1、第五章第五章 聚合物混凝土聚合物混凝土 第一节第一节 概述概述1. 定义 聚合物混凝土：用有机高分子材料来代替或改善水泥胶凝材料所得到的高强、高质混凝土。2. 使用聚合物混凝土的原因n普通混凝土属于多孔结构的不均质脆性材料，抗拉、抗折强度较低，脆性大，柔性低，凝结硬化较缓慢，干缩量大以及抗化学腐蚀能力较差。n长期以来，人们一直在寻找对普通水泥混凝土进行改良的途径，如改善水泥的性质、添加纤维材料、添加外加剂等。n对混凝土基本力学特性的改善降低混凝土的刚性，提高其柔性，降低抗压强度与抗拉强度的比值等通常是掺加聚合物。第一节第一节 概述概述3. 发展历史o最初应用于混凝土的聚合物是天然的聚合物，如岩
2、石中的地沥青，主要用来胶结砖、防水坝体等。o在波特兰水泥混凝土中最早使用聚合物乳液是1909年美国的专利(L.H.Backland)。o1923年，英国人Cresson获得的专利中，天然胶乳被用作改性道路材料， 其中水泥作为填料使用。o60年代以后，除将合成胶乳用于对水泥混凝土进行改性外，人们开始研究把多种聚合物，例如聚苯乙烯、聚丙烯酸脂、聚氯乙烯等用于水泥砂浆及混凝土改性。o1971年美国混凝土学会(ACI)成立了548聚合物混凝土委员会。o80年代至今，世界范围对这一领域研究开发的兴趣与日俱增。到20世纪90年代，聚合物混凝土已经成为一种重要的建筑材料。 第一节第一节 概述概述4. 分类n
3、聚合物浸渍混凝土：是将硬化了的普通水泥混凝土土，经干燥和真空处理后浸渍在以树脂为原料的液态单体中，然后用加热或辐射的方法使渗入混凝土孔隙内的单体产生聚合作用，把混凝土和聚合物结合成一体的一种新型混凝土。n聚合物混凝土（亦称树脂混凝土）：是以合成树脂为胶结材料，以砂石为骨料的混凝土。n聚合物水泥混凝土（也称聚合物改性混凝土）：以聚合物(或单体)和水泥共同作为胶凝材料的聚合物混凝土。其制作工艺与普通混凝土相似，在加水搅拌时掺入一定量的有机物及其辅助剂，经成型、养护后，其中的水泥与聚合物同时固化而成。 第二节 聚合物浸渍混凝土1. 增强机理o 聚合物填充了混凝土内的孔隙及水泥石、骨料中的微裂缝以及水
4、泥石与骨料界面处的裂缝。因此，浸渍以后孔隙率大大下降、大孔显著减少。o 可提高它的密实度，增强水泥石与集料间的粘结力，并缓和裂缝尖端的应力集中，改变普通水泥混凝土的原有性能，使之具有高强度、抗渗、抗冻、抗冲、耐磨、耐化学腐蚀、抗射线等显著优点。 第二节 聚合物浸渍混凝土2.原材料o基体（或基材）、浸渍液、添加剂o基体-凡用无机胶凝材料与骨料经过凝结硬化组成的混凝土等混合材料，经过成型成为构件都可以作为聚合物浸渍混凝土的基体。o基体要求：必须有适当的孔隙，能被浸渍液渗填；有一定强度，能承受干燥、浸渍和聚合过程中的作用力，并不因搬动而产生裂缝等缺陷；化学成分不妨碍浸渍液的聚合；材料结构尽可能均质。
5、第二节 聚合物浸渍混凝土o 浸渍液-浸渍混凝土用的单体，即能起聚合反应而生成高分子化合物的简单化合物。o 常用的浸渍液：常用的有甲基丙烯酸甲酯（MMA）、苯乙烯（S）、聚酯树脂（P）、环氧树脂、丙烯酸甲酯（MA）等。o 浸渍液的要求：浸渍液要有适当的粘度，要有利于被基体吸收；有较高的沸点和较低的蒸汽压力，以减少挥发损失；聚合后能在基材内转化成固体聚合物；聚合收缩率小，聚合后不因水分等作用而膨胀或软化；聚合后与基材的粘结力好，能使两者形成整体；聚合物的软化温度必须超过材料的使用温度；要有较高的强度和较好的耐久、耐碱、耐热和耐老化性能。第二节 聚合物浸渍混凝土o 添加剂稀释剂-对于环氧和聚酯类高粘
