聚合物混凝土

2 聚合物水泥混凝土增强机理的分析

211 普通混凝土内部结构特点

普通混凝土是以水泥为胶凝材料,以砂石为骨料,在水的参与下经过化学反应而形成的混合材料。水泥在混凝土中起着非常重要的作用,它的水化生成物将砂石骨料粘结在一起,形成了坚实的混凝土整体。无论是研究普通混凝土,还是研究聚合物水泥混凝土,都必须考虑水泥的特性和工作状态。

水泥的主要成分是硅酸三钙3CaSiO2、硅酸二钙2CaSiO2、铝酸三钙3CaO#Al2O3和铁铝酸四钙4CaO#Al2O3#Fe2O3,这些矿物质以固体干粉颗粒的形式存在。当这些水泥颗粒与水接触时,其表面的矿物质就会不断地发生水解而生成水化物并放出一定热量。水化物生成后即脱离水泥颗粒表面向四周扩散,使水泥颗粒内部的矿物质继续水化和扩散。其中,硅酸钙很快地水化生成水化硅酸钙,它几乎不溶于水,而立即以胶体微粒的形式析出并逐渐凝聚而成为凝胶。水化硅酸钙的微观形象是大小与胶体相同的、结晶较差的、薄片状或纤维状颗粒;水化生成的氢氧化钙在溶液中的浓度很快达到过饱和,呈晶体析出;水化铝酸三钙晶体进一步与氢氧化钙反应,生成水化铝酸四钙晶体。在这些水化生成物颗粒之间存在着很强的粘结力和凝聚力,使水泥石具有较高的强度和其他力学性能。这种粘结力和凝聚力一般地被认为是来自于氢键、离子键和分子之间的引力(范德华力),但也可能有化学键力。

在普通混凝土中,水泥水化物颗粒(即凝胶、晶体等)充满在砂石骨料的缝隙中,并粘附在砂石表面且自身颗粒之间也相互粘结。可以想象,如果去掉砂石骨料,则水泥浆将呈现出立体空间网状结构。当水泥量充足时,水化后的水泥浆将砂石骨料紧密地包裹并粘结在这一空间立体网状结构中,使水泥、砂、石形成牢固的整体。

但是,在混凝土结构内部,由于水化、蒸发等原因,水逐渐失去,它所占的空间,一部分由水化时产生的水泥凝胶和晶体的体积膨胀而填充;另一部分则以孔洞的形式留在混凝土体内。加上施工时振捣

不实,故混凝土内部有许多细小的孔(洞)隙。所以,混凝土是一种非均质多孔隙材料,其抗拉强度低、抗裂性差、韧性和延伸性差,耐侵蚀性也有待改善。

212 聚合物水泥混凝土内部结构特点

为了克服普通混凝土的弱点并改善其性能,人们将有机物掺入混凝土,研制出聚合物水泥混凝土。聚合物水泥混凝土中所使用的聚合物是高分子有机材料,具有较高的粘结力。当聚合物与水泥混凝土混合后,聚合物乳液颗粒均匀地分散在水泥浆中,形成聚合物)))水泥混合体系。首先,由于所选用的聚合物在水溶液中不妨碍水泥的水化,故水泥在混合体系中同样进行水化反应,产生凝胶(水化硅酸钙)、氢氧化钙晶体、水化铝酸四钙等水化物。水泥水化物颗粒在混凝土骨料空隙中均匀分布,所到之处,与粗细骨料及聚合物分子紧密结合;水泥水化物颗粒之间也相互吸引和粘结。另外,应提到的是水泥水解产物中,存在着许多钙离子,这些钙离子在有机)无机混合体系中起到一种连接加强的桥梁作用。同普通混凝土一样。水泥水化物颗粒在混合体系中仍形成立体空间网状结构,除了水泥水化物颗粒之间相互吸引而结合的连接接触面以外,其余外部表面都是与骨料、聚合物分子颗粒相互吸引而粘结的接触面。

其次,在水泥水化凝结过程中,聚合物分子也产生化学变化。在混合体系中,砂骨料中主要含二氧化硅SiO2;在石骨料中主要含碳酸钙CaCO3;在水泥水化物中主要有水化硅酸钙、氢氧化钙Ca(OH)2,并存在许多钙离子Ca2+

