关于聚合物-水泥基复合材料的研究

关于聚合物- 水泥基复合材料的研究

刘亚敏1, 傅琨2
( 1.长安大学公路学院, 陕西西安710064; 2.西安市公路勘测设计院, 陕西西安710065)

1 前言
随着科技的不断进步与发展, 一种新型化学材料迅速地得到应用和发展, 这就是聚合物-水泥基复合材料。聚合物- 水泥基复合材料是指以水泥、集料( 包括粗集料和细集料) 为基体材料, 以聚合物为增强材料, 加水拌和硬化后而形成的材料, 也可以说是利用水泥混凝土的制造方法和施工技术与高分子材料有效结合而产生的一种新型材料。其中的聚合物和水泥作为胶结材料, 聚合物又可称之为改性材料, 其在复合材料中所占的比例, 可用聚灰比表示, 即用聚合物与水泥的质量比表示。在聚合物- 水泥基复合材料中, 聚灰比一般小于0.2。从复合材料的命名原则讲, 聚合物是作为基体材料, 而水泥是作为改性材料来讲的。

2 作用机理及模型
作为聚合物- 水泥基复合材料, 目前应用较多的是聚合物改性混凝土( 即PMC) 。有关聚合物对水泥浆体、水泥砂浆或混凝土性能的改性机理在近年得到了较多的研究, 其结构形成模型为大家所普遍接受的是Ohama模型和Puterman模型。Ohama模型包括三个阶段: 第一阶段, 在聚合物乳液与水泥、集料、水搅拌过程中, 乳液中的聚合物颗粒均匀地分布在水泥浆体中, 形成聚合物水泥浆体, 在该体系中, 随着水泥的水化, 水泥凝胶逐渐形成,液相中的达到饱和状态, 同时聚合物颗粒沉积在水泥凝胶颗粒和未水化的水泥颗粒的表面; 第二阶段, 随着水量的减少, 水泥凝胶结构逐步发展, 聚合物逐渐被限制在毛细孔隙中, 随着水化的进一步进行, 毛细孔隙中的水量在减少, 聚合物颗粒絮凝在一起, 水泥水化凝胶的表面形成聚合物薄膜层, 这个聚合物薄膜层也粘结了集料颗粒的表面以及混合物的表面, 混合物中较大孔隙被聚合物所填充; 第三阶段, 聚合物中的水分逐渐被水泥的水化所吸收, 最终导致聚合物颗粒完全融合在一起形成连续的聚合物网状结构。Puterman 模型和Ohama模型的不同在于: 第一,Puterman并不认为聚合物的成膜是在水泥水化后才开始的; 第二, Puterman考虑了聚合物最低成膜温度(MFT) 的影响, 它认为, 如果养护温度高于MFT, 聚合物不能形成连续的膜, 而是沉积在微粒上的一个聚合物层, 这个聚合物层仍然具有透水性, 但它仍然会使硬化水泥体具有更高的强度和更好的韧性。尽管这两个模型有些细微的差别, 但其主要观点却可概括为: a) 聚合物在硬化水泥浆体中交织成网状胶膜, 聚合物一方面起到增韧的作用, 另一方面起到提高耐久性能的作用; b) 聚合物膜铰接的作用机理表现在聚合物形成的空间三维连续网状结构,相当于“微纤维”, 从而增强水泥浆体基体, 抵抗裂纹扩展, 提高了抗折强度; 另外, 聚合物乳液中大量的表面活性物质增强了混凝土拌和物集料表面的湿润程度, 甚至进入集料表面孔隙, 降低了孔隙率, 从而形成聚合物膜牢固地粘附在集料表面, 改善了集料与基体之间的粘结能力, 改善了其断裂性能, 有效地防止微裂缝的产生与扩展。

3 聚合物对水泥水化硬化的作用
聚合物之所以对水泥具有改性作用, 其实质问题是聚合物对水泥水化作用的影响, 不同的聚合物类型其影响各不相同。非离子聚合物聚丙烯酰胺、聚乙烯醇作为改性剂, 能减慢水泥的初期水化, 具有缓凝作用,而阴离子聚合物水解聚丙烯酰胺、聚丙烯酸、磺化聚丙烯酰胺及磺化聚苯乙烯则加速水泥的初期水化, 具有促凝作用。在水泥中掺加1%~2%的HPAM、PAA、SPS或PVA, 抗折强度和抗压强度均有明显提高, 聚合物的分子量、分子链上阴离子的种类、数量及主链和侧链的结构等都会影响水泥的改性效果。在丁苯类乳液所形成丁苯-水泥体系中, 其水化结合水含量均随龄期增加而增加: 随聚灰比的增加先降低, 当聚灰比较大时, 化学结合水的含量迅速增加, 加速了水泥的水化。环氧树脂有延缓水泥水化的作用, 并随聚合物掺量的增加, 其延缓作用越强, 特别是在早期水化时较为明显, 对后期水泥水化的阻碍较小。聚合物丙烯酸酯共聚乳液可与水泥水化生成的Ca(OH) 2发生化学反应, 生成以离子键结合的大分子网络交织结构, 增加其结构的密实性, 与孔隙液相中Ca(OH) 2的化学反应随聚灰比增加, 反应越明显, 水化程度越高, 反应的生成物量越多。聚合物对水泥水化硬化的作用是物理作用和化学作用共同作用的结果。

4 结语
聚合物- 水泥基复合材料的优点在早期一些文献里都作过详细的介绍, 但其缺点也是明显的: 第一是性价比问题, 昂贵的聚合物价格使建筑商望而却步;第二是聚合物不耐高温, 使很多场合不适宜使用该材料; 第三是有些聚合物具有异味、毒性或易燃, 在未来的应用中首先就是要从克服这些缺点出发进行研究。具体地讲, 以下一些课题有待人们去研究:
a) 对各类聚合物进行系统的研究, 针对不同的应用场合, 选用性价比更加合理的聚合物体系;
b) 由于可再分散乳胶粉在我国逐渐为人们所接受, 且发展势头看好, 因此, 尽快开发我国自己的产品, 也是我国科技工作者须尽快解决的一大课题;
c) 选用恰当的聚合物、设计合理的聚灰比将是聚合物- 水泥基复合材料研究的一个方向, 即建立恰当的理论模型, 直接设计设计复合材料的性能, 以适应不同的场合, 实现优化设计。

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