6、度单体，加入适量苯乙烯作稀释剂，可以降低粘度，提高浸渍渗透能力。引发剂-采用热聚合时，应预先将引发剂混入单体中。引发剂在浸渍时被吸附在基体表面，起激发聚合反应的作用。交联剂-交联剂的作用是将线型聚合物转化成体型聚合物。促进剂-促进剂用来降低引发剂的正常分解温度，以促使单体在常温下聚合。 第二节 聚合物浸渍混凝土3. 生产工艺o基体干燥-基体干燥是为了使聚合物能充分浸渍基体的孔隙，使基体性能得到最大限度地改善，从而确保聚合物浸渍混凝土的强度和耐久性。o真空处理-干燥的基材自然冷却到常温，在用单体浸渍前，先进行真空处理，真空抽气的目的是将阻碍单体侵入的的空气从混凝土的孔隙中排除，使单体易于浸入混凝
7、土中，从而提高浸渍速度和浸渍率。o浸渍- 浸渍就是将基材混凝土制品在常压或压力状态下浸渍在单体中，直至浸透为止。oP241图3-5-2-1。第二节 聚合物浸渍混凝土4. 性能o抗压强度、抗拉强度、抗弯拉强度、弹性模量、冲击强度均提高o徐变减少o抗冻性、耐硫酸盐性、耐酸性、耐碱性等性能均提高o延性降低 P243图3-5-2-2。 o对于温度较敏感，随着温度的升高，抗压强度、弹性模量等均降低。第二节 聚合物浸渍混凝土5. 应用o 隧道衬砌、桥面板等。o 用于制作聚合物浸渍钢纤维混凝土、聚合物浸渍轻质混凝土。o 用聚合物浸渍的方法改善混凝土板的抗磨性能，用真空浸渍来处理混凝土表面裂缝。第三节 聚合物
8、混凝土1. 原材料n聚合物：主要有热固性树脂、热塑性树脂、沥青类、焦油类以及乙烯类单体。（P244表） 要求：应与骨料容易混合、牢固粘结，在室温或加热条件下可以固化，硬化时间可以调整，而且强度高、耐水性好。n骨料：与普通混凝土骨料相同。n填料：为减少树脂的用量，改善树脂混凝土的工作性能，宜加入粒径很小的惰性材料，如粉砂、硅石粉、碳酸钙、石灰石粉、粉煤灰、火山灰等。n外加剂：在配制树脂混凝土的过程中,需要添加适当的引发剂、促进剂或固化剂。选择不同的外加剂和添加率,可控制树脂混凝土的硬化时间及性能。常用的有苯二甲胺、乙二胺、多乙烯多胺。聚合物胶结混凝土聚合物胶结混凝土-配合比配合比第三节 聚合物混
9、凝土2.生产工艺（1）流程oP244图3-5-3-1。（2）搅拌o树脂混凝土与水泥混凝土不同，树脂混凝土粘性较大，如不快速搅拌，就会发生硬化反应，以至无法混合均匀。为此，树脂混凝土最好使用强制式搅拌机。o树脂混凝土的搅拌可采用两种方法：一种一种是先将骨料和填充料投入搅拌机中，搅拌约2min。随后投入预先(约提前2min)已混合好的液态树脂基剂和硬化剂，再搅拌3min。另一种另一种是先在搅拌机中加入液态树脂基剂和硬化剂，搅拌约2min，随后投入骨料和填充材料的混合物，再搅拌3min。（3）浇注和成型o 混凝土不能像普通水泥混凝土那样在搅拌后置放一段时间,而应在搅拌后在尽可能短的时间(允许时间)内
