聚合物水泥砂漿的研究及應用

聚合物水泥砂漿的研究及應用

　　摘　要：把聚合物用于改性水泥砂漿，在世界上已有很長的一段歷史。與普通的水泥砂漿相比，聚合物水泥砂漿具有很多優良的性能。本文對聚合物改性砂漿的改性機理、改性砂漿性能以及改性砂漿的應用情況作詳細介紹。 
　　關鍵詞：聚合物；砂漿，改性；性能；應用 
　　 
　　1　前言 
　　 
　　早在1923年，英國人Gresson就把聚合物應用于路面材料而獲得專利。到1924出版了關于現代聚合物改性材料的正式的文獻。從那時起，近70年來世界各國出現了大量的關于聚合物用于改性水泥砂漿和混凝土的研究，而且對聚合物用于水泥基材料的興趣也越來越來大。在這一領域里研究開發走在世界前列的國家有日本、美國、前蘇聯、德國等。如日本對新型高性能聚合物混凝土復合材料的研究開發應用已有40年的歷史，并已為此制定了部分標準(JlS6203)；德國交通部筑路局對用于橋面的混凝土修補而附加的技術協議和規范(zTVSIB90)特別制定了聚合物改性砂漿(混凝土)供貨的技術條件和檢驗規范(TLBEPCC，TPCC)，我國在這一方面的研究起步較晚，還是近十幾年發展起來的。1990年在上海舉行了第6屆國際聚合物混凝土會議，大大地加速了我國在這一方面研究與應用的進步。 
　　 
　　2 聚合物水泥砂漿的改性機理 
　　 
　　聚合物改性砂漿的研究之所以如此大的進展，就是因為這種材料通過改性具有許多優異的性能。了解其改性機理對研究和開發這類材料尤其重要。 
　　眾所周知·水泥砂漿作為一種復合材料，骨料和水泥基之間的界面過渡區是材料的薄弱環節。在界面過渡區，水灰比高、孔隙率大、氫氧化鈣和鈣礬石多，晶粒粗大、氫氧化鈣晶體取向生長。要改善水泥基材料的性能，就必須改善界面過渡區的結構和性質。聚合物對水泥砂漿的改性作用，其實質也是改善材料的界面過渡區，從而使材料獲得別的材料所不具有的性能。 
　　(1)聚合物具有減水的效果。其表現在配制具有相同流動度的砂漿時，摻有聚合物的砂漿的水灰比要低于普通砂漿的水灰比。這是因為聚合物和礦物摻合料粉煤灰一樣的形態效應，因為聚合物的固體粒徑很小，其直徑一般在0.05～5um之間。這樣的顆粒也可像粉煤灰的顆粒一樣，既可起到滾珠的作用，又具有較高的表面活性，從而能起到減水效應。 
　　(2)在砂漿中摻加聚合物后，氫氧化鈣也會沿著聚合物固體顆粒生長，有利于打亂氫氧化鈣的取向生長。另外，由于聚合物的特殊性，它會在高于其最低成膜溫度下凝聚成膜，形成的膜能將水泥水化生成的氫氧化鈣包圍起來，連成一個整體，可以有效的降低氫氧化鈣對材料耐久性的不良影響。另一方面聚合物沙漿中的鈣礬石比普通砂漿中的鈣礬石要短和粗。進一步觀察可發現聚合物的加入有效的改善了砂漿的孔結構，由于聚合物的形態效應及其自身的特殊性，起到了膠結、填充等作用，使砂漿的平均孔徑變小，大孔變成小孔隙，孔隙分布的均勻性下降了，微孔隙率提高了。 
　　(3)由于聚合物成膜的過程發生在水泥水化的過程中，水分用于水化以及被蒸發，聚合物就在整個基體中形成一個堅韌、致密的網絡薄膜狀網絡結構，分布在水泥砂漿骨架之間，填充空隙，切斷了與外界的通道，進一步改善了材料的性能。 
