聚合物改性水泥基复合材料研究进展

徐 冰 汪梦月 张 震 秦 刚

（河南理工大学材料科学与工程学院， 河南 焦作 454001）

0 引言

水泥基材料是世界上应用最广、用量最大的一种建筑材料，但普通水泥基材料属于多孔结构的不均质脆性材料，这些孔隙增加了有害物质(如水、离子和气体)的侵入机率，使水泥基材料结构受到物理或化学的侵蚀而被破坏，导致其耐久性降低，高分子材料因其大分子链段的松弛运动而表现出独特的柔韧性和黏弹性，可以在水泥基材料内部形成聚合物膜，改变水泥基材料的结构，增强其流动性、黏结性、抗渗性、抗腐蚀性及力学强度等性能[1]。

1 不同种聚合物改性水泥砂浆复合材料研究[2]

1.1 聚合物乳液改性

硬化后的水泥砂浆存在抗渗性差、抗压抗折性能低、黏结强度低等缺陷，聚合物乳液具有良好的耐水性、耐碱性和耐候性，且成膜温度低，在砂浆中能形成与水泥水化产物有良好黏结力的膜，从而改善新拌砂浆的工作性，赋予硬化后砂浆良好的黏结强度、优异的力学性能、抗渗性能、柔韧性和耐久性。常见的有乙烯-乙酸乙烯共聚物(EVA)、丁苯胶乳（SBR）、氯丁胶乳（CR）、聚丙烯酸酯乳液（PAE）、苯丙乳液（SAE）等。

聚合物乳液中的羧基在水泥水化过程中与Ca2+形成络合物，阻碍了水泥水化产物的转移，延缓了水泥的水化，并且水泥浆体中的Ca2+及其他金属阳离子和聚合物乳液羧酸盐以离子键结合，形成叠叠交错的三维互穿网络结构，提高了水泥和集料界面间的黏结力，改善了界面间的结合，使砂浆结构得到明显增强，提高了硬化后砂浆的抗渗性。

在水泥水化阶段，随着水量减少，聚合物逐渐被限制在毛细孔隙中，聚合物颗粒絮凝在一起，在水泥水化凝胶的表面形成聚合物密封层，该密封层将集料颗粒、水泥水化凝胶、未水化水泥颗粒黏结在一起，形成水泥砂浆与聚合物膜相互交织的网络结构。在这个过程中聚合物网膜包裹了水泥硬化浆体，降低了硬化砂浆的压折比，增强了砂浆的柔韧性。

1.2 液体低聚物改性

普通水泥砂浆存在密度大、吸水率和收缩率高等缺陷，而液体低聚物具有力学强度高、热稳定性强、耐化学腐蚀性好、抗渗性和耐水性好等优点。在水泥砂浆中掺入液体低聚物后，水泥砂浆的吸水率与收缩率明显下降，同时还减小了密度。

普通砂浆遇水反应形成水化凝胶网络体系，抗压强度逐渐提高，当掺入环氧树脂(EP)改性剂后，砂浆的水化使整个体系中的水分逐渐减少，EP颗粒间距变小，最终固化形成三维网状结构穿插在砂浆水化物中，增强了柔韧性。

1.3 水溶性聚合物改性

普通水泥砂浆耐化学腐蚀性和力学强度较低，且水泥和集料间的黏结力小，水溶性聚合物具有抗盐性、分散性、絮凝性和增黏性等优点，可用于改善水泥砂浆的力学性能和耐硫酸盐腐蚀性，提高水泥砂浆的黏结强度。水溶性聚合物包括羧甲基纤维素(CMC)、羟丙基甲基纤维素(HPC)、聚乙烯醇（PVA）及聚丙烯酰胺（PAM）等，其中常用的是CMC。

CMC中羧甲基纤维素的极性基团吸附水泥水化产物中的固体粒子，使粒子间架桥而形成大的聚集体，并与硬化水泥浆体的连续空间网状结构相互缠绕，对水泥浆体的结构起到加固作用，提高了水泥浆体的抗折强度。此外，羧甲基纤维素在浆体中还形成了连续的三维膜结构，因聚合物膜表现出一定的塑性，并贯穿整个浆体结构，从而增强了水泥浆体的柔韧性。

