1、第五章 聚合物混凝土 第一節 概述1. 定義 聚合物混凝土：用有機高分子材料來代替或改善水泥膠凝材料所得到的高強、高質混凝土。2. 使用聚合物混凝土的原因普通混凝土屬于多孔結構的不均質脆性材料，抗拉、抗折強度較低，脆性大，柔性低，凝結硬化較緩慢，干縮量大以及抗化學腐蝕能力較差。長期以來，人們一直在尋找對普通水泥混凝土進行改良的途徑，如改善水泥的性質、添加纖維材料、添加外加劑等。對混凝土基本力學特性的改善降低混凝土的剛性，提高其柔性，降低抗壓強度與抗拉強度的比值等通常是摻加聚合物。第一節 概述3. 發展歷史最初應用于混凝土的聚合物是天然的聚合物，如巖石中的地瀝青，主要用來膠結磚、防水壩體等。在波

2、特蘭水泥混凝土中最早使用聚合物乳液是1909年美國的專利(L.H.Backland)。1923年，英國人Cresson獲得的專利中，天然膠乳被用作改性道路材料， 其中水泥作為填料使用。60年代以后，除將合成膠乳用于對水泥混凝土進行改性外，人們開始研究把多種聚合物，例如聚苯乙烯、聚丙烯酸脂、聚氯乙烯等用于水泥砂漿及混凝土改性。1971年美國混凝土學會(ACI)成立了548聚合物混凝土委員會。80年代至今，世界范圍對這一領域研究開發的興趣與日俱增。到20世紀90年代，聚合物混凝土已經成為一種重要的建筑材料。 第一節 概述4. 分類聚合物浸漬混凝土：是將硬化了的普通水泥混凝土土，經干燥和真空處理后浸

3、漬在以樹脂為原料的液態單體中，然后用加熱或輻射的方法使滲入混凝土孔隙內的單體產生聚合作用，把混凝土和聚合物結合成一體的一種新型混凝土。聚合物混凝土（亦稱樹脂混凝土）：是以合成樹脂為膠結材料，以砂石為骨料的混凝土。聚合物水泥混凝土（也稱聚合物改性混凝土）：以聚合物(或單體)和水泥共同作為膠凝材料的聚合物混凝土。其制作工藝與普通混凝土相似，在加水攪拌時摻入一定量的有機物及其輔助劑，經成型、養護后，其中的水泥與聚合物同時固化而成。 第二節 聚合物浸漬混凝土1. 增強機理聚合物填充了混凝土內的孔隙及水泥石、骨料中的微裂縫以及水泥石與骨料界面處的裂縫。因此，浸漬以后孔隙率大大下降、大孔顯著減少。可提高它

4、的密實度，增強水泥石與集料間的粘結力，并緩和裂縫尖端的應力集中，改變普通水泥混凝土的原有性能，使之具有高強度、抗滲、抗凍、抗沖、耐磨、耐化學腐蝕、抗射線等顯著優點。 第二節 聚合物浸漬混凝土2.原材料基體（或基材）、浸漬液、添加劑基體-凡用無機膠凝材料與骨料經過凝結硬化組成的混凝土等混合材料，經過成型成為構件都可以作為聚合物浸漬混凝土的基體。基體要求：必須有適當的孔隙，能被浸漬液滲填；有一定強度，能承受干燥、浸漬和聚合過程中的作用力，并不因搬動而產生裂縫等缺陷；化學成分不妨礙浸漬液的聚合；材料結構盡可能均質。第二節 聚合物浸漬混凝土浸漬液-浸漬混凝土用的單體，即能起聚合反應而生成高分子化合物的

5、簡單化合物。常用的浸漬液：常用的有甲基丙烯酸甲酯（MMA）、苯乙烯（S）、聚酯樹脂（P）、環氧樹脂、丙烯酸甲酯（MA）等。浸漬液的要求：浸漬液要有適當的粘度，要有利于被基體吸收；有較高的沸點和較低的蒸汽壓力，以減少揮發損失；聚合后能在基材內轉化成固體聚合物；聚合收縮率小，聚合后不因水分等作用而膨脹或軟化；聚合后與基材的粘結力好，能使兩者形成整體；聚合物的軟化溫度必須超過材料的使用溫度；要有較高的強度和較好的耐久、耐堿、耐熱和耐老化性能。第二節 聚合物浸漬混凝土添加劑稀釋劑-對于環氧和聚酯類高粘度單體，加入適量苯乙烯作稀釋劑，可以降低粘度，提高浸漬滲透能力。引發劑-采用熱聚合時，應預先將引發劑混

6、入單體中。引發劑在浸漬時被吸附在基體表面，起激發聚合反應的作用。交聯劑-交聯劑的作用是將線型聚合物轉化成體型聚合物。促進劑-促進劑用來降低引發劑的正常分解溫度，以促使單體在常溫下聚合。 第二節 聚合物浸漬混凝土3. 生產工藝基體干燥-基體干燥是為了使聚合物能充分浸漬基體的孔隙，使基體性能得到最大限度地改善，從而確保聚合物浸漬混凝土的強度和耐久性。真空處理-干燥的基材自然冷卻到常溫，在用單體浸漬前，先進行真空處理，真空抽氣的目的是將阻礙單體侵入的的空氣從混凝土的孔隙中排除，使單體易于浸入混凝土中，從而提高浸漬速度和浸漬率。浸漬- 浸漬就是將基材混凝土制品在常壓或壓力狀態下浸漬在單體中，直至浸透為

