聚合物水泥混凝土研究現狀

倉定仲　倉定穩

摘 要：普通混凝土是一種典型的脆性材料，存在著材質不均勻、拉壓比小、干縮明顯、耐久性不強的缺點。聚合物可以明顯改善混凝土的力學性能、柔韌性和耐久性等。本文介紹了聚合物混凝土的研究現狀，闡述了聚合物對混凝土的改性機理，列舉了聚合物混凝土目前存在的問題，并對聚合混凝土的發展進行了總結和展望。

關鍵詞：聚合物;聚合物混凝土;改性機理

0 引言

普通的水泥混凝土屬于脆性材料，孔隙多而且不規則，內部結構不均勻、干縮變形大。這極大地影響了水泥混凝土的抗滲、抗凍、抗碳化等耐久性。人們在使用混凝土的過程中對其進行了諸多改良，進而出現了鋼筋混凝土、纖維混凝土和聚合物混凝土等。

聚合物混凝土是指在混凝土攪拌過程中將高分子聚合物摻入到水泥混凝土中而形成的一種有機復合材料。與普通混凝土相比，聚合物混凝土具有抗滲性及抗凍性突出、耐磨、抗沖擊、干縮較小、后期強度強度高、澆筑時流動性好、成品表面光滑、與普通水泥混凝土粘結強度高等優點。

1 國內外研究現狀

聚合物混凝土作為一種性能優良的復合材料，得到了世界各國的重視，得以快速發展。1923 年英國工程師Cressons[1]首創用天然橡膠乳液改善水泥混凝土路面的使用性能。1924年英國工程師Lefebure[2]用聚合物改善水泥混凝土的使用性能。1930 年后隨著塑料在水泥混凝土中的應用，人們開始注重人工聚合物對水泥混凝土性能的改進作用，從此開啟了聚合物水泥基復合材料的研究時代。

美國、蘇聯、德國、日本等國家從1950年開始便對聚合物混凝土進行了廣泛而系統的試驗研究。

目前德國已經將聚合物混凝土普遍應用于工業建筑、建筑裝飾、建筑結構修復、電力設備基礎、混凝土制品等方面。1970年以后聚合物改性混凝土在日本已經成為重要的建筑材料。建筑裝飾、混凝土防護、混凝土修復、混凝土構件預制等領域均已大面積采用聚合物改性混凝土。目前日本已經制訂了聚合物混凝土的相關標準。

1980年之前由于化工行業一直比較薄弱，我國從1980年后才對聚合物混凝土的力學性能、耐久性進行大規模的試驗研究，但是對聚合物混凝土的改性機理的研究不多。目前聚合物混凝土在我國主要應用于防滲工程、防腐工程、混凝土結構修補、道路路面工程等方面。

2 聚合物種類

聚合物混凝土的性能主要取決于聚合物材料的類型、聚合物與混凝土的結合方式等因素[3]。目前常用的聚合物材料大體主要有水性聚合物、聚合物乳液、反應型聚合物三類：

2.1 水性聚合物

目前使用最多的水性聚合物有丙烯酸鹽、聚丙烯酰胺（PAM）、聚乙烯醇（PVA）、呋喃苯胺樹脂、甲基纖維素，羥乙基纖維素等[4]。水性聚合物既可以提高混凝土的保水性還可以提高混凝土的粘度，從而增強混凝土的粘結性，適合抹灰工程、混凝土修復工程以及防水工程。

2.2 聚合物乳液

聚合物乳液是目前研究和應用較多的聚合物改性材料。例如：乙丙乳液、純丙乳液、苯丙乳液、硅丙乳液、聚丙烯酸酯、苯乙烯-丁二烯橡膠乳液、橡膠瀝青乳液、以及使用量最大的VAE類乳液等[5-6]。

2.3 反應型聚合物

反應型聚合物根據機理的不同可以分為兩種。一種是分子中含有的—COOH等基團與水泥水化過程中生產的Ca（OH）2發生反應，進而提高了混凝土的強度和抗滲性能;另一種是雙組分聚合物摻入到混凝土中后聚合物的雙組分相互反應發生固化。因此國外將這種摻入混凝土后發生化學反應的聚合物稱為反應型聚合物（RPM）[7]。反應型聚合物混凝土（RPMC）可以用于快速堵漏工程和防水防滲工程，目前常用的反應型聚合物有環氧樹脂與不飽和聚酯樹脂等[8]。

