聚合物砂浆研究进展

2016-03-12陈大华袁世刚高盼张敏

筑路机械与施工机械化 2016年2期

陈大华+袁世刚+高盼+张敏

摘要：基于聚合物砂浆在建筑及路面施工中广阔的应用前景，系统介绍了聚合物砂浆的发展过程及分类，综合分析了改性砂浆的性质和应用，研究了聚合物砂浆的改性机理，并对目前聚合物砂浆存在的问题和未来的研究方向进行了探讨。最后指出，绿色环保型、复合型等功能性聚合物砂浆是未来的发展及研究方向。

关键词：聚合物砂浆；弹性模量；力学性能；改性机理

中图分类号：U414.1文献标志码：B

Abstract： Based on the prospect of polymer modified mortar being widely used in construction and road building， the development and classification of it were introduced. The properties and application of polymer modified mortar were comprehensively analyzed. The mechanism for the modification was studied， and the problems that polymer modified mortar is currently facing and its future were discussed. It was pointed out that the environmentallyfriendly compound polymer modified mortar should be the development trend.

Key words： polymer modified mortar； resilient modulus； mechanical property； modification mechanism

0引言

水泥砂浆价格低廉、应用广泛，被认为是最有经济实用价值的材料，但在许多实际情况中，水泥砂浆的耐久性和渗透性缺陷限制了其应用范围。当其应用于桥面、路面和海边防护构件时，水分、氧气、氯化物和除冰盐通过砂浆内部孔道渗透至钢筋表面，使钢筋受到严重腐蚀，从而对这些基础设施产生破坏。为了克服普通水泥砂浆存在的不足，国内外学者对大量的水泥基复合材料进行了研究，发现聚合物砂浆作为一种有机无机复合材料，具备良好的工作性能、力学性能和耐腐蚀性能，使其在现代建筑以及路面施工中的应用日益广泛。

聚合物砂浆主要是一些聚合物乳液、聚合物纤维和聚合物干粉等有机高分子制品，与砂浆通过不同方式拌和而成的复合材料，这些聚合物在拌和时可以改善砂浆的和易性，降低水灰比，同时聚合物颗粒密封在砂浆的孔隙和裂缝中，对砂浆的强度和耐久性都有极大的帮助。此外，由于聚合物具有优异的附着性，可以加强砂浆各组分之间以及砂浆与待修补基体间的粘结力，使得改性砂浆能够作为恶劣环境下的修补材料。相比普通砂浆，聚合物砂浆还具有质量轻和多孔的性质，有望在将来发展成为控温、隔热等功能性材料；而且作为基础建设材料，它不仅可以节省自然资源、延长基础设施寿命、保护环境，还对建筑、道路等行业材料的发展具有特殊指导意义。

1聚合物砂浆的发展与分类

1.1聚合物砂浆的发展

聚合物砂浆的研究最早可追溯至20世纪初期，法国泥瓦匠将动物血掺入普通砂浆中，发现该砂浆具有优异的防水功效。1923年，英国克莱森（Cresson）在普通水泥砂浆中加入了天然橡胶乳液，对路面材料进行改性，并首次申请了天然橡胶改性砂浆的专利。1924年，莱夫布尔（Lefebure）对天然橡胶乳液改性砂浆做了进一步研究，第一次提出聚合物改性水泥砂浆的概念，并申请了专利。1932年，邦德（Band）采用人造橡胶对水泥砂浆进行了改性[2]，首次申请了合成橡胶改性砂浆的专利。20世纪40年代，对于合成聚合物乳液改性砂浆的研究不断深入，尤其是橡胶改性水泥砂浆由于良好的耐腐蚀性和粘结强度首次被用于船舶路面的面板涂层；50年代，基于聚合物砂浆改性研究的不断发展，研究人员开始尝试将性能优异的部分改性砂浆应用于实际工程中；60～70年代，科研人员在前期聚合物乳液改性砂浆的试验基础上，研究了聚合物单体、树脂、粉末等不同形态的聚合物对水泥砂浆性能的影响；现在，聚合物砂浆不仅广泛应用于实际工程中，聚合物的改性机理、聚合物与水泥水化产物界面间的作用机理等也被研究人员作为重要课题进行了深入研究分析[14]。