　　(4)聚合物還能和水泥水化產物發生化學作用。如丙烯酸甲脂能與水泥水化產物中的氫氧化鈣反應。其原因是因為丙烯酸中脂基能在堿性的氫氧化鈣溶液中發生水解生成羧酸根離子能與鈣離子以離子鍵形式結合，形成以鈣離子橋連的離子鍵大分子體系的交織網絡結構，增強了結構的密實性。在上面的反應中可以降低氫氧化鈣的含量，而SBR(聚苯乙烯一丁二烯)乳膠也能減少砂漿中氫氧化鈣的含量，但沒有含有脂基的E－VA(聚乙烯一醋酸乙烯脂)乳液那么明顯因此是不是所有的聚合物都能起化學改性作用，還有待研究。 
　　通過以上的物理與化學的作用，聚合物改善了砂漿的界面結構形成了如圖(1)的界面層。 
　　其中的機械粘合層就是聚合物所成的薄膜，這一層不能過厚否則就會降低材料的強度。物理吸引層是聚合物如前面所講的物理改性作用得到的一層，起到了增強材料性能的作用�；瘜W鍵合層是聚合物與水泥中的物質發生發應的結果，進一步增強了材料的性能。 
　　 
　　3　聚合物水泥砂漿的材料 
　　 
　　3．1　聚合物　對能用于砂漿改性的聚合物，其性能要求十分重要。聚合物在發揮其優點的同時，不能對砂漿帶來負面的影響，如不能影響水泥的充分水化，對水泥石的基體沒有腐蝕作用，對環境沒有污染作用等�，F階段用于改性砂漿的聚合物的種類不是很多，主要有以下一些。 
　　其中最常用的就是圖中劃橫線的聚合物。有丁苯乳液(SBR)、聚丙烯酸脂(PAE)、聚乙烯醋酸脂(EVA)，丙苯乳液(SAE)等。但由于單一品種乳液用于改性砂漿時會有一些不足，因此現階段已經出現通過聚合物乳液的共混，綜合不同乳液的優點，設計出能實現不同性能要求、適應不同用途需要的聚合物共混物用于改性砂漿。 
　　 
　　3．2　水泥 
　　用于聚合物改性砂漿的水泥一般為普通硅酸鹽水泥，它的早期強度高、凝結快、耐凍性好。另外還可用高鋁酸鹽水泥。近年來，出現了一種專門用于聚合物干粉改性砂漿的鋁酸鈣水泥，這種水泥是用一定比例含有三氧化二鋁和氧化鈣經熔化或煅燒，然后將獲得的熟料磨細而成。 
　　 
　　3．3礦物摻合料 
　　礦物摻合料(硅灰、粉煤灰、礦渣等)本身就可以作為一種水泥砂漿的改性材料。把礦物摻合料和聚合物雙摻在砂漿中，能綜合利用兩種改性材料的特點，優勢互補進一步改善砂漿的性能。 
　　 
　　3．4　消泡劑、穩定劑 
　　在聚合物水泥砂漿中，水泥漿體中的鈣離子或鋁離子等多價陽離子及砂漿拌和時所產生的剪切力會導致乳液破乳凝聚，因此要選擇合適的乳化劑和穩定劑。乳液中存在的表面活性劑導致砂漿氣泡增加，影響性能，為此，需要加入適當的消泡劑來抑制表面活性劑引起的泡沫。 
　　 
　　 
　　3．5　砂 
　　一般用河砂，要求含泥量不能過高。
　　4　聚合物改性水泥沙漿的性能 
　　 
　　眾所周知作為水泥基材料的一個顯著的缺點就是脆性大。表現出抗拉強度比抗壓強度低許多，抗裂性差，并且強度越高，脆性越大。這是因為水泥基材料屬于硅酸鹽物質，其基本單元是硅氧四面體·硅與氧以共價鍵相連，鈣與鋁等金屬離子以離子鍵與硅相結合。由于在共價鍵、離子鍵發生斷裂時幾乎不發生任何變形，就表現出很大的脆性。而聚合物作為一種有機高分子，其長分子結構及大分子中的鏈節或鏈段的自旋轉性，使其具有彈性和塑性。 
　　 
　　4．1　新拌砂漿的性能 
　　4．1．1　流動性 
　　由于聚合物具有建水的效果，因此大部分聚合物都能提高砂漿的流動性能。