10、全部用完,更不能置留在搅拌机内,而应立即送到施工现场铺开,使其反应热尽快散发。o 树脂混凝土对各种材料有良好的粘接性,用模型浇注时,应根据树脂的种类选择适当的脱模剂(硅酮等),预先将其涂在模型上面,否则就不易脱模,致使表面损伤,影响外观质量。树脂混凝土的浇注、抹平及装修所用工具与水泥混凝土相同。工具用完后,应立即清除粘附在上面的拌合物。第三节 聚合物混凝土3. 性能o P245表3-5-3-2o 抗压强度、抗拉强度、抗折强度、弹性模量、粘结强度均高。o 抗变形能力好。o 致密，故抗渗性、抗冻性、抗腐蚀性以及抗冲刷耐磨性均好。第三节 聚合物混凝土4. 应用o 由于高强、抗渗、耐磨性能好，较广泛地
11、用于要求耐腐蚀的化工结构和接头，还用于衬砌、堤坝面层、桩、轨枕及喷射混凝土等。o 由于外形美观，可以代替花岗石、大理石等用作地面砖、桌面、浴缸等。第三节 聚合物混凝土第四节 聚合物改性混凝土一、聚合物改性混凝土机理一、聚合物改性混凝土机理1. 水泥混凝土中聚合物形成结构水泥混凝土中聚合物形成结构（1）过程）过程第一阶段：以乳液形式掺加到水泥混凝土中的聚合物，在水泥混凝土搅拌均匀后，聚合物乳液颗粒会相当均匀地分散在水泥混凝土体系中均匀地分散在水泥混凝土体系中。第二阶段：随着水泥的水化，体系中的水不断地被水化水泥所结合，聚合物乳液逐渐被限制在毛细孔隙中。随着水化的继续进行，毛细孔隙中的水量在减少，
12、聚合物颗粒絮凝在一起。聚合物颗粒絮凝在一起。第三阶段：随着水化过程的不断进行，聚集在一起的聚合物颗粒之间的水分逐渐被全部吸收到水化过程的化学结合水中去，最终聚合物颗粒完全融合在一起形成连续的聚合物网结构。，最终聚合物颗粒完全融合在一起形成连续的聚合物网结构。（2）作用）作用聚合物会在水泥水化凝胶的表面、骨料颗粒的表面积及未水化水泥颗粒的表面形成密封层（即薄膜），即聚合物薄膜填充了水泥混凝土中较大的孔隙以及水泥石与骨料的界面。聚合物网结构把水泥水化产物联结在一起，即水泥水化产物与聚合物交织缠绕在一起，因而改善了水泥石结构形态。2. 聚合物与水泥的相互作用o聚合物颗粒与水泥水化产物之间产生离子键型
13、的化学结合，形成联结强度，而且这种化学作用对于聚合物成膜以及水泥水化过程（如水化速度）均有明显的影响。o聚合物与水泥水化产物之间也可通过氢键、范德华键相互作用，从而对于水泥石及水泥混凝土的结构强度起一定的加强作用。3. 聚合物的减水作用o大部分聚合物掺入水泥混凝土后可以改善其流动性。原因有两个：一是聚合物颗粒在混凝土体系中的轴承效应；二是聚合物乳液中的表面活性物质（类似减水剂）可以改善流动性。o故聚合物掺入后，可以降低水灰比，减小混凝土中的孔隙率。第四节 聚合物改性混凝土第四节 聚合物改性混凝土二、材料组成o 水泥、骨料、水、聚合物、助剂。1. 聚合物o 水溶性聚合物分散体乳胶类，如橡胶乳液、
14、树脂乳液和混合分散系；o 水溶性聚合物：如纤维衍生物、聚丙烯酸盐等；o 液体聚合物：如不饱和聚酯、环氧树脂等。第四节 聚合物改性混凝土2. 助剂助剂（1）稳定剂 稳定剂的主要作用是使聚合物与水泥混合均匀，并能有效地结合。常用的稳定剂有OP型乳化剂、均染剂102、农乳600等。（2）抗水剂 有些聚合物，如乳胶树脂及其乳化剂和稳定剂，耐水性差，使用时需加入抗水剂。（3）促凝剂 当乳胶树脂等掺量较多时，会延缓聚合物水泥混凝土的凝结，因而须加入促凝剂。（4）消泡剂o乳胶与水泥拌和时，会产生许多小泡，致使混凝土孔隙率增加，因此需加入消泡剂。o常用的消泡剂有醇类、脂肪酸酯类、磷酸酯类以及有机硅类。第四节