近年来，聚合物砂浆因其优良的使用性能被大量应用于化工、建筑、交通等各个行业。例如在建筑工程中的修补加固、防腐涂层和隔热保温等，以及交通工程中的防水补漏、裂缝修补等。

1.2聚合物砂浆的分类

根据聚合物种类及加入方式的不同，将聚合物砂浆分为聚合物浸渍砂浆（PIM）、聚合物砂浆（PM）和聚合物改性砂浆（PCM）三类[56]。聚合物浸渍砂浆具有良好的使用性能，但存在工艺操作复杂、成本相对较高的问题；由于聚合物占聚合物砂浆复合材料比例相对较大，使砂浆的成本明显增大，因此不利于实际工程的应用；聚合物改性砂浆克服了上述缺点，成本较低、工艺简单、性能优良，成为应用最为广泛的聚合物改性复合材料。

聚合物改性水泥砂浆是将聚合物作为胶凝材料加入到水泥砂浆中拌和得到的复合材料。聚合物乳液是聚合物砂浆的粘结材料，通常采用的聚合物包括热固性树脂乳液、热塑性树脂乳液、橡胶乳液、沥青乳液和混合乳液等[7]。由于高分子聚合物本身性质各有差异，应用于水泥砂浆中对砂浆的改性作用也各不相同。

2聚合物砂浆的性质与应用

2.1聚合物砂浆的性质

聚合物高分子材料因其弹性模量低、柔韧性好等特点，能够赋予改性水泥砂浆优良的使用性能。

通常聚合物砂浆具有良好的工作性能。由于聚合物有较强的引气作用，使得聚合物砂浆在拌和过程中产生大量气泡，起到滚珠作用，有效增大水泥砂浆的流动性，同时聚合物自身良好的分散性也有利于改善其流动性。在一定范围内，随着聚合物用量的增加，砂浆流动性增大。此外，聚合物还具有一定的减水作用，有利于水泥的水化过程，即使是在干燥的环境中，聚合物砂浆仍能保持稳定的强度增长[8]。在承受荷载时，由于复合材料良好的保水性，使得聚合物砂浆结构中的毛细管水移动受到限制，砂浆的徐变性也得到改善。

由于高分子材料弹性模量远低于砂浆，将其用于水泥砂浆改性，能够降低复合材料的弹性模量，改善聚合物砂浆的柔韧性，并有效防止因干燥收缩产生裂缝。聚合物的良好柔韧性能够在砂浆体系中起到桥接作用，有效防止裂缝产生，减少砂浆中相互连通的毛细孔结构[910]。在一定范围内，随着聚合物掺入量的增加，复合材料的脆性大大降低，解决了普通水泥砂浆因脆性过大而容易引发的断裂问题。

聚合物砂浆具有良好的力学性能、粘结性能和耐磨性能。聚合物的加入可以改善水泥砂浆水化产物与集料粘结的过渡区，提高聚合物砂浆粘结强度；同时，界面区的改善也是提高复合材料力学性能的主要原因。在一定范围内，抗折强度随聚合物用量的增大显著提高；而抗压强度随聚合物用量的增大略有降低，这与聚合物自身的强度较低有关；聚合物砂浆的耐磨性能随聚合物用量的增大而提高。

此外，聚合物改性砂浆还具有较好耐冻性、耐化学腐蚀性、耐水性和抗渗性等优点[11]。加入聚合物后，砂浆孔结构得到改善，复合材料具有较好的致密性，相比普通砂浆，改性砂浆的耐油污性和耐候性明显改善；但高分子材料的加入使得聚合物砂浆的耐有机溶剂性能受到影响。