1.4 可再分散性聚合物粉末

可再分散性聚合物粉末是一种广泛应用于增强干混水泥砂浆性能的有机胶黏剂，具有强度高、黏结性好、耐腐蚀性强等优点，包括EVA粉末、聚丙烯（PP）纤维粉末和聚醋酸乙烯酯（PVAc）粉末等，其中EVA粉末最为常用。

EVA粉末可增强水泥砂浆的耐腐蚀性，其中的羧基和水泥水化产物中的Ca2+发生化学反应可生成一层致密的膜结构，能对砂浆表面起保护作用。EVA粉末还可以缩小硬化砂浆的内部空隙，提高抗渗性。

2 不同种聚合物改性混凝土复合材料研究

2.1 聚合物作为混凝土内养剂

普通混凝土是以低水胶比、掺加高活性矿物料为特征，硬化过程中自收缩率高，内部拉应力增大，易导致内部开裂，降低耐久性。而混凝土结构较密实，通过传统的外部养护方法，水分无法扩散至其内部，效果较差。因此研究者提出了内养护技术，原理为分散于混凝土基体中的内养护材料预先吸收一定量水分，随着水化的进行，内养护材料释放储存的水分至基体来增加混凝土内部的相对湿度，从而降低自收缩率，提高混凝土体积稳定性，增强耐久性。

高吸水性聚合物内养护材料分成三大系列，分别为淀粉系、纤维素系和高吸水性树脂（SAP）系，其中SAP因含有强亲水基团(如-COOH、-OH)，吸水性极强，具有很好的市场前景。

2.2 聚合物水泥混凝土

聚合物水泥混凝土(PCC)是用高分子聚合物或单体部分代替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耐久性能有所提高，水泥与骨料之间的黏结有所加强，且工艺简单，改性效果明显，成本较低，被广泛应用。

2.3 聚合物混凝土

聚合物混凝土(PC)是以聚合物取代水泥作为胶结材料与骨料相结合而形成的一种复合材料。聚合物混凝土具有强度高、耐化学腐蚀性强，抗紫外线和抗冻性好等优良的性能，并且使得混凝土功能更加多样化，扩大了混凝土的应用范围，但因PC成本较高，往往用于有特殊性能要求的场所。

2.4 聚合物浸渍混凝土

聚合物浸渍混凝土(PIC)是指将已经硬化的水泥混凝土用聚合物单体浸渍，使单体在混凝土内部聚合而生成的复合材料。普通混凝土不密实，易开裂，内部容易被腐蚀。聚合物浸渍到混凝土内部可提高其抗渗性、耐化学腐蚀性、抗冻融性等。同时，也增强了水泥凝胶与骨料之间的黏结力，延长了混凝土的使用寿命。但由于可操作性较差，其应用具有局限性。

3 结论

(1)聚合物颗粒固化形成的高分子膜包裹于水泥砂浆的表面，改变了胶凝材料-骨料过渡区的结构；另外聚合物在范德华力、氢键等化学力的作用下，与被黏结物形成一定强度的黏结力，从而提高黏结强度；

(2)高吸水性聚合物可通过自身大量的管孔或三维空间网状结构储存或释放水分，使水逐渐向硬化混凝土内部迁移，从而形成微养护机制来维持混凝土内部水化反应的进行，降低自收缩率；

(3)聚合物的加入减少了水泥混凝土中原始的空隙和裂纹，从而增强抗渗性、耐化学腐蚀性；

(4)在水泥水化和硬化过程中，聚合物中的各种活性基团与水泥水化产物中的离子发生反应，形成特殊的桥键作用，或与凝胶纳米结构相互作用提高内聚强度，增强了抗渗性；

(5)水泥基材料中裂纹的发展与互穿聚合物网络结构相遇，在整个聚合物-水泥网络范围内形成微纤维膜，终止了裂纹的发展，延长了水泥基材料的使用寿命。

[1]衡艳阳,赵文杰. 聚合物改性水泥基材料的研究进展[J]. 硅酸盐通报,2014, 33(2):365-371.

[2]杨相玺.聚合物改性水泥砂浆的应用基础研究[D].福州:福州大学, 2006.