7、止。P241圖3-5-2-1。第二節 聚合物浸漬混凝土4. 性能抗壓強度、抗拉強度、抗彎拉強度、彈性模量、沖擊強度均提高徐變減少抗凍性、耐硫酸鹽性、耐酸性、耐堿性等性能均提高延性降低 P243圖3-5-2-2。 對于溫度較敏感，隨著溫度的升高，抗壓強度、彈性模量等均降低。第二節 聚合物浸漬混凝土5. 應用隧道襯砌、橋面板等。用于制作聚合物浸漬鋼纖維混凝土、聚合物浸漬輕質混凝土。用聚合物浸漬的方法改善混凝土板的抗磨性能，用真空浸漬來處理混凝土表面裂縫。第三節 聚合物混凝土1. 原材料聚合物：主要有熱固性樹脂、熱塑性樹脂、瀝青類、焦油類以及乙烯類單體。（P244表） 要求：應與骨料容易混合、牢固粘

8、結，在室溫或加熱條件下可以固化，硬化時間可以調整，而且強度高、耐水性好。骨料：與普通混凝土骨料相同。填料：為減少樹脂的用量，改善樹脂混凝土的工作性能，宜加入粒徑很小的惰性材料，如粉砂、硅石粉、碳酸鈣、石灰石粉、粉煤灰、火山灰等。外加劑：在配制樹脂混凝土的過程中,需要添加適當的引發劑、促進劑或固化劑。選擇不同的外加劑和添加率,可控制樹脂混凝土的硬化時間及性能。常用的有苯二甲胺、乙二胺、多乙烯多胺。聚合物膠結混凝土-配合比第三節 聚合物混凝土2.生產工藝（1）流程P244圖3-5-3-1。（2）攪拌樹脂混凝土與水泥混凝土不同，樹脂混凝土粘性較大，如不快速攪拌，就會發生硬化反應，以至無法混合均勻。為

9、此，樹脂混凝土最好使用強制式攪拌機。樹脂混凝土的攪拌可采用兩種方法：一種是先將骨料和填充料投入攪拌機中，攪拌約2min。隨后投入預先(約提前2min)已混合好的液態樹脂基劑和硬化劑，再攪拌3min。另一種是先在攪拌機中加入液態樹脂基劑和硬化劑，攪拌約2min，隨后投入骨料和填充材料的混合物，再攪拌3min。（3）澆注和成型混凝土不能像普通水泥混凝土那樣在攪拌后置放一段時間,而應在攪拌后在盡可能短的時間(允許時間)內全部用完,更不能置留在攪拌機內,而應立即送到施工現場鋪開,使其反應熱盡快散發。樹脂混凝土對各種材料有良好的粘接性,用模型澆注時,應根據樹脂的種類選擇適當的脫模劑(硅酮等),預先將其涂

10、在模型上面,否則就不易脫模,致使表面損傷,影響外觀質量。樹脂混凝土的澆注、抹平及裝修所用工具與水泥混凝土相同。工具用完后,應立即清除粘附在上面的拌合物。第三節 聚合物混凝土3. 性能P245表3-5-3-2抗壓強度、抗拉強度、抗折強度、彈性模量、粘結強度均高。抗變形能力好。致密，故抗滲性、抗凍性、抗腐蝕性以及抗沖刷耐磨性均好。第三節 聚合物混凝土4. 應用由于高強、抗滲、耐磨性能好，較廣泛地用于要求耐腐蝕的化工結構和接頭，還用于襯砌、堤壩面層、樁、軌枕及噴射混凝土等。由于外形美觀，可以代替花崗石、大理石等用作地面磚、桌面、浴缸等。第三節 聚合物混凝土第四節 聚合物改性混凝土一、聚合物改性混凝土

11、機理1. 水泥混凝土中聚合物形成結構（1）過程第一階段：以乳液形式摻加到水泥混凝土中的聚合物，在水泥混凝土攪拌均勻后，聚合物乳液顆粒會相當均勻地分散在水泥混凝土體系中。第二階段：隨著水泥的水化，體系中的水不斷地被水化水泥所結合，聚合物乳液逐漸被限制在毛細孔隙中。隨著水化的繼續進行，毛細孔隙中的水量在減少，聚合物顆粒絮凝在一起。第三階段：隨著水化過程的不斷進行，聚集在一起的聚合物顆粒之間的水分逐漸被全部吸收到水化過程的化學結合水中去，最終聚合物顆粒完全融合在一起形成連續的聚合物網結構。（2）作用聚合物會在水泥水化凝膠的表面、骨料顆粒的表面積及未水化水泥顆粒的表面形成密封層（即薄膜），即聚合物薄膜

