聚灰比对聚合物混凝土固化机理的影响分析

甘 怡

(第三军医大学校务部营房处，重庆 400038)



聚灰比对聚合物混凝土固化机理的影响分析

甘 怡

(第三军医大学校务部营房处，重庆 400038)

在研究现有聚合物混凝土固化模型的基础上，探讨了不同聚灰比条件下聚合物混凝土的固化机理，并结合已有实验结果，从微观结构分析了聚灰比对聚合物力学性能的影响，得出了一些有价值的结论。

聚合物，混凝土，固化机理，力学性能

0 引言

聚合物混凝土作为良好的修补材料在机场道面中得到了广泛的应用，但其固化机理仍存在较大争议，当前比较著名的固化机理模型有Ohama单空间网状结构模型[1]和Konietzko双空间网状结构模型[2]。本文在现有聚合物混凝土固化模型的研究基础上，探讨了不同聚灰比条件下聚合物混凝土的固化机理，并结合已有实验结果，从微观结构分析了聚灰比对聚合物力学性能的影响。

1 现有聚合物混凝土固化机理

在聚合物混凝土固化机理方面，国外学者做了较多研究[3-5]。特别是在聚合物与水泥共同作用方面初步形成了一些理论模型，部分已被后来的试验所证实。目前较为著名的Ohama单空间网状结构模型，主张仅聚合物构成空间网络构造，水泥硬化产物被包裹在聚合物网络中；Konietzko双空间网状结构模型，主张聚合物和水泥硬化产物都构成空间网络结构，且两种结构彼此交错构成互穿网络结构。

1)Ohama单空间网状结构模型。

Ohama模型将聚合物改性水泥基复合材料胶凝体系固化过程分为三个阶段：

第一阶段：聚合物改性水泥加水搅拌后，聚合物颗粒会均匀分散在水泥浆体中，形成聚合物水泥混合浆体。随着水泥的水化，水化硅酸钙凝胶、氢氧化钙晶体逐渐形成，此时聚合物颗粒不断连接在一起，附着在水泥水化产物表面。

第二阶段：水泥水化过程中，混合浆体中的水不断减少，水泥水化产物慢慢结合在一起，聚合物逐渐被限制在水泥水化产物的孔隙中。随着孔隙中的水量不断减少，聚合物颗粒互相连接并融合在一起，在水泥水化产物的表面形成聚合物密封膜层，同时水泥水化产物形成的较大孔隙被聚合物逐步填充。

第三阶段：随着水泥水化程度的不断加深，存在于聚合物颗粒之间的水分也逐渐被水泥水化而吸收，聚合物颗粒之间完全连接融合成为整体，形成聚合物网状结构。这种网状结构将水泥水化产物包裹联接在一起，从而改善了水泥硬化后的微观结构。

2)Konietzko双空间网状结构模型。

Konietzko研究发现聚合物水泥硬化后，聚合物并非全部结合形成网状结构，部分聚合物颗粒孤立成堆，仅起到填充孔隙的作用，这表明Ohama模型不能完全描述聚合物改性水泥基复合材料的硬化过程。对此他在Ohama模型的基础上，提出了双空间网状结构模型。该模型与Ohama模型的基本认识是相同的，主要区别在于Konietzko认为不仅聚合物在混合浆体硬化过程中形成网状结构，同时水泥的水化产物也在混合浆体硬化过程中形成网状结构，且二者相互纠缠在一起形成整体，从而使其兼具无机水硬性材料与高分子聚合物材料的性能。

2 聚灰比对聚合物混凝土固化机理的影响

聚合物水泥复合体的力学强度(如抗拉、抗折、抗压)与其微观结构密切相关。如前文所述当前最为著名Ohama单空间网状结构模型和Konietzko双空间网状结构模型，聚合物水泥中聚合物相和无机相的具体结构形态与二者之间的比例，即聚灰比密切相关。根据聚灰比的不同，可以将聚合物水泥体系的微观结构分为三大类：

第一类微观结构：当聚灰比较小时，其形态表现为水泥水化物胶结在一起，形成水化物网状结构，如图1a)所示。在这种微观结构中，无机相的水化产物构筑起刚性的结晶—凝胶空间骨架，形成了可为复合材料提供极好的抗压强度，保证一定的抗折和抗压强度的连续相。聚合物被包裹在水化物网状结构之间，起到填充了部分无机相的结构缺陷。因此复合材料的抗折和抗拉强度可得到适当的提高，同时赋予了复合材料优异的粘结性、抗渗性和耐久性。这种聚合物水泥适用于道面修补、混凝土防护等工程。

