聚合物水泥混凝土研究现状

仓定仲　仓定稳

摘 要：普通混凝土是一种典型的脆性材料，存在着材质不均匀、拉压比小、干缩明显、耐久性不强的缺点。聚合物可以明显改善混凝土的力学性能、柔韧性和耐久性等。本文介绍了聚合物混凝土的研究现状，阐述了聚合物对混凝土的改性机理，列举了聚合物混凝土目前存在的问题，并对聚合混凝土的发展进行了总结和展望。

关键词：聚合物;聚合物混凝土;改性机理

0 引言

普通的水泥混凝土属于脆性材料，孔隙多而且不规则，内部结构不均匀、干缩变形大。这极大地影响了水泥混凝土的抗渗、抗冻、抗碳化等耐久性。人们在使用混凝土的过程中对其进行了诸多改良，进而出现了钢筋混凝土、纤维混凝土和聚合物混凝土等。

聚合物混凝土是指在混凝土搅拌过程中将高分子聚合物掺入到水泥混凝土中而形成的一种有机复合材料。与普通混凝土相比，聚合物混凝土具有抗渗性及抗冻性突出、耐磨、抗冲击、干缩较小、后期强度强度高、浇筑时流动性好、成品表面光滑、与普通水泥混凝土粘结强度高等优点。

1 国内外研究现状

聚合物混凝土作为一种性能优良的复合材料，得到了世界各国的重视，得以快速发展。1923 年英国工程师Cressons[1]首创用天然橡胶乳液改善水泥混凝土路面的使用性能。1924年英国工程师Lefebure[2]用聚合物改善水泥混凝土的使用性能。1930 年后随着塑料在水泥混凝土中的应用，人们开始注重人工聚合物对水泥混凝土性能的改进作用，从此开启了聚合物水泥基复合材料的研究时代。

美国、苏联、德国、日本等国家从1950年开始便对聚合物混凝土进行了广泛而系统的试验研究。

目前德国已经将聚合物混凝土普遍应用于工业建筑、建筑装饰、建筑结构修复、电力设备基础、混凝土制品等方面。1970年以后聚合物改性混凝土在日本已经成为重要的建筑材料。建筑装饰、混凝土防护、混凝土修复、混凝土构件预制等领域均已大面积采用聚合物改性混凝土。目前日本已经制订了聚合物混凝土的相关标准。

1980年之前由于化工行业一直比较薄弱，我国从1980年后才对聚合物混凝土的力学性能、耐久性进行大规模的试验研究，但是对聚合物混凝土的改性机理的研究不多。目前聚合物混凝土在我国主要应用于防渗工程、防腐工程、混凝土结构修补、道路路面工程等方面。

2 聚合物种类

聚合物混凝土的性能主要取决于聚合物材料的类型、聚合物与混凝土的结合方式等因素[3]。目前常用的聚合物材料大体主要有水性聚合物、聚合物乳液、反应型聚合物三类：

2.1 水性聚合物

目前使用最多的水性聚合物有丙烯酸盐、聚丙烯酰胺（PAM）、聚乙烯醇（PVA）、呋喃苯胺树脂、甲基纤维素，羟乙基纤维素等[4]。水性聚合物既可以提高混凝土的保水性还可以提高混凝土的粘度，从而增强混凝土的粘结性，适合抹灰工程、混凝土修复工程以及防水工程。

2.2 聚合物乳液

聚合物乳液是目前研究和应用较多的聚合物改性材料。例如：乙丙乳液、纯丙乳液、苯丙乳液、硅丙乳液、聚丙烯酸酯、苯乙烯-丁二烯橡胶乳液、橡胶沥青乳液、以及使用量最大的VAE类乳液等[5-6]。

2.3 反应型聚合物

反应型聚合物根据机理的不同可以分为两种。一种是分子中含有的—COOH等基团与水泥水化过程中生产的Ca（OH）2发生反应，进而提高了混凝土的强度和抗渗性能;另一种是双组分聚合物掺入到混凝土中后聚合物的双组分相互反应发生固化。因此国外将这种掺入混凝土后发生化学反应的聚合物称为反应型聚合物（RPM）[7]。反应型聚合物混凝土（RPMC）可以用于快速堵漏工程和防水防渗工程，目前常用的反应型聚合物有环氧树脂与不饱和聚酯树脂等[8]。