2.2聚合物砂浆的应用

在1992年中国就有学者成功研制了抗渗性和耐腐蚀性均较好的聚合物砂浆，并采用喷射的方法将其应用于水罐内壁中。聚合物防腐砂浆与界面具有较强的粘结能力，适应性好、工艺简单、使用方便[12]。

聚合物砂浆也被广泛应用于地板、桥面、道路以及建筑材料的修补、加固工程中。普通水泥砂浆由于孔隙率较大，抗氯离子渗透、耐水、耐腐蚀性不足，容易产生损坏；而聚合物的加入能够有效改善砂浆内部孔结构以及界面区结构，使得有害孔隙减少，砂浆致密性好，有效防止因孔隙率较大而造成的水分及有害溶液渗入；同时聚合物砂浆的强度、粘结性能、防水性和耐腐蚀性等都得到改善。一些水库建设及建筑工程使用聚合物砂浆进行结构补强，不仅能够提高强度和耐久性，还保证了运营及使用安全[13]。

建筑物防水、隔热、保温是目前建筑行业关注的重要问题，聚合物砂浆可以作为防水隔热保温材料，发挥其自重轻、强度高、耐化学腐蚀的特性。聚合物砂浆用于建筑工程中，具有很好的耐候性能，且工艺简单，便于维修，使用寿命长[14]。如果将聚氨酯发泡作为防水保温层与防水抗裂聚合物砂浆结合，形成新型的防水隔热保温复合面层，可使其性能更加优异，使用寿命延长。

3聚合物砂浆的作用机理

聚合物砂浆结构的形成过程十分复杂，包含了物理和化学2种作用方式，使得其改性原理较为繁杂。虽然关于聚合物砂浆改性机理的研究很多，但均处于探索阶段，现阶段主要是从2个方面对其改性机理进行研究：聚合物胶结作用的基本原理和聚合物与水泥相互作用机理[14]。

被普遍认可的2种聚合物胶结原理是吸附和扩散。吸附是指聚合物分子刚分散到砂浆中时，在范德华力、氢键和某些化学力作用下，与砂浆中的水泥颗粒和水化产物相互吸引靠近，产生一定的粘结力[15]。随后，水泥水化产生阳离子（Ca2+，Mg2+，A13+），若聚合物中含有羟基（—OH）、羧基（—COOH）、碳碳双键（C=C）、胺基（—N—）、醚基（—O—）等官能团，这些阳离子和官能团可视为具有电子提供能力的Lewis碱和Lewis酸，聚合物与水泥浆在酸碱结合作用下相互粘结[16]。扩散作用是指聚合物分子在热运动、电性能及物理搅拌作用下，其柔韧性链状结构相互交织、扩散，达到胶粘[17]。

随着聚合物水泥砂浆的推广应用，许多学者从微观结构方面对不同种类的聚合物改性作用进行研究，发现不同的聚合物改性机理存在许多差异。在众多学者研究的机理模型中，最著名的是日本教授大滨加严（Yoshihiko Ohama）的Ohama聚合物成网模型和Konietzko双重网模型。

Ohama模型指出，形成聚合物砂浆结构的过程需经过3个阶段。第1阶段：在搅拌过程中聚合物颗粒均匀分散在水泥浆体中，伴随着水泥水化的进行，水泥凝胶逐渐形成，体系中的Ca（OH）2也达到了饱和状态，部分聚合物颗粒吸附在水泥凝胶与未水化的水泥颗粒表面。第2阶段：随着水化继续进行，水分不断减少，水泥凝胶出现孔隙结构，部分聚合物逐渐填充于毛细孔隙中，随着毛细孔中水分的减少，聚合物颗粒发生絮凝，在水泥水化凝胶产物及未水化水泥颗粒表面形成聚合物薄膜，并与骨料相粘结，而部分聚合物填充了水泥凝胶体系中的大孔隙。第3阶段：随着水化过程的推进，絮凝的聚合物颗粒最终形成连续的聚合物网结构。