第二类微观结构：当聚灰比较大时，其形态表现为聚合物颗粒之间完全连接融合为整体，形成聚合物网状结构，如图1b)所示，即Ohama单空间网状结构模型。这种网状结构将水泥水化产物包裹联接在一起，增加无机相之间的粘结能力，使复合材料在具有一定抗拉、抗压强度的同时，具有更好的韧性和弹性。这种材料适用于粘结及界面处理、地面防水层等工程。

第三类微观结构：当聚灰比适中时，其形态表现为聚合物和水泥的水化产物在混合浆体硬化过程中各自形成网状结构，即Konietzko双空间网状结构模型。这两项网状结构相互纠缠在一起形成整体的微观结构，能使聚合物水泥兼具无机水硬性材料与高分子聚合物材料的性能。这种材料适用于工业地坪、道面修补等工程。

3 现有试验结果验证

为得到聚灰比对聚合物水泥性能的影响规律，在指定无机水硬性材料和聚合物胶乳的基础上，吴明[6]选取了四种聚灰比进行28 d抗压、抗折强度对比试验，以期得到适用于道面修补的聚合物最佳掺量。图2和图3给出了不同聚灰比时聚合物水泥混凝土的28 d抗压、抗折强度试验结果。

从图2结果可以看出，在给定的聚灰比变化范围内，聚合物水泥的抗压强度随聚灰比的增加而先增大后减小。在聚灰比3时，抗压强度最大达到49.2 MPa，分别比聚灰比1、聚灰比2和聚灰比4时的抗压强度增加了62.9%，40.2%和13.1%。结合聚合物微观结构形态分类，当聚灰比较小时，无机相含量较大，复合材料的抗压强度与无机相相似。随着聚灰比的增加，聚合物逐渐填充了部分无机相的结构缺陷，复合材料的抗压强度也随之增加。当聚灰比继续增加，聚合物逐渐增多，聚合物不仅填满了无机相的结构缺陷，而且也形成了网状结构并与无机相形成的网状结构相互缠绕在一起，此时抗压强度已达到最大值。当聚灰比达到一定值后，由于无机相含量过小，其水化产物已不能形成完整的网状结构，并逐渐被聚合物形成的网状结构分割成多个部分，此时由于聚合物的抗压强度低于无机水化物的抗压强度，导致复合材料的抗压强度也逐渐降低。

由图2结果可以看出，在给定的聚灰比变化范围内，聚合物水泥的抗折强度随聚灰比的增加而逐渐增大。这是由于水泥等无机水硬性材料的抗折强度较低，在掺入聚合物后，聚合物增加了无机相水化产物间的粘结力，因而复合材料的抗折强度随聚灰比的增加而逐渐增加。

4 结语

聚灰比对聚合物混凝土的固化机理有着重要影响，根据聚合物的多少，可将聚合物混凝土的微观结构形态分为三种。聚灰比由小到大，聚合物混凝土的微观形态依次表现为以水泥水化产物为主导的空间网状结构、以水泥水化产物与聚合物相互缠绕在一起的网状结构、以聚合物为主导的空间网状结构。不同的微观结构决定了聚合物混凝土的力学性能，随着聚灰比的增大，聚合物混凝土的抗折强度逐渐增大，而抗压强度表现先增大后减小的趋势。

[1] Ohama Y.Polymer-based admixtures[J].Cement and Concrete Coposities,1998(20):189-212.

[2] Konietako A.Polymerspezifische Auswerkungen auf das Tragverhalten modifizierter zementgebundenen Beton (PCC) [M].Braunschweig,1998.

[3] 任秀全.聚合物改性水泥基复合材料及其在建筑中的应用[D].天津:天津大学硕士学位论文,2007.

[4] 何 凡.聚合物改性水泥基修补材料研究[D].长沙:中南大学硕士学位论文,2011.

[5] 王 歌.聚合物水泥复合材料的研制及应用研究[D].长沙:长沙理工大学硕士学位论文,2012.

[6] 吴 明.聚合物水泥防水砂浆的应用与发展[A].第二届中国防水技术与市场研讨会论文集[C].2002.

Analysis on the impact of polymer-to-cement ratio upon polymer concrete solidification

Gan Yi

(Office of Barracks, Department of Administrative Affairs, Third Military Medical University, Chongqing 400038, China)

Based on the research of the current solidification model of polymer concrete, this paper discusses the solidification mechanism of polymer concrete in different polymer cement ratio. Combined with the existing experimental results, ash ratio on the mechanical properties of the polymer is analyzed from the aspect of microstructure. It finally draws some valuable conclusions.

polymer, concrete, curing mechanism, mechanical properties

1009-6825(2017)08-0120-02

2017-01-04

甘 怡(1983- )，男，工程师

TU528

A