聚合物乳液与水泥的交互作用及机理

马 林

（中国石油化工股份有限公司北京燕山分公司有机化工厂，北京 102500）

建筑在长期的使用中，免不了会出现材料老化等问题，为了进一步延长建筑使用寿命，对建筑材料进行研究和优化已经成为相关企业重点关注的话题。水泥一直是基础的建筑材料，其性能与使用直接关系着建筑物的强度以及墙面开裂等问题。在科技进步之下，多种聚合物乳液被加入水泥砂浆中，以实现对水泥性能的优化，这就涉及两者之间的相互作用。对这种相互作用以及机理进行深入分析及掌握，将有助于促进水泥的优化应用。

1 聚合物乳液与水泥之间的相互作用及其影响

聚合物乳液在建筑业中的应用日益广泛，在就聚合物乳液对水泥基体性质的影响进行了深入的探讨之后，其与水泥基体的相互作用也引起了人们的重视。在该领域众多的学者中，日本学者Ohama 在研究中提出了聚合物乳液改性水泥微观结构发展过程的三个阶段，这些阶段对于深入理解水泥材料的微观结构和性能具有重要意义。第一阶段是“吸附阶段”，指的是聚合物乳液颗粒吸附到水泥颗粒表面的过程。在这个阶段，由于聚合物乳液颗粒与水泥颗粒之间的化学反应很小，因此聚合物主要通过物理吸附与水泥颗粒结合。第二阶段是“渗透阶段”，指的是聚合物乳液颗粒渗透到水泥颗粒表面以下的过程。在这个阶段，聚合物乳液中的单体开始与水泥颗粒表面上的活性位点发生化学反应，形成与水泥颗粒牢固结合的化学键。第三阶段是“修饰阶段”，指的是聚合物乳液颗粒被近似于单层膜的高分子覆盖的过程。在这个阶段，聚合物乳液颗粒的单体已经与水泥颗粒形成了化学键，因此聚合物乳液可以在水泥颗粒表面形成一层高分子覆盖层，从而更好地修饰水泥材料的表面性质。总的来说，Ohama 提出的这三个阶段为深入理解聚合物乳液改性水泥的微观结构发展过程提供了重要的理论基础，同时也为更好地设计和制备高性能水泥材料提供了指导意义。随着Ohama 在这一领域的深入研究，后续与德国学者共同提出了B-O-V 模型概念，这是一种针对水泥材料微观结构发展过程的描述模型。该模型主要基于三个因素：碱含量（B）、氧化物含量（O）和水泥化合物含量（V），因此被称为B-O-V 模型。具体来说，B-O-V 模型是从水泥材料宏观性能到微观结构的角度进行描述的。在这个模型中，碱含量代表着水泥中的碱性金属离子含量，氧化物含量则代表着水泥中氧化物的含量，包括硅酸盐、氧化铝等，而水泥化合物含量则是指水泥中的C3S、C2S、C3A、C4AF 等主要化合物的含量。通过分析这三个因素在水泥材料的微观结构发展过程中的作用，B-O-V 模型可以更好地解释水泥材料的力学性能、耐久性、抗裂性等宏观性能，同时也可以为水泥材料的设计和制备提供重要的理论依据。

2 聚合物乳液与水泥的交互机理研究现状

2.1 聚合物乳液与水泥相容性研究

在该领域中，已知的研究大多是以聚合物乳液为基础，如油井水泥、瓷砖胶、注浆材料。聚合物乳液的用量一般不超过20%，而在JS 防水涂料中，粉末与液体的比例一般为1 ∶2.5～1 ∶0.8，相当于80%～250%的用量。聚合物乳液与水泥的相容性研究主要探索聚合物乳液与水泥颗粒之间的化学和物理作用，以及聚合物乳液对水泥水化反应的影响。研究表明，通过优化聚合物乳液中单体、分子量等参数，可以显著提高聚合物乳液与水泥颗粒之间的相容性，促进二者混合与反应。同时，聚合物乳液改性水泥具有良好的抗拉强度、抗裂性和耐久性等性能，为工程建设提供了重要的技术支持。

2.2 聚合物乳液在水泥中形成膜层的过程及其机制

在去离子水体系中，对聚合物乳液成膜的研究比较全面，但对复杂的水泥孔隙溶液体系的研究还不够深入，有一些学者提出，在水泥环境中，钙离子会影响高分子的分子扩散，进而延缓高分子的成膜；但也有一些人提出，Ca2+对阴离子型乳剂的交联有促进作用。如何在水泥中有效地控制水泥的成膜速度，是目前水泥研究中迫切需要解决的科学问题。目前，关于聚合物乳液成膜对系统宏观性质的影响尚不清楚，聚合物乳液对系统整体相互作用的影响机制尚不清楚。

