水泥基复合材料

水泥基复合材料

艾ai青摘要: 本文论述了水泥基材料改性用聚合物种类、聚合物改性机理、聚合物改性水泥基材料研究进展和发展趋势。加入了聚合物材料后，水泥基材料的性能，如强度、变形能力、粘结性能、防水性能、耐久性能等都会有所改善，改善的程度与聚灰比、聚合物的品种和性能有很大关系。但也存在不足之处，如抗压强度提高不大，有时还降低，最高使用温度不如普通混凝土等。笔者认为，研究如何大幅度提高聚合物改性水泥基材料的抗压强度和最高使用温度很有意义。

关键词: 关键词聚合物改性水泥基材料进展机理性能

1.引言

普通混凝土因抗压比低，干缩变形大，抗渗性、抗裂性、耐腐蚀性差，密度大，其使用范围受到很大限制。随着工业的发展，出现了钢筋混凝土、自应力混凝土和纤维混凝土。但在这些改进中，胶结材料水泥的性能没有发生改变，因此也限制了混凝土性能的提高。水泥混凝土（砂浆）的一个新动向就是水泥混凝土（砂浆）与有机高分子材料复合，这样可以有效地改善混凝土（砂浆）的性能。因为有机高分子聚合物的长分子链结构以及大分子中的键节或链段的自旋转性，决定其具有与无机非金属材料不同的性质—弹性和塑性[1]。所以在水泥混凝土（砂浆）中加入少量有机高分子聚合物，既可以使混凝土获得高密实度，又不至于使混凝土（砂浆）的脆性加大，这样便可制得高强度、高抗渗和高耐腐蚀性的混凝土。如今，聚合物改性砂浆和混凝土不仅在混凝土结构的修补和维护方面成为一种非常重要的材料，就是在新的建筑中也获得越来越广泛的应用，尤其是在桥面、停车场、码头、瓷砖和石材粘结、建筑防水、防腐等工程领域。

2. 聚合物改性水泥基复合材料

1.1. 改性用聚合物种类

聚合物改性水泥基复合材料是指在水泥混合时加入了分散在水中或者可以在水中分散的聚合物材料，包括掺和不掺骨料的复合材料、水泥浆、砂浆和混凝土。用于水泥混凝土（砂浆）改性的聚合物有四类，即水溶性聚合物、聚合物乳液（或分散体）、可再分散的粉料和液体聚合物。聚合物乳液通常是将可聚合单体在水中进行乳液聚合而获得的，但也有一些聚合物乳液不是通过单体乳液聚合而获得的，如天然橡胶胶乳是直接从橡胶树上获得，再经适当浓缩制成的；环氧乳液则一般是用乳化剂将环氧树脂乳化而成的。可再分散的聚合物粉料一般是由聚合物乳液经喷雾干燥而成的，聚合物粉末与聚合物乳液就像是奶粉与牛奶一样。它对水泥砂浆和混凝土的改性机理与聚合物乳液是相同的，只不过它往往是先与水泥和骨料进行干混，再加水湿拌才重新乳化成乳液。水溶性聚合物品种很多，可以分为三大类：天然水溶性、半合成水溶性和合成水溶性。一般说，水溶性聚合物的用量非常小，通常在水泥质量的0。5%以下，对硬化砂浆和混凝土的强度没有大的影响[2]。因此，水溶性聚合物主要用来改善水泥砂浆和混凝土的工作特性，有时候也可以把其归类为增黏剂。用于水泥改性用的液体聚合物有环氧树脂和不饱和聚脂，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用量要更多，因为聚合物不亲水，分散不是很容易，所以用液体聚合物改性混凝土的情形要比其他类型聚合物少得多。聚合物水泥砂浆的配比一般为，水泥∶砂=1∶2～3（质量比）；聚灰比=5%～20%；