。聚合物分子主要是与这些物质中的或表面的钙离子Ca2+、及SiO2二氧化硅反应,以离子键、共价键或极性键或分子引力的形式生成较稳定的物质。

以含酯基的聚合物为例,可以推测,当聚合物水解时,某些大分子链条上失去一部分烷基R,由()CO)OR形成()CO)O));然后与Ca2+和SiO2结合,生成较稳定的共价键结构;邻近的(或同一个)聚合物分子链上的分子由于分子间作用力又向Ca2+靠近和吸引;聚合物分子在与石骨料接

触时,则多以极性键的方式和石骨料中的Ca2+相吸引;从而在水泥水化物颗粒、聚合物分子、砂石骨料之间形成了以钙离子Ca2+为纽带的联合体,使它们之间牢固地联结在一起,这样,在聚合物水泥混凝土浆体内,聚合物分子之间相互粘结,在水泥水化物的空隙之间形成空间立体网状结构,并占据除骨料和水泥浆以外的绝大部分空间。除聚合物分子之间相互连接的接触面外,聚合物分子的其余外表面都是与骨料、水泥水化物颗粒相互粘结的接触面。由于聚合物具有较强的流动性和渗透性,较易渗透到水泥浆中的孔隙中去,并填充这些孔隙,使混凝土中的孔隙减少很多,增加了混凝土的密实度。

由此可知,在聚合物水泥混凝土中,水泥水化物颗粒和聚合物颗粒各自形成的空间立体网状结构,相互粘结穿插和交织,又形成了一个更紧密、更牢固的有机)无机复合空间立体网状结构。在这两个立体网的所有相互接触面上,都有较强的结合力将两者粘结在一起,如图3所示,水泥浆和聚合物混合网状结构。水泥所占的空间仍有一定数量的气孔。砂石骨料被牢固地粘结在这个复合网中,部分外表面与水泥水化物颗粒外表面粘结在一起;部分外表面与聚合物颗粒外表面粘结在一起,使得砂石骨料、水、泥浆、聚合物紧密粘结在一起,形成一个有机)无机复合混凝土实体结构。这个复合实体结构的各项性能比普通混凝土有所提高和改善。各种物质通过氢键、离子键、共价键、极性键、原子之间的化学键、分子引力等的作用而相互牢固地联结在一起,是复合混凝土实体结构形成的根本原因。

213 影响聚合物水泥混凝土特性的因素

1)强度。根据水泥和聚合物中各分子、原子、离子的相互作用和生成物的结构状态可知,水泥水化物颗粒和聚合物颗粒近似均匀的空间排列,使各自的性能都发挥的比较充分。水泥水化物颗粒发挥其抗压强度高的特点并与骨料一起传递压应力;聚合物颗粒具有一定的柔韧性,能承受不低于混凝土的拉、弯、剪、压应力,且具有较强的粘结力,因此,它在任何方向上都能增强混凝土的抗拉、抗弯、抗剪、抗压能力。

2)抗裂性。由于聚合物的粘结力较强,在混凝土内部起较强的拉结作用,提高了混凝土的抗拉强度,也增强了其抗裂性,在相同的拉应力作用下,聚

合和水泥混凝土比普通混凝土出现的裂缝数量要少且缝宽度和深度都要小,出现裂缝的时间也晚。

3)韧性、抗冲击性和耐磨性。聚合物具有柔韧性和弹性。在聚合物混凝土中均匀排列的聚合物颗粒在水泥水化物颗粒和骨料之间起着弹性隔层的作用,增强了混凝土的柔韧性和弹性,使其具有一定的缓解外力冲击的能力。由于强度和韧性的提高,聚合物水泥混凝土的硬度也有提高,其耐磨性有较大幅度提高。

4)耐久性。由于聚合物对混凝土中孔隙的填充,使聚合物混凝土的密实度和抗渗性有很大提高,加上抗裂性的增强,使混凝土抵抗有害物质侵蚀的能力有较大增强,从而提高了混凝土的耐久性能。

3 聚合物水泥混凝土的应用

1)强度比普通混凝土高,可用于较高强度的混凝土构件和部位,例如,预应力混凝土构件。

2)具有较好的韧性、弹性和耐磨性,可用于机场跑道、桥梁和公路路面;也可用于减震和耐冲击结构,例如试验结构或基础。

3)具有较好的抗裂性和耐侵蚀性及抗渗性,可用于建筑物结构防水层;也可用于遂洞拱顶、河堤或水电站大坝;也可用于防腐蚀地面或面层。