3 聚合物对混凝土的改性机理

在混凝土中掺入少量的聚合物就可以使得混凝土的强度、耐久性得到大幅提高，聚合物对水泥混凝土的性能的改善作用主要体现在：

（一）目前添加到混凝土中的聚合物改性剂中都有表面活性剂的成分，表面活性剂能够起减水作用，减少用水量并改善混凝土的和易性，使得混凝土中的水泥颗粒以及气泡分散地更加均匀，从而减少混凝土中贯通的孔洞的数量，改善了混凝土内部孔隙分布状况，提高了混凝土的抗渗和抗氯离子侵蚀性能[9]。

（二）聚合物凝结后在混凝土中逐渐形成连续完整的膜与水泥水化物交织形成空间网络[10]，并填充了混凝土中的空隙，使得混凝土逐步转变成一种均匀密实的结构。这种结构可以有效地转移和分散混凝土在受外力作用时产生的集中应力。

（三）聚合物改性劑的掺入延缓了水泥的水化进程，降低了水泥水化热的峰值，减少了混凝土水泥水化过程中温度裂缝的产生以及Ca （OH） 2 的生成。此外聚合物改性剂还具有保水作用，它可以降低混凝土的失水速率，使得水泥颗粒的水化更加充分，混凝变得更加密实。

（四）聚合物改性剂中的活性因子与水泥水化物中游离的Ca2+、Fe2+、Al3+等离子进行交换，形成特殊的桥键，改善了水泥浆物理的组织结构及内部应力状态，并限制裂缝的发展。

（五）掺入到混凝土中的聚合物通过物理作用和化学作用增强了混凝土中的胶凝材料与骨料之间的粘结力，改善了水泥水化物与骨料之间的界面状况，使得混凝土强度得以提高。

4 聚合物混凝土存在的问题

与普通水泥混凝土相比虽然聚合物混凝土具有较多优点，但其也存在着一些问题。

（一）成本方面较高：由于原材料及生产工艺的原因，聚合物价格一直较高，这就使得聚合物混凝土价格比普通混凝土价格高出很多，影响了聚合物混凝土大批量的使用。

（二）对聚合物混凝土长期性能的研究还显得不足，使得聚合物混凝土的使用寿命得不到充分的数据证明。

（三）对聚合物改性机理的系统性研究不够：目前世界上对聚合物的改性机理模型有多种，其中普遍为大家接受的模型有Ohama模型[11]、Konietzko 模型[12]和 Puterman模型三种，但三种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绝大多数有刺激性异味、毒性，在生产和使用过程中容易使人产生恶心、头晕等。

5 结论与展望

在普通水泥混凝土中掺入适量聚合物后形成的聚合物混凝土的力学性能与耐久性能都比较出色。随着科技的进步，人类对聚合物混凝土的研究将会更深入，聚合物混凝土的性能将会得到进一步提升，聚合物混凝土的应用领域也將更加广阔。未来开发绿色、环保、高强度、高韧性的聚合物混凝土将是我们持续努力的方向。

参考文献：

[1]王国秉，孙志恒，水工混凝土建筑物新型修补材料及其技术的研究[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.

[5]刘琳，王国建，刘启志，等.硅丙乳液对水泥砂浆性能的影响[J].建筑材料学报，2004，7（1）：121-123.

[6]吴明.EVA聚合物水泥防水材料在建筑防水中的应用[J].中国建筑防水，1996，（4）：21-22.

[7]李应权，徐永模，韩立林，等.新一代聚合物水泥防水涂料的性能与固化机理[J].化学建材，2002，（8）：28-30.

[8]尚建丽，杨晓东，李占印，等.双掺改性聚合物砂浆性能的试验研究[J].化学建材，2002，（12）：18-20.

[9]刘生海，魏兆龙.聚合物乳液改性混凝土应用研究[J].北方交通，2006，（12）：36-38.

[10]LIU J，XU C W.Modification of High Performancesof Polymer Cement Concrete[J].Journal of WuhanUniversity of Technology-Mater.Sci.Ed.Mar.2003，18（1）：118-124.

[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.