水灰比Ｗ／Ｃ=0.30～0.60。

1.2. 聚合物改性水泥基材料机理

关于聚合物改性水泥砂浆和混凝土的机理，主要从以下几个方面进行分析: （1）由于聚合物的加入引起了水泥石结构形态的改变，从而对水泥及水泥混凝土的性能起到改善作用。（2）聚合物与水泥或水泥水化产物相互发生了化学作用，从而对水泥混凝土的性能有改善作用。（3）聚合物的掺入会对水泥的水化及凝结硬化过程有影响，从而改变水泥混凝土的性能。（4）聚合物的掺入改变了混凝土的孔结构，改善了水泥浆体与骨料的粘结，减少了硬化水泥浆体中的微裂纹，从而改善了水泥混凝土物理力学性能。（5）由于聚合物的掺入，可改善水泥混凝土或水泥砂浆的工作性能，其减水作用可降低水灰比，从而改善了水泥混凝土的物理力学性能。聚合物对水泥混凝土的改性作用可能是上述几种原因之一，也可能是兼而有之。关于聚合物乳液对水泥砂浆和混凝土的改性作用，目前比较一致的看法是，改善作用是通过聚合物在水泥物在水泥浆与骨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。水泥水化与聚合物成膜同时进行，最后形成水泥浆与聚合物膜相互交织在一起的互穿网络结构[3]。具有可反应基团的聚合物可能会与固体氢氧化钙表面或集料表面的硅酸盐发生化学反应，这种化学反应可望改进水泥水化产物与骨料之间的粘结，从而改善混凝土和砂浆的性能[2]。 3. 聚合物改性砂浆和混凝土的性能由于聚合物掺入，改善效果最显著的是流变性、保水性、和韧性和粘结性能，对水泥砂浆和混凝土抗拉、抗折强度，耐磨性、抗渗性亦有较大幅度的提高。

1.3. 强度

聚合物改性砂浆和混凝土的抗拉强度和抗折强度比普通水泥混凝土和砂浆有明显提高。而抗压强度则没有明显改善，甚至有所降低。抗拉和抗折强度的提高主要归因于聚合物本身较高的抗拉强度和水泥水化产物与骨料之间的粘结的改善。以及聚合物减少了水泥砂浆和混凝土微裂纹和大孔隙数量。聚合物改性砂浆和混凝土的强度性能主要受到聚合物本身的性能、配合比（聚灰比、水灰比、胶砂比等）、养护方法、测试方法等因素影响，且这些因素往往相互光联。聚合物本身的性能对改性混凝土本身的性能对改性混凝土强度有重要影响。橡胶胶乳有使抗压强度下降的趋势，而热塑性树脂乳液有使抗压强度提高的倾向。随着聚灰比的提高，乳液改性砂浆和混凝土的抗拉抗折强度一般先提高，然后再下降。而养护条件对强度亦有一定影响，对乳液改性水泥砂浆和混凝土，最佳养护条件是早期湿养护，以促进水泥水化到一定程度，而后进行干养护，以利于聚合物成膜。

1.4. 粘结性能

水泥砂浆和混凝土加入乳液后可显著提高与其他材料的粘附强度，且粘结强度随聚灰比增大而提高，这种规律与聚合物的品种无关。添加少量聚合物就可使粘结强度提高30%以上，当聚合物含量达到水泥含量20%时，粘结强度可提高10 倍[4]。

1.5. 韧性

在相同流动度条件下，聚合物改性砂浆韧性比普通水泥砂浆要好得多，断裂能是水泥砂浆的二倍以上[5]，这主要是因为聚合物本身韧性好且增强了与水泥凝胶及骨料界面粘结，从而能抑制或延缓裂纹发展。乳液改性砂浆和混凝土的冲击韧性随聚灰比提高而增大，且橡胶胶乳改性优于热塑性树脂乳液改性。另外，受聚合物玻璃化温度的影响，聚合物改性混凝土的变形能力与测试温度有关，尤其是聚合物掺量较多的改性混凝土，低于玻璃化温度时，表现为脆性增强，温度较高时，聚合物易软化失去支撑能力，降低了应力，所以，