3 聚合物對混凝土的改性機理

在混凝土中摻入少量的聚合物就可以使得混凝土的強度、耐久性得到大幅提高，聚合物對水泥混凝土的性能的改善作用主要體現在：

（一）目前添加到混凝土中的聚合物改性劑中都有表面活性劑的成分，表面活性劑能夠起減水作用，減少用水量并改善混凝土的和易性，使得混凝土中的水泥顆粒以及氣泡分散地更加均勻，從而減少混凝土中貫通的孔洞的數量，改善了混凝土內部孔隙分布狀況，提高了混凝土的抗滲和抗氯離子侵蝕性能[9]。

（二）聚合物凝結后在混凝土中逐漸形成連續完整的膜與水泥水化物交織形成空間網絡[10]，并填充了混凝土中的空隙，使得混凝土逐步轉變成一種均勻密實的結構。這種結構可以有效地轉移和分散混凝土在受外力作用時產生的集中應力。

（三）聚合物改性劑的摻入延緩了水泥的水化進程，降低了水泥水化熱的峰值，減少了混凝土水泥水化過程中溫度裂縫的產生以及Ca （OH） 2 的生成。此外聚合物改性劑還具有保水作用，它可以降低混凝土的失水速率，使得水泥顆粒的水化更加充分，混凝變得更加密實。

（四）聚合物改性劑中的活性因子與水泥水化物中游離的Ca2+、Fe2+、Al3+等離子進行交換，形成特殊的橋鍵，改善了水泥漿物理的組織結構及內部應力狀態，并限制裂縫的發展。

（五）摻入到混凝土中的聚合物通過物理作用和化學作用增強了混凝土中的膠凝材料與骨料之間的粘結力，改善了水泥水化物與骨料之間的界面狀況，使得混凝土強度得以提高。

4 聚合物混凝土存在的問題

與普通水泥混凝土相比雖然聚合物混凝土具有較多優點，但其也存在著一些問題。

（一）成本方面較高：由于原材料及生產工藝的原因，聚合物價格一直較高，這就使得聚合物混凝土價格比普通混凝土價格高出很多，影響了聚合物混凝土大批量的使用。

（二）對聚合物混凝土長期性能的研究還顯得不足，使得聚合物混凝土的使用壽命得不到充分的數據證明。

（三）對聚合物改性機理的系統性研究不夠：目前世界上對聚合物的改性機理模型有多種，其中普遍為大家接受的模型有Ohama模型[11]、Konietzko 模型[12]和 Puterman模型三種，但三種模型都有不完善的地方。

（四）目前的聚合物混凝土中的聚合物絕大多數有刺激性異味、毒性，在生產和使用過程中容易使人產生惡心、頭暈等。

5 結論與展望

在普通水泥混凝土中摻入適量聚合物后形成的聚合物混凝土的力學性能與耐久性能都比較出色。隨著科技的進步，人類對聚合物混凝土的研究將會更深入，聚合物混凝土的性能將會得到進一步提升，聚合物混凝土的應用領域也將更加廣闊。未來開發綠色、環保、高強度、高韌性的聚合物混凝土將是我們持續努力的方向。

參考文獻：

[1]王國秉，孫志恒，水工混凝土建筑物新型修補材料及其技術的研究[J].山西水利科技，2006，（2）：1-4.

[2]Lefebure，V.improvments in or relating to concrete，cement，plasters and the like[P].British patent：217279，1924-6-5.

[3]OHAMA Y. Polymers Based Materials for Repair andImproved Durability， Japanese Experience [J]. Con-struction and Building Materials，1996，10（1）：77 282-77 285.

[4]RICHARD M，GILLES O.Reinforcement of HydratedPortland Cement with High Molecularmass Water-Solu-ble Polymers[J]. Mater Sci，2007，（42）：4858-4869.

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[8]尚建麗，楊曉東，李占印，等.雙摻改性聚合物砂漿性能的試驗研究[J].化學建材，2002，（12）：18-20.

[9]劉生海，魏兆龍.聚合物乳液改性混凝土應用研究[J].北方交通，2006，（12）：36-38.

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[11]Ohama Y.Polymer-modified mortars and concretes.In：Rama-chandran VS（Ed）.Concrete Admixtures Hand Book：Properties，Science and Technology[M].Noyes Publica-tions，Park Ridge，NJ，USA，1984-343.

[12]Konietzko A.Polymerspezifische auswerkungen auf dastragverhalten modifizierter zementgebundenen beton （PCC）[D].Dissertation，Braun-schweig，1988.