　　4．1．2　保水率 
　　新拌砂漿的保水率是影響砂漿硬化及硬化后固體性能的重要的因素。保水性好的砂漿有利于砂漿的運輸、停放和鋪攤，有重要的工程意義。摻入聚合物能有效的提高新拌砂漿的保水性能，聚合物的加入既可以防止砂漿的離析，有能在砂漿的養護初期防止水分的過快散失，有利于水泥的水化。盡管聚合物水泥砂漿的凝結時間會延長。 
　　 
　　4．2　硬化聚合物砂漿的力學性能 
　　4．2．1　抗壓強度 
　　現有大部分的研究都認為聚合物改性砂漿的抗壓強度要低于普通砂漿的抗壓強度，這是因為聚合物在砂漿體系中硬化成膜后，由于它的彈性模量要低于水泥石和骨料的彈性模量，另外聚合物的富集現象也會降低抗壓強度，還有就是聚合物的活性，在攪拌砂漿時會產生大量的氣泡從而降低了砂漿的抗壓強度。但是還存在另外的一種觀點，就是認為聚合物改性砂漿的抗壓強度要高于普通砂漿的抗壓強度，這是因為聚合物具有減水效應，能降低砂漿的用水量，從而提高砂漿的抗壓強度。但這兩種對立的觀點有不同的前提第一種觀點下的砂漿在配制時是保持砂漿的水灰比不變，第二種觀點下的砂漿在配制時保持砂漿的流動度不變。之所以存在這樣對立的觀點，有可能是砂漿單位體積內的水與聚合物的相對含量的問題。我們知道在聚合物砂漿中水泥的水化和聚合物的成膜是一對矛盾，水泥水化需要水分，而聚合物的成膜要求失去水分。在砂漿中聚合物由于具有減水作用，應該能增加砂漿的強度，但由于前面所講的聚合物降低抗壓強度的因素的存在，就應該調節砂漿單位體積內水與聚合物的相對含量，使其滿足既能很好的水化又能很好的成膜(所謂好的成膜就是能夠在砂漿中形成一個一致、均勻、沒有缺陷和富集現象的膜網結構，并且如前面圖(1)所描述的機械粘合層不能過厚。這樣如果保持砂漿的水灰比不變，聚合物的減水效應不能發揮出來，但如保持砂漿的流動度不變，聚合物就能發揮其減水效應盡量調節單位體積內水與聚合物的相對含量，使達到好的成膜效果盡量降低不利的因素，從而能提高砂漿的抗壓強度。

　　4．2．2　抗拉強度、抗折強度 
　　如前所述，高分子聚合物加進砂漿能改善材料的脆性。除有機高分子自身的特點外，它還能改善砂漿內部的界面結構，減少了骨料處的微裂紋。此外，由于聚合物薄膜的彈性模量小、變形大，因而可以緩沖裂紋處在受力時的應力集中，從而提高了砂漿的抗拉與抗折強度。 
　　4．2．3　粘結強度 
　　復合材料之間的界面粘結作用可以大致分為以下五類(1)吸附與侵潤(2)相互擴散、(3)靜電吸引(4)化學鍵合(5)機械粘著。聚合物改性砂漿的粘結強度可以分為砂漿內部和把砂漿用于修補材料時新老界面之間的粘結強度。砂漿內部的粘結性能在前面已有介紹，即在界面處分為機械粘合、物理吸引、化學鍵合，正是因為有這樣的效果使得砂漿漿體的粘結強度增大。當聚合物改性砂漿作為一種修補材料時，與普通的砂漿相比也表現出有良好的粘結強度，之所以有比普通砂漿強的粘結強度，這有可能是聚合物砂漿在新老界面出也能形成如圖(1)那樣的界面結構，并且聚合物還能擴散到老砂漿中的空隙中去成膜，進一步增強粘結強度。 
　　4．2．4　彈性模量 
　　聚合物改性砂漿的彈性模量要低于普通砂漿的彈性模量，因此聚合物沙漿比普通的砂漿有更大的變形性。 
　　4．2．5　耐久性 