而目前关于JS 型防水材料的宏观性质的研究，通常仅限于单一聚合物乳液的加入，而未开展多聚合物乳液的宏观性质的比较研究。本项目拟选择几种不同类型的聚合物乳液作为主要研究对象，从其形成的微观机制出发，揭示不同种类聚合物乳液对水泥性能的影响规律。

2.3 聚合物乳液对水泥水化反应的影响及其机理

聚合物乳液对水泥水化行为的影响主要表现在以下几个方面：首先，聚合物乳液可以促进水泥的早期水化反应，并促进C-S-H 凝胶的形成；其次，聚合物乳液可以有效地防止水泥混凝土干缩裂缝和龟裂等问题的发生；此外，聚合物乳液还可以提高水泥混凝土的耐久性和抗渗性。而C-S-H 凝胶是水泥水化产物中的主要成分之一，它的形成与水化程度、水泥粒子大小、水泥中掺杂物质等因素有关。聚合物乳液的添加能够促进C-S-H 凝胶的形成，增强水泥基材料的结构，从而提高其强度和耐久性。总之，聚合物乳液的使用不仅能够改善水泥混凝土的性能，而且能够促进C-S-H凝胶的形成，使得水泥基材料的结构更加稳定和坚固。

3 聚合物乳液与水泥之间的相互作用机理和交互作用过程

3.1 分析原理及方法

水泥与聚合物乳液的相容性是影响聚合物改性混凝土性能的重要因素之一。为了研究乳液在水泥浆体中的分散稳定性，可以从筛上残余率、经时流动度损失、浆体团聚颗粒粒径三个方面定量分析乳液在水泥浆体中的分散效果和稳定性，为优化聚合物改性混凝土配合比提供科学依据。例如经时流动度损失：利用流变仪等设备测试浆体的流动性，在经过一定时间后再次测量其流动性，并计算出流动度损失，以评估乳液在水泥浆体中的长期分散稳定性。而乳液在水泥环境中的成膜过程主要分为三个阶段：成膜速率阶段、水分挥发阶段和颗粒变形阶段。其中，成膜速率阶段是指乳液与水泥颗粒表面发生反应，形成致密的聚合物基质层的阶段；水分挥发阶段是指成膜后浆体中的水分逐渐挥发，导致膜层产生压缩变形的阶段；颗粒变形阶段是指化学反应、水分挥发和外界作用力共同作用下，聚合物膜层发生塑性变形或断裂的阶段。研究乳液在这三个阶段的行为，可以深入了解其在水泥环境中的成膜机制和稳定性。

3.2 交互作用机理

（1）聚合物乳液与水泥的相容性。高分子乳剂与水泥的兼容性：胶凝环境为强碱，并不会因为强碱而引起水泥的失稳；而引起水泥稳定性下降的主要因素是水泥中存在的各种阳离子。而在此过程中，聚合物乳液的表面带电也是决定其与水泥兼容性的重要因素。具有绝对值的乳液，其在水泥中的分散度越高，与水泥的兼容性越好，相反，其在水泥中的分布越不均匀。此外，聚合物乳液中的单体和水泥颗粒表面的氢氧化钙等化学物质也会发生反应，从而形成化学键，增强聚合物颗粒与水泥颗粒的结合力。综上，聚合物乳液与水泥的相容性取决于聚合物颗粒和水泥颗粒之间的电荷作用、化学反应等因素。充分理解这些原理，有助于优化聚合物改性混凝土的配合比和工艺流程，提高混凝土的性能和耐久性。

（2）聚合物乳液在水泥环境中的成膜过程：水泥化环境中的阳离子，会引起乳液的聚积，使其粒子尺寸变大，从而减小了系统的扩散系数，阻止了水汽的外泄，从而造成了水汽在水泥体中的蒸发速度缓慢。由于在水泥环境下，乳液进入颗粒形变期的时间较长，其成膜速度较慢和进入颗粒形变期的时间较长，其成膜过程如图1所示。

