聚合物混凝土

2017聚合物水泥基复合材料Yourcontenttoplayhere,orthroughyourcopy,pasteinthisbox,andselectonlythetext.Yourcontenttoplayhere,orthroughyourcopy,目录CONTENT01020304几种高聚物对水泥基复合材料性能的影响聚合物改性水泥混凝土力学性能试验研究高韧性水泥基复合材料研究进展聚合物混凝土简介COMPANY|LOGOPART1聚物水泥基复合材料简介传统的水泥混凝土因为原料易得、价格低、抗压强度高、用途广泛等优点得到了广泛的使用。然而，由于它的抗拉抗弯能力差、自重大、变形能力差等缺点，限制了它的进一步应用。因此，人们一直在寻求性能更优异的材料来替代它。聚合物混凝土作为一种结合了聚合物与混凝土优点的复合材料，在近10年来得到了飞速的发展，在很多方面有望替代传统的混凝土。一般将聚合物混凝土分为聚合物水泥混凝土(PCC)、聚合物浸渍混凝土(PIC)和聚合物胶结混凝土(PC)三类[5]。（1）聚合物水泥混凝土(PCC):是以聚合物(或单体)与水泥作为胶结材料再加上骨料配制而成的。聚合物的加入使混凝土的密实度有所提高，水泥石与骨料的粘结有所加强，与普通混凝土相比，其耐磨性、耐腐蚀性、耐冲击性、绝缘性等方面均有所改善。聚合物水泥混凝土操作简单，改性效果明显，成本较低，因而能在实际生产中得到广泛应用。（2）聚合物浸渍混凝土(PIC):是将已硬化的普通混凝土经干燥、真空处理后，浸渍在液态树脂中，通过加热或者催化使树脂渗入到混凝土孔隙中产生聚合作用，使两者成为一体而形成的。聚合物填补了混凝土内部孔隙从而提高了混凝土的密实度，与此同时也增加了水泥石与骨料之间的粘结力，但由于操作和催化不容易进行，目前这类混凝土应用范围有局限性。（3）聚合物胶结混凝土(PC):是以聚合物取代水泥，与骨料配置而成。优点在于强度高、耐化学腐蚀、耐磨性、抗冻性好等优点，但硬化时收缩较大，耐久性差。聚合物用量约占混凝土重量的8%左右，但是这种混凝土的价格较贵，一般只用于一些特殊工程。熊剑平等通过实验研究得出混凝土宏观性能提高的根本原因是聚合物对微观结构的改善，当聚合物的量不断增加时，与水泥水化物结合越来越紧密，填充和密封了混凝土内部空隙，改善了材料内部的孔结构；加上聚合物的“桥接”作用，使聚合物水泥混凝土内部结构向连续密实转化，从而使得材料的抗折强度、耐久性、柔韧性等均有所提高。研究了几种不同的高聚物对普硅水泥基体性能的影响规律，并对其增强规律作了比较。测试结果显示：聚乙烯醇、叔碳酸乙烯酯共聚乳液对水泥基体有明显的增强效果；聚氨酯树脂对水泥基体有一定的改性效果；单纯添加不饱和聚酯改性水泥导致复合材料性能劣化。COMPANY|LOGOPART2几种高聚物对水泥基复合材料性能的影响PVA增强水泥的抗折强度曲线如图1所示。图1PVA增强水泥的抗折强度由图1看出，复合材料的抗弯强度随着PVA的增加而连续增长，并逐渐放缓。当PVA含量为2.5%时，试体抗弯强度达到22.0MPa，增强幅度为115.5%。对纯水泥及PVA增强水泥基复合材料的场发射扫描电镜照片(4000倍)做显微结构对比，如图3PVA增强试样微观形貌分析，可见，添加了PVA的试块，微观形貌比纯水泥更致密，水化颗粒和凝胶结构周围粘结有聚合物膜，微观形貌平整致密。叔碳酸乙烯酯共聚乳液增强图4未改性叔碳酸乙烯酯共聚乳液对水泥抗折强度的影响，随着聚灰比的不断增加，体系的抗折强度趋向于逐渐变大。当达到10%，抗折强度达到最大值15.84MPa，最大增强幅度55.14%。之后随着聚灰比的增加，抗折强度逐渐变小。加入硅烷偶联剂改性，并与纳米SiO2均匀混合之后，乳液对水泥的增强效果明显提高。随着聚灰比的不断增加，体系的抗折强度迅速变大。聚灰比达到12%时，抗折强度达到最42.55MPa，增强幅度316.75%。