　　由于聚合物對砂漿的改性作用，提高了砂漿的耐久性。如砂漿的抗滲能力得到了提高，吸水性降低”，砂漿承受凍融循環的能力也得到了提高。另外，砂漿長期暴露在野外，其力學性能沒有降低反有提高。 
　　 
　　4．3　影響聚合物改性砂漿性能的因素 
　　4．3．1　原材料 
　　原材料中水泥品種的選擇余地較小。聚合物的品種相對來說要多一些，不同的聚合物能對砂漿的性能有不同的影響。如氯偏乳液改性砂漿抗滲能力強，丁苯乳液改性砂漿的抗折強度較高等。因此需要通過試驗來確定聚合物的選取。 
　　4．3．2　配合比設計 
　　在確定了材料的種類后，材料之間的配比就尤為重要。由前面所述的改性機理可知．要得到質量好的聚合物砂漿，聚合物在漿體中的成膜尤其重要，即要形成一個一致、均勻、沒有缺陷和富集現象、膜不能過厚的網狀薄膜。因此水、水泥、砂、聚合物這幾者的搭配就很重要了。 
　　4．3．3　養護條件 
　　養護條件對于水泥基材料來說是一個很重要的因素。在砂漿的材料與配比確定下來后，材料的養護方法就很重要了。對于聚合物改性砂漿水泥的水化和聚合物的成膜是一對矛盾，那么要兩者需要協調發展，使砂漿中的各個組分相互補充、共同成長，就必須選擇好適應的養護條件�，F在有多種養護方法，在國外常用的養護方法是將砂漿試件拆模后，首先在20℃、80％相對濕度的環境下養護2d，然后在20℃的水中養護5d，再在20℃、50％相對干燥的環境下養護21d。在國內并沒有定型的養護方法，但有研究表明乳液的摻量越小，試件所需在水中養護的時間越長；乳液的摻量越大，試件所需在水中養護的時間越短；當乳液的摻量達到一定值時，就無需在水中養護，只需在空氣中干養即可。 
　　 
　　5　聚合物水泥砂漿的應用 
　　 
　　5．1　混凝土修補材料 
　　聚合物水泥砂漿(修補砂漿)已經廣泛應用于混凝土結構加固，選用聚合物改型砂漿作為混凝土結構的修補材料主要有以下理由。 
　　(1)聚合物水泥砂漿具有良好的粘結性和耐水性； 
　　(2)聚合物水泥砂漿不需要潮濕養護，盡管最初兩天保持潮濕會更好： 
　　(3)聚合物水泥砂漿的收縮和普通混凝土相同或略低一些， 
　　(4)聚合物水泥砂漿的抗折強度、抗拉強度、耐磨性、抗沖擊能力比普通混凝土高；而彈性模量更低； 
　　(5)聚合物水泥砂漿的抗凍融性能更好。 
　　 
　　5．2　防水材料 
　　聚合物水泥砂漿既可以用于剛性防水材料，又可以作為柔性防水材料。聚合物水泥砂漿作為柔性放水材料應用時，主要是以防水涂料形式使用。 
　　 
　　5．3　膠黏劑 
　　由于聚合物水泥砂漿具有良好的粘結能力和良好的協調性，可以作為一種良好的膠黏劑，如瓷磚膠黏劑，界面處理劑等。 
　　 
　　5．4　防腐蝕 
　　聚合物水泥砂漿比普通混凝土的抗滲性、耐介質性能好得多，能阻止介質滲入，從而提高砂漿結構的耐腐蝕性能。因此在許多防腐蝕場合得到應用，主要有防腐蝕地面(如化工廠地面，化學試驗室地面等)、鋼筋混凝土結構的防腐涂層、溫泉浴池、污水管等等。 
　　 
　　5．5　其它 
　　聚合物水泥砂漿還可以應用于如表面裝飾和保護，鋪面材料，和道路路面等等。

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