图1 聚合物乳液在不同体系中的成膜过程

（3）聚合物乳液在JS 防水涂料中的作用：聚合物乳液在JS 防水涂料中的作用受到液粉比的影响。在液粉比小于0.4时，涂料中聚合物乳液的掺量较少，且颗粒分散度不够均匀，因此涂膜的柔韧性和耐久性较差。但由于水泥、石灰等基底材料与聚合物乳液之间的相容性较好，仍然可以提高涂膜的黏结力和耐水性。当液粉比大于0.5时，涂料中聚合物乳液占比较高，能够形成连续的聚合物相，从而增加涂层的柔韧性和延展性，降低涂层龟裂的风险，同时也能够提高涂膜的耐候性和耐久性。当液粉比等于0.4～0.5时，涂料中聚合物乳液的掺量适中，能够保持优秀的涂膜柔韧性、黏结力和耐水性，而且聚合物乳液与水泥等基底材料之间的相容性也有良好的平衡，因此涂料的防水效果和耐久性较好。综上，聚合物乳液在JS 防水涂料中的作用受到液粉比的影响。不同液粉比下，其作用机制和发挥效果都有所不同，需要根据实际需求和涂料配方的特点进行选择和调整。

（4）水泥在JS 防水涂料中的作用：随水泥在粉体中所占比例的增大，其水化度逐渐降低，而更多的是起到填料的作用。但是，在所有粉末相中，反应性胶凝材料所占比例仍有增大的趋势。这就是为什么在提高水泥用量时，尽管水泥的水化度有所下降，但总的抗拉强度、黏接强度却有所提高，尽管其中加入的水泥很少，但这才是提高总体性能的主要因素。而胶凝材料在粉体中所占比例越大，其收缩越大。一种是由于掺加了水泥而引起的化学收缩。同时，由于水泥的添加，加速了混凝土内部的水化过程，从而加速了混凝土的收缩，增加了混凝土的收缩量，并增加了混凝土的裂缝危险。

（5）水泥在聚合物乳液中的水泥水化行为。水泥在聚合物乳液中的水泥水化行为体现为以下两个方面：①水泥与乳液之间的相容性。水泥颗粒表面带有一定的电荷，聚合物乳液中的聚合物分子也带有电荷，当两者混合时能够发生电荷交互作用，从而促进水泥颗粒与聚合物颗粒之间的结合。同时，聚合物乳液中的单体和水泥颗粒表面的氢氧化钙等化学物质也会发生反应，形成化学键，增强聚合物颗粒与水泥颗粒的结合力。②聚合物乳液改性水泥的形成。水泥与聚合物乳液反应后，可以形成聚合物改性水泥。聚合物改性水泥中聚合物分子链与水泥中的氢氧化钙等离子体发生交联反应，形成三维网络结构，从而使得改性后的水泥具有更好的抗拉强度、抗裂性和耐久性等性能。SA、VAE、SB 这三种类型乳液对水泥的改性效果有所不同：SA 乳液是以丙烯酸钠为单体，具有良好的耐水性和抗紫外线性能，能够增强水泥改性后的耐久性和抗老化性能。VAE 乳液是以醋酸乙烯酯、乙烯为主要单体，具有良好的柔韧性和延展性，能够提高水泥改性后的抗裂性和柔韧性，降低水分子的通过率。SB 乳液是以苯乙烯丁二烯共聚物为主要单体，具有优异的黏结力和硬度，能够提高水泥改性后的黏结强度和硬度。综上，不同类型的聚合物乳液对水泥的改性效果不同，需要根据实际需求选择合适的乳液种类，研究聚合物乳液改性水泥不同水化时期时的氢氧化钙含量及水化程度。

3.3 产品生产注意事项

①本项目的研究成果将为JS 防水涂料的研究和开发提供理论依据，并为其应用奠定基础。②在配制JS 防水涂层时，选择适当的粉末和液体比例，可获得优良的制品。添加过多的乳剂，会降低产品的综合性能，降低产品的经济效益。③在配制JS 防水涂层时，适当的水泥含量也很重要，虽然可以提高制品的拉力，但是也会降低制品的韧度和收缩性，所以要结合具体的使用情况来调整水泥含量。获得了综合性能和经济效果较好的复合膜。

4 结束语

在人们对建筑提出更多、更高要求的背景下，越来越多的新技术和新材料等被应用于施工。聚合物乳液对水泥的改性十分重要，是当前常用的施工方法，相关企业应当不断加强投入对聚合物乳液和水泥间的交互作用以及机理进行研究，深入掌握聚合物乳液与水泥的相容性、聚合物乳液在水泥环境中的成膜过程、聚合物乳液以及水泥在JS 防水涂料中的作用，并基于此优化水泥的施工方法以及防水涂料的制备，促进施工质量的不断提升。