当聚灰比大于12%时，体系的抗折强度降低，在聚灰比为14%时，降低到17.26MPa，增强幅度69.05%。聚氨酯树脂本身较为柔韧，当其变成连续相，并且抗折强度迅速下降的同时，其挠度得到较大的提高(见图7)。聚氨酯树脂含量在12%左右较为合适。由图8看出，不饱和聚酯加入水泥基材，导致复合材料抗折强度下降。不饱和聚酯对水泥颗粒表面的吸附与阻隔，减少了水化水的量，严重影响了水泥在此养护条件下水化过程，更多的水以蒸发的形式离开复合材料，因而在基体中造成大量的缺陷，并且形成薄弱的界面，抗折性能下降，导致含有不饱和聚酯的试样抗折强度比纯水泥试样的抗折强度还低。本文综述了国内外在该领域已有的研究成果，从聚合物改性、橡胶粉颗粒改性、纤维增韧、ＰＶＡ纤维增韧４个方面介绍了高韧性水泥基复合材料COMPANY|LOGOPART3高韧性水泥基复合材料研究进展聚合物增韧混凝土加入聚合物后，由于范德华力和氢键的作用，聚合物可以覆盖在水化产物表面，封闭空洞与微裂纹。另外聚合物乳液的加入可以提高微中心质效应，增加界面过渡区的粘结性能，从而改善混凝土的微观结构，提高抗拉性能。采用聚合物改性增韧混凝土，操作简单，效果明显，被广泛的应用于防水材料、石材瓷砖之间的粘结剂、防腐地面材料、混凝土结构修补材料、无宏观缺陷水泥（ＭＤＦ）ＳｈａｋｅｒＦ．等研究者把１５％丁苯橡胶乳液加入混凝土中来提高防水性、抗氯离子渗透性、抗硫酸盐侵蚀与防止钢筋锈蚀能力。ＢｕｒｅａｕＬ．等研究者发现：Ｗ／Ｃ＝０．４５保的砂浆的抗折强度随着丁苯聚合物乳液掺量的提高不断提高。但ＰａｓｃａｌＳ．等实验表明，在保持水灰比不变且丁苯橡胶乳液的掺量＞１０％时，混凝土的抗压强度与抗折强度有相反的表现，不断降低。梁乃兴等人把丁苯乳液加入混凝土中，７ｄ抗折强度提高２２％，但抗折弹性模量降低２２％。混凝土２８ｄ抗折强度提高了３８％，抗折弹性模量降低了１９％，总体柔性增加，且干缩性能与耐磨性能也有一定的提高。姜洪义采用丁苯橡胶乳液改性砂浆，提高了抗水性，但是抗压和抗折强度呈现先增加而后降低的现象。申爱琴等研究发现，丁苯橡胶乳液混凝土可降低开口孔孔隙率同时细化孔隙，降低脆性，提高防水性。橡胶粉颗粒增韧混凝土在混凝土中加入橡胶粉颗粒可提高混凝土的韧性，并具有良好的抗震性能，被称为弹性混凝土。一般加入到混凝土中的胶粉颗粒粒径在３ｍｍ左右，通常作为细集料。由于橡胶粉颗粒对混凝土有一定的保水性，减少泌水，粘聚性增加，使得结构密实。橡胶粉颗粒在混凝土中充当软性弹性体的作用，可以有效的增加能量耗散，抵抗应力的破坏，如温度应力，冻胀应力。纤维增韧混凝土在混凝土中加入短切乱向分布纤维，减少了泌水现象（筛子），减少了原始缺陷的生成。另外由于柔性纤维在受力破坏的过程中容易产生较大幅度的徐变，多用于基体在受力过程中不产生破裂与受到瞬间应力的情况。研究表明，在混凝土中加入聚丙烯纤维，具有良好的抗裂性能，耐久性较好。如体积分数为０．７％～０．９％时，混凝土梁的断裂韧性是空白组的１８～２４倍，初裂荷载是空白组的１．３７倍，裂纹平均间距是空白组的６４％～５６％.新型高韧性ＥＣＣ混凝土采用微观力学，断裂力学的原理对ＰＶＡ纤维、混凝土基体及混凝土与纤维界面进行了总体设计与调整，使ＥＣＣ材料处于拉伸，弯曲荷载及剪切荷载作用下具有多缝开裂、应变硬化的特点，其极限抗拉应变能力可以超过３％，是普通混凝土的２００～５００倍，远超普通的钢纤维混凝土。将ＥＣＣ材料作为修补材料可以有效的和旧的混凝土界面粘结，可以将在外力作用下产生的裂缝无害化处理。利用聚合物改性水泥基复合材料虽然聚合物改性混凝土，研究了较长时间，取得较多的成果，但是也存在明显的问题，主要集中在３方面：（１）聚合物价格本身较高，且在混凝土中掺量达到５％～１５％，因此综合性价比较低；（２）常用一些聚合物乳液遇高温容易分解，极易老化，因此聚合物耐高温的性能较差；（３）加入的聚合物有一定的味道，有的材料还有一定毒性、易燃性。