机矿粉可以进一步提高新拌砂浆的保水率。2、含气量已有研究表明，聚合物乳液改性砂浆的含气

量高于空白普通水泥砂浆，这是因为掺入的聚合物乳液中的

表面活性剂和稳定剂在新拌砂浆中引入了较多气泡。适当的

引气有助于改善新拌水泥砂浆的流动性，提高其抗渗性和抗

冻融性，但过量的气泡则会降低砂浆的强度。一般聚合物乳

液改性砂浆的含气量为5%～20%，有些甚至高达30%。控制改性砂浆的含气量，常用的方法是在乳液中掺入适量的消泡剂。有研究表明，不掺消泡剂的聚丙烯酸酯乳液改性水泥砂浆的含气量为43.6%，而当掺入0.5%的消泡剂后含气量大幅降低至8.0%。考虑到消泡剂可能会影响水泥与增强材料之间的粘结，有些文献研究了其它降低含气量的方法，例如在拌

合前采用恒温水浴法提高环氧乳液的温度可以降低改性砂浆的含气量。3、凝结时间与工作时间通常掺入聚合物乳液后，水泥砂浆的凝结时间延长，乳液掺量的影响较为显著。对此不同学者的研究有较大出入。有些研究发现，聚合物改性砂浆的凝结时间比普通水泥砂浆延长且随着聚灰比的增大而增加。但有的研究结果却刚好相反。聚合物改性砂浆的工作时间与凝结时间没有直接的关系，主要与施工时表面的干燥条件（温度、湿度、风速等）有关。如果改性砂浆表面干得太快，较早形成“硬皮” ，就会影响最后的修整工作。一般来说，聚合物改性砂浆拌合完暴露于空气中后，需要有15～30min 的工作时间进行表面刮平等修整工作。4、塑性开裂新拌砂浆在凝结硬化前（塑性阶段）由于表面水分快速蒸发容易产生塑性开裂，主要原因是砂浆内部的泌水速度与表面水分的蒸发速度之间存在差别。研究表明，聚合物的掺入限制了砂浆塑性收缩导致的表面和内部微裂缝的产生。有学者认为，聚合物减缓了水泥水化的放热速率，提高了砂浆的抗开裂性能，但收缩变形会增大。对此有学者发现，掺加适量的聚丙烯纤维可以有效抑制改性砂浆的塑性开裂。进一步的研究发现，纤维的种类和长度、聚丙烯纤维的几何形态、不同的搅拌方式、砂子的粒径对改性砂浆的早期失水都有一定的影响。考虑到乳液改性砂浆的收缩变形较大，在现场施工时应特别注意蒸发率超过0.5kg/（m2 ·h）的情

况，施工完后最好对砂浆采取短期的保湿养护措施。

二、硬化聚合物改性水泥砂浆的性能1、粘结性能聚合物改

性砂浆在各种基体上的粘结都比普通水泥砂浆好，原因是聚

合物与被粘基体材料具有良好的胶接作用。不同种类的聚合

物对改性砂浆的粘结性能影响较大。有学者研究发现，丙烯

酸砂浆对老混凝土基体的长期粘结性能优于纯丙和氯丁砂

浆。聚合物的掺量和水灰比对改性砂浆的粘结强度也有重要

影响。试验表明，添加5% ～20% 的聚合物乳液可以将基准砂浆的粘结强度提高1～4 倍。也有学者认为，低聚合物掺量（不超过3.5%）下，改性砂浆的粘结强度与聚合物的掺量成正比；而当聚合物掺量超过3.5%时，掺量增加1% 会使粘结强度降低40% 。在文献的研究中，研究了不同水灰比对聚合物改性砂浆粘结性能的影响状况，结果发现，90d 龄期时，两种不同水灰比（0.35，0.4）的改性砂浆粘结强度均大于4MPa，比水灰比0.3时的粘结强度提高不止1 倍，且远高于空白水泥砂浆。而粘结养护制度也会影响改性砂浆的粘结性能，不同的聚合物改性砂浆有各自适合的粘结养护制度。2、抗压强度和抗折强度通常，聚合物的掺入会降低水泥砂浆的

抗压强度，提高其抗折强度。水胶比相同时，聚合物改性砂

浆的抗压强度要低于未改性的普通水泥砂浆。文献对比了掺

入SBR 乳液和PAE 乳液后改性砂浆的强度，结果表明，两

种改性砂浆的抗压强度较空白水泥砂浆均有所减小，但是聚

灰比0.2 时的抗压强度高于聚灰比0.1 时的抗压强度。

聚合物砂浆的配合比（聚灰比、水灰比、灰砂比等）是影响

砂浆强度的主要因素。文献研究表明，当聚灰比＜7.5%时，SBR 的掺入会显著降低砂浆的抗压强度。文献对比了3 种不同类型聚合物乳液对自流平砂浆强度的影响，研究发现，3 种改性水泥砂浆的抗压强度随着聚合物掺量的增加均有所下降。对此有学者研究认为，纤维素醚的掺入减缓了聚合物对砂浆抗压强度的降低趋势。文献研究发现，水灰比对改性砂浆的抗压抗折强度略有影响。而当水泥砂浆的灰砂比不同

时，聚合物乳液对抗压抗折强度的改性效果也不同。掺入掺和料对改性砂浆的强度影响显著，不同学者的研究结果相差较大。有学者研究发现，掺入硅灰或矿渣后，改性水泥砂浆的强度提高，其中掺入10%硅灰的改性效果优于掺入40%的矿渣。有研究表明，掺入超细矿渣后，聚合物改性砂浆的

28d 抗压抗折强度比普通水泥砂浆高出15%～25%。在文献的研究中，研究了不同种类的矿物掺和料对聚合物改性砂浆性能的影响情况，结果表明，掺加粉煤灰能提高砂浆的抗折强度，掺加矿渣粉能提高砂浆的抗压粉煤灰的加入会减小改性砂浆的强度，同时粉煤灰的细度不同也会影响改性砂浆的强度。掺入聚丙烯纤维可以提高改性砂浆的抗折强度，长纤维能大大提高水泥砂浆的抗折强度，而短纤维的提高效果则