对聚合物改性水泥基材料的探析

许良

摘 要：水泥作为胶凝材料的代表，具有良好的施工性能，具有很好的抗压强度。但是实际应用上，水泥依然有着不少缺陷：脆性大，自重大，易开裂，延伸率低，耐久性差，耐腐蚀性弱等。聚合物改性混凝土：在水泥的混合过程中，加入可分散在水相中的聚合物而形成的水泥基材料。当前，这类聚合物水泥基材料主要可以分为两种不同类型：先将聚合物用水分散后，以乳液或聚合物水溶液形式加入，从而改善水泥砂浆以及水泥混凝土性能；先将聚合物与水泥进行预分散，之后以干拌砂浆的形式使用。

关键词：聚合物；改性；水泥；材料

环氧树脂改性水泥基材料在水泥水化过程中，环氧树脂分子由于聚合形成交联结构，该交联结构又穿插进水泥中，形成互穿网络结构，促进了水泥基材料各方面性能的改善：材料抗折及抗拉伸强度大幅度提高；收缩率显著降低；材料的粘接性、抗渗性、抗冻融性等特性优良。

1 聚乙烯醇改性水泥基材料

聚合物改性水泥基材料中所采用的聚合物种类多种多样，各具优劣。除去上述的水性环氧树脂改性水泥基材料，聚乙烯醇改性水泥基材料应用也是非常广泛。聚乙烯醇应用于水泥基材料现阶段主要有两种方式，一种是聚乙烯醇纤维材料改性水泥基材料，另一种则是聚乙烯醇水溶液改性水泥基材料。

聚乙烯醇纤维（维尼纶纤维或维纶纤维）本身无毒、亲水、分散性好、抗碱性强、耐日光老化、密度小，更重要的是其与水泥砂浆以及水泥混凝土粘接性好，再加上聚乙烯醇纤维的较高弹性模量以及比表面积，所以在改性水泥基材料中使用十分广泛。一般把聚乙烯醇纤维分为低弹低模的普通维纶纤维、中强中模维纶纤维、高强高模维纶纤维。

1.1 聚乙烯醇水溶液的制备

首先用自来水将反应釜冲洗干净，然后把反应釜的各配件安装好，取一定量自来水倒入反应釜，打开反应釜升温装置并设定温度为75℃，打开搅拌装置，并设定转速为 400 转/分钟。将适量的聚乙烯醇倒入反应釜，随时观察釜内溶解情况。如出现聚乙烯醇难溶的情况，则可适当调大转速。6 小时后，溶解基本完成。停止搅拌和加热系统，静置 8 小时，消除气泡。用纱布过滤出液体中难溶物后将其装入塑料罐中储存。如此制备不同浓度的聚乙烯醇水溶液。

1.2 聚乙烯醇对水泥凝结时间的影响

随着溶液掺量的增加，改性水泥的凝结时间也逐渐增加。这是因为聚乙烯醇在体系中水解产生的带正电子基团与水泥水化物相互结合形成络合物，除此以外还会跟水泥颗粒以及相应水化物交织形成有机—无机膜结构。有文献指出，这种膜结构由于本身的强度低，在水化过程中容易断裂，不易形成连续相而将水泥颗粒包裹成团，妨碍了水化的进行，延缓了凝结时间。

1.3 聚乙烯醇对水泥密度及含气量的影响

随着聚乙烯醇溶液掺量的增加，改性水泥的含气量都逐渐上升。这是因为随着聚乙烯醇溶液的加入，改性水泥及其水化产物的密实度降低，原本的水泥颗粒之间除了有乳液的渗入，也有部分气体进入，故水化形成互穿网络结构的同时也产生了微小气泡，并且随着聚乙烯醇掺量的提升，这种现象愈发显著。

2 水泥拌和与乳液的加入方法

水泥拌和方法分为两种：手动拌和与机械拌和。手动拌和搅动速度较慢，水泥中不会产生大量气泡；机械搅拌搅拌速度快，能够使体系均匀分散，但是会产生大量的气泡。所以一般在机械搅拌时会加入消泡剂，但是这样做在某种程度上也会影响改性水泥基材料的性能。

消泡剂是能在泡沫体系之中产生稳定的表面张力不平衡，破坏发泡体系表面粘度和弹性的物质，具有低的表面张力和亲水亲油平衡指数值。一般来说，消泡剂可以分为两大类。以往应用的比较多的是碱类消泡剂；近年来，由于对消泡剂效果要求的提升，易均匀地分散于介质，产生持久和均衡的消泡能力的复合型消泡剂（主要是高级醇、脂肪酸、酯类、有机膦酸酯、有机硅油与表面活性剂的混合物）大受青睐。

2.1 乳化剂对环氧树脂水性化效果的影响

乳化剂浓度对环氧树脂乳液稳定性影响显著。随着乳化剂浓度增加，环氧树脂乳液的稳定性呈现一先上升后下降的趋势。这种先上升后下降的趋势可以用相反转机理来解释：当乳化剂浓度处在相反转点浓度之前时，随着乳化剂浓度的增加，越来越多的乳化剂分子分散在水相中并包裹水滴，形成具有一定张力的界面膜。当浓度越高时，水滴被乳化剂分子覆盖得越加完善，从而界面膜强度越高，使得乳液越加稳定；但当乳化剂浓度过高时，由于体系内乳化剂分子来不及包裹水滴便与树脂形成胶束，在相反转过程中的高剪切力作用下，使得环氧树脂乳液粒径变大，乳化剂在水滴表面的相对覆盖率降低，最终导致乳液稳定性下降。

2.2 环氧树脂乳液对水泥基材料凝结时间的影响

聚合物（例如丁苯橡胶乳液、氯丁橡胶乳液等）改性水泥基材料，一般来说都会减缓水泥基材料的凝结时间。一方面是因为在水泥水化的过程中，由于各种亲水基团的作用，聚合物可以吸附微小的水泥颗粒，将其包裹并阻碍其水化；另一方面，由于水化层之间的微小乳粒彼此之间具有相互斥力，使得水泥颗粒彼此远离，进一步延缓凝结时间。

2.3 环氧树脂乳液对水泥基材料力学强度的影响

力学性能是环氧树脂乳液改性水泥的一个重要指标。很多对水泥进行改性的目的就是为了获得良好的力学性能。环氧树脂乳液改性水泥时，乳液进入水泥体系中与水泥水化产物形成互穿网络结构，一方面阻止了体系中水分的散失，另一方面也填充了水泥颗粒之间的间隙。所以凝结后的改性水泥在力学性能上较之前得到了改善。这里分别从固化剂类型，环氧树脂乳液掺量以及养护制度等方面来研究环氧树脂乳液对水泥基材料力学性能的影响。在聚合物改性水泥的养护过程中，早期使用湿养护，晚期使用干养护，会得到最优异的力学性能。这是因为试验证明：早期使用湿养护会对乳液成膜有明显的延缓作用，加强了其力学性能的提高；而后期的干养护使其水化过程完备，再次从另一方面提高水泥力学性能。

参考文献

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