橡胶集料水泥基复合材料由于橡胶粉颗粒属于憎水性材料，与水泥基体材料粘结性能较弱，橡胶粉颗粒几乎与水泥石之间不存在化学反应，只是微弱的范德华力，产生的弱界面效应，使得橡胶粉颗粒的改性作用弱化，抗压强度降低。高性能纤维增强水泥基复合材料与普通混凝土相比，钢纤维增强混凝土抗裂性能大幅度提高，但是由于钢纤维的掺入，混凝土也呈现出较多的问题：造价增大，钢纤维较重，使得结构的自重增加，流动性变差，施工更加困难。钢纤维的耐火性能较差，且钢纤维混凝土极易在火灾中爆裂。表层钢纤维易锈蚀，因此需要进行改性处理。在混凝土中加入一定量的聚丙烯纤维，可以使得混凝土的抗冲击和抗疲劳性能，抗动载能力、路面材料性能等性能得到了极大提高。由于聚丙烯纤维的弹模较低，混凝土处于高应力的情况下，结构变形易达到极限。而且聚丙烯纤维具有较大的柔性、吸水性差，纤维之间容易结团，导致与水泥材料基体的粘结性能较弱。新型高韧性ＥＣＣ混凝土ＥＣＣ增韧性能原理基于ＰＶＡ纤维和混凝土基体的界面结构和粘附性，而界面结构和粘附性又受ＰＶＡ表面的化学性质和微观结构的影响，如果使ＰＶＡ纤维与混凝土基体的粘结性能达到最优化，可以产生水泥基材料增强，增韧的双优效果。因而如何提高纤维表面的质量，是一个需要解决的问题。在实际工程应用中，国产ＰＶＡ纤维分散性较差，极易在混凝土中结团，会导致混凝土均匀性较差，抗裂性能会受到影响。目前仅有日本可乐丽公司生产品质较好，但价格非常高，每方混凝土中仅纤维增加的费用达３００元。另外ＰＶＡ纤维本身对于ＥＣＣ混凝土抗裂影响的微观机理研究处于起步阶段。ＰＶＡ－ＥＣＣ采用粒径小于０．１ｍｍ的石英砂，实际相当于水泥净浆，收缩较大。文中主要是通过试验的方法对环氧树脂改性水泥混凝土的抗压强度、抗拉强度、抗折强度等力学性能进行了试验研究试验通过聚合物掺量为0、3%、5%、8%、10%这五种混凝土试件测得的各种强度及弹性模量，得到了聚合物掺量对聚合物改性水泥混凝土力学性能的影响，并提出了混凝土的强度评价指标，试验结论:当聚合物掺量在8%～10%范围内时对混凝土力学性能综合改性效果最好。COMPANY|LOGOPART4聚合物改性水泥混凝土力学性能试验研究通过以上各力学性能试验结果及扫描电镜分析，得到如下关于聚合物改性水泥混凝土性能的结论：（1）与普通混凝土相比，聚合物改性水泥混凝土的抗压强度没有增强，但其抗拉强度及抗折强度提高。（2）当聚灰比为10%时，混凝土的抗折强度较普通混凝土提高了30.8%，弹性模量下降了22.1%，对混凝土的柔性性能改善效果较好，因此建议当聚合物选用该种环氧树脂乳液制备混凝土时为得到最佳力学性能掺量控制在10%左右。（3）掺加聚合物后混凝土在破坏时应变增加明显，出现裂缝的时间晚，数量少且深度小。（4）掺加适量聚合物能从根本上改善水泥石的结构形态，在内部形成交错的空间网状结构，增强材料的密实性，有利于解决混凝土材料面临的脆性大的缺点，在此基础上可以更好地运用该种材料。聚合物改性水泥砂浆具有强度高、韧性高、粘结性能好、耐久性好等优点，目前已经广泛应用于工业与民用建筑、道路桥梁、地下建筑、海港建筑等修补加固中。但其也存在一定不足，一是性价比问题，聚合物的成本是水泥的１０倍甚至１００倍以上，因此考虑到成本问题，应尽量使此类材料用量最小化；二是不耐老化、高温和火灾，因此在制备聚合物乳液时应增加聚合物高分子链的刚性及交联程度，同时避免乳液中出现不饱和键；三是部分聚合物有毒、有异味，因此在施工时应采取必要的防护措施，并且注意使用环境。对于今后此类修补材料的研究与应用，本文建议从以下几方面去深入研究：（１）提高性价比：聚合物水泥砂浆价格是普通水泥砂浆的数倍，因此在降低成本的同时保证其性能将是一大难题。因此，有必要系统深入地研究优化材料组成中乳液、高效减水剂、纤维、超细矿粉掺和料、水玻璃、水溶性聚合物等材料组成与配比，进一步改善水泥砂浆的性能。并根据各种聚合物的性能特点和具体的工程应用要求来选择性价比更合理的修补材料。展望（２）延长使用寿命：聚合物水泥砂浆常常用于混凝土表面的薄层修补，如何保证修补材料及结