12、填充了水泥混凝土中較大的孔隙以及水泥石與骨料的界面。聚合物網結構把水泥水化產物聯結在一起，即水泥水化產物與聚合物交織纏繞在一起，因而改善了水泥石結構形態。2. 聚合物與水泥的相互作用聚合物顆粒與水泥水化產物之間產生離子鍵型的化學結合，形成聯結強度，而且這種化學作用對于聚合物成膜以及水泥水化過程（如水化速度）均有明顯的影響。聚合物與水泥水化產物之間也可通過氫鍵、范德華鍵相互作用，從而對于水泥石及水泥混凝土的結構強度起一定的加強作用。3. 聚合物的減水作用大部分聚合物摻入水泥混凝土后可以改善其流動性。原因有兩個：一是聚合物顆粒在混凝土體系中的軸承效應；二是聚合物乳液中的表面活性物質（類似減水劑）可

13、以改善流動性。故聚合物摻入后，可以降低水灰比，減小混凝土中的孔隙率。第四節 聚合物改性混凝土第四節 聚合物改性混凝土二、材料組成水泥、骨料、水、聚合物、助劑。1. 聚合物水溶性聚合物分散體乳膠類，如橡膠乳液、樹脂乳液和混合分散系；水溶性聚合物：如纖維衍生物、聚丙烯酸鹽等；液體聚合物：如不飽和聚酯、環氧樹脂等。第四節 聚合物改性混凝土2. 助劑（1）穩定劑 穩定劑的主要作用是使聚合物與水泥混合均勻，并能有效地結合。常用的穩定劑有OP型乳化劑、均染劑102、農乳600等。（2）抗水劑 有些聚合物，如乳膠樹脂及其乳化劑和穩定劑，耐水性差，使用時需加入抗水劑。（3）促凝劑 當乳膠樹脂等摻量較多時，會延

14、緩聚合物水泥混凝土的凝結，因而須加入促凝劑。（4）消泡劑乳膠與水泥拌和時，會產生許多小泡，致使混凝土孔隙率增加，因此需加入消泡劑。常用的消泡劑有醇類、脂肪酸酯類、磷酸酯類以及有機硅類。第四節 聚合物改性混凝土三、配合比組成設計聚合物水泥混凝土的配合比是影響其技術性能的主要因素,對聚合物水泥混凝土的技術性能產生影響的因素較多,如聚合物的種類、聚合物與水泥比、水灰比、消泡劑及摻量等。在確定聚合物水泥混凝土的配合比時,除考慮混凝土的和易性和抗壓強度外，還需考慮抗拉強度、抗彎強度、粘結性、不透水性和耐腐蝕性等。決定上述這些性能的關鍵是聚合物和水泥在整個固體中的重量比。在考慮其他組成材料時,可按普通水泥

15、混凝土進行計算。第四節 聚合物改性混凝土四、施工工藝拌制：與普通水泥混凝土相同，在加水時摻入一定量的聚合物分散體及助劑即可，也可將聚合物粉末直接摻入水泥中。養護：澆筑后尚未硬化時，不能灑水養護或遭雨淋，否則表面將形成一層白色脆性的聚合物薄膜，降低使用性能。最后先濕氣養護，然后再干養護。第四節 聚合物改性混凝土五、性能1. 聚合物改性水泥石微觀結構隨聚合物不同而不同。部分聚合物（如聚丙烯酸PAA）摻入后，水泥砂漿中總孔隙率減小，特別是界面區域的孔隙（較大孔徑）數量減小。部分聚合物（如聚苯乙烯）摻入后，水泥砂漿中總孔隙率增大，特別是界面區域的孔隙（較大孔徑）數量增多。說明聚苯乙烯在混凝土中不能融合

16、成膜，其顆粒堆積在一起導致孔隙增多。用于聚合物改性水泥混凝土的當然是第一種。第四節 聚合物改性混凝土2. 聚合物改性混凝土強度（1）對于強度的影響大部分聚合物對于混凝土的抗折強度及抗拉強度有非常明顯的改善效果，對于抗壓強度僅有少量的改善效果，故可以提高水泥混凝土的抗折強度與抗壓強度的比值。（P250，表3-5-4-1）。可以提高混凝土與其它材料的粘附強度。（2）強度影響因素聚合物品種和摻量、水泥品種以及養護條件。第四節 聚合物改性混凝土3. 聚合物改性混凝土的變形（1）應力應變曲線摻入聚合物后，水泥混凝土的應力-應變曲線斜率減小。破壞時的應變增加，即由脆性破壞變為柔性破壞。（2）干縮 取決于聚合物的類型和摻量，其干縮率可能大于或小于普通水泥混凝土的干縮率。（3）溫縮溫度脹縮系數一般大于普通的水泥混凝土的。第四節 聚合物改性混凝土4. 耐久性（1）滲透性及水穩定性 由于摻入聚合物以后更加密實，所以提高了水的滲透性（防水性）和水穩定性。（2）溫度穩定性 溫度升高時，聚合物改性混凝土的強度明顯降低。特別是溫度高于聚合物的玻璃化溫度時強度降低更為明顯，因為此時聚合物塑化了。（3）化學穩定性 取