15、聚合物改性混凝土三、配合比组成设计三、配合比组成设计o聚合物水泥混凝土的配合比是影响其技术性能的主要因素,对聚合物水泥混凝土的技术性能产生影响的因素较多,如聚合物的种类、聚合物与水泥比、水灰比、消泡剂及掺量等。o在确定聚合物水泥混凝土的配合比时,除考虑混凝土的和易性和抗压强度外，还需考虑抗拉强度、抗弯强度、粘结性、不透水性和耐腐蚀性等。决定上述这些性能的关键是聚合物和水泥在整个固体中的重量比。在考虑其他组成材料时,可按普通水泥混凝土进行计算。第四节 聚合物改性混凝土四、施工工艺四、施工工艺o 拌制：与普通水泥混凝土相同，在加水时掺入一定量的聚合物分散体及助剂即可，也可将聚合物粉末直接掺入水泥中
16、。o 养护：浇筑后尚未硬化时，不能洒水养护或遭雨淋，否则表面将形成一层白色脆性的聚合物薄膜，降低使用性能。最后先湿气养护，然后再干养护。第四节 聚合物改性混凝土五、性能1. 聚合物改性水泥石微观结构o随聚合物不同而不同。o部分聚合物（如聚丙烯酸PAA）掺入后，水泥砂浆中总孔隙率减小，特别是界面区域的孔隙（较大孔径）数量减小。o部分聚合物（如聚苯乙烯）掺入后，水泥砂浆中总孔隙率增大，特别是界面区域的孔隙（较大孔径）数量增多。说明聚苯乙烯在混凝土中不能融合成膜，其颗粒堆积在一起导致孔隙增多。o用于聚合物改性水泥混凝土的当然是第一种。第四节 聚合物改性混凝土2. 聚合物改性混凝土强度（1）对于强度的
17、影响o大部分聚合物对于混凝土的抗折强度及抗拉强度有非常明显的改善效果，对于抗压强度仅有少量的改善效果，故可以提高水泥混凝土的抗折强度与抗压强度的比值。（P250，表3-5-4-1）。o可以提高混凝土与其它材料的粘附强度。（2）强度影响因素o聚合物品种和掺量、水泥品种以及养护条件。第四节 聚合物改性混凝土3. 聚合物改性混凝土的变形（1）应力应变曲线o掺入聚合物后，水泥混凝土的应力-应变曲线斜率减小。o破坏时的应变增加，即由脆性破坏变为柔性破坏。（2）干缩o 取决于聚合物的类型和掺量，其干缩率可能大于或小于普通水泥混凝土的干缩率。（3）温缩o温度胀缩系数一般大于普通的水泥混凝土的。第四节 聚合物
18、改性混凝土4. 耐久性（1）渗透性及水稳定性 由于掺入聚合物以后更加密实，所以提高了水的渗透性（防水性）和水稳定性。（2）温度稳定性 温度升高时，聚合物改性混凝土的强度明显降低。特别是温度高于聚合物的玻璃化温度时强度降低更为明显，因为此时聚合物塑化了。（3）化学稳定性 取决于掺加聚合物的性质及掺量。大部分聚合物改性砂浆及混凝土能被有机酸、无机酸及硫酸盐所侵蚀，但对于碱性及盐类有良好的抗腐蚀性。（4）抗冻性 由于结构密实，抗冻性提高。（5）耐磨性 提高。第四节 聚合物改性混凝土六、六、 应用应用o高等级公路的水泥混凝土路面o桥面铺装 与梁的粘结很好，防水性也好。o结构工程o修补工程 修补时，聚合物会渗透到旧混凝土的孔隙中，新混凝土硬化及聚合物成膜后，在新旧混凝土之间形成穿插于新旧混凝土之间的聚合联结，大大增加了联结强度。o制作纤维聚合物水泥混凝土 纤维可以使用玻璃纤维、钢纤维等。可以提高抗拉强度、减小收缩。