Konietzko指出，Ohama模型并不适用于解释所有的聚合物砂浆结构。Konietzko模型分为4个阶段，前3个阶段与Ohama模型基本一致，第4阶段为聚合物膜与水泥硬化浆体都形成空间连续的网状结构，相互交织形成双重网状结构并将集料包裹在中间。

4聚合物砂浆目前出现的问题以及发展方向

4.1聚合物砂浆存在的问题

从现有研究可以看出，大部分聚合物对砂浆的力学性能（尤其是抗折强度）、耐腐蚀性能都有改善作用，但对砂浆抗压强度的改善作用并不明显，例如聚醋酸乙烯和丁苯[1820]；还有一些聚合物与水泥砂浆体系相容性差，在碱性的水泥砂浆体系下易发生降解，这不仅会影响水泥的水化过程，抑制水化产物的形成，还会影响水泥与胶乳的粘结效果，导致砂浆内部连接中断，表现为粘结性能下降，例如氯丁。

聚合物砂浆应用于建筑或路面结构时需长时间暴晒在阳光下，紫外线、红外线会使聚合物严重老化。聚合物作为高分子材料，本身耐老化（光老化、热老化）性差。聚合物的抗老化性能会直接影响到砂浆的耐久性，这方面研究内容的缺失会让聚合物砂浆的发展和应用受到阻碍。

现阶段，关于聚合物砂浆的研究仍停留在宏观性能测试和微观形貌分析上，对实际工程使用缺少有力的理论指导。大部分学者通过对聚合物微观结构分析，将其改性机理归因于聚合物的成膜作用[21]，但未见更深入的研究，例如聚合物中官能团等结构对砂浆性能的影响等，这也限制了聚合物砂浆的发展。

4.2聚合物砂浆的发展方向

聚合物砂浆的应用越来越普遍，人们对其基本性能要求也越来越高，同时还提出聚合物砂浆性能多样化与功能化的发展方向。在日本和美国，聚合物砂浆主要被用于建筑饰面、修补工程以及桥梁甲板表面的修补[22]；在中国，改性砂浆主要被用于建筑饰面和瓷砖粘结材料，近年来，国内许多学者研究将其应用于路面工程中。

由于聚合物砂浆良好的工作性能和粘结性能，使其市场需求日渐增长，故聚合物砂浆作为修补材料将会成为主要的发展趋势之一；而预制聚合物砂浆是发展最快的一个方面，在实际工程应用中可以考虑用聚合物改性砂浆代替普通砂浆结构、金属结构、木质结构甚至塑料结构，达到节约成本的目的。

复合型聚合物砂浆的研究，主要是将不同性能的聚合物混合加入砂浆中，使材料的使用性能互补，提高改性砂浆的综合性能；环保型聚合物砂浆的研究，是将废弃的聚合物回收利用，并对水泥砂浆进行改性，或在砂浆中掺入聚合物和粉煤灰类废渣，使砂浆材料各成分之间的性能互补，降低砂浆的成本，并使废渣得到有效利用。

5结语

聚合物砂浆在工程中的应用研究主要集中在：利用高质量聚合物粉末、聚合物乳液以及聚合物纤维，制备高韧性、长耐久性和抗渗性砂浆；通过变换聚合物种类、掺量研究其对砂浆性能的影响。虽然聚合物改性砂浆的研究和应用在不断进步，但对聚合物砂浆的改性机理仍知之甚少，为了更好地研究和开发聚合物砂浆，其改性机理还需深入研究。国外文献中提出将废弃的聚合物处理后用于改性水泥砂浆，这样不仅实现了环保节能，更降低了建筑材料成本。国内相关研究虽然较少，但其创新性和环保节能性将是一个必然的发展趋势。因此绿色环保型、复合型等功能性聚合物砂浆有望成为新的研究目标。

参考文献：

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