聚合物混凝土

1、聚合物混凝土 (Polymer concrete) 定義：聚合物混凝土指由有機(jī)聚合 物、無(wú)機(jī)膠凝材料、集料有效結(jié)合 而形成的一種新型混凝土材料的總 稱。確切的說(shuō)它是混凝土與聚合物 的復(fù)合材料。 普通混凝土抗拉、抗彎曲強(qiáng)度低， 導(dǎo)致墻體橋梁的斷裂和倒塌。 聚合物混凝土是一種有機(jī)、無(wú)機(jī)的復(fù)合材料， 可有效地減少混凝土的脆性，提高其耐久 性。因?yàn)榧尤刖酆衔锖螅?1.在混凝土表面形成保護(hù)層和密封劑的作用， 阻止潮氣和有害化學(xué)物質(zhì)的侵蝕; 2.是修補(bǔ)和連接結(jié)構(gòu)的粘結(jié)劑; 3.用聚合物填入已硬化的混凝土的毛細(xì)孔。 Damage Comparison 普通混凝土 聚合物混凝土 聚合物混凝土的發(fā)展歷史 將聚合

2、物用于混凝土的嘗試始于1930年，直至1950年它的潛在用途才引起世界 各國(guó)的重視。 1975年5月在英國(guó)倫敦召開了第一屆國(guó)際聚合物混凝土?xí)h，并首次使用“聚合 物混凝土”這一專業(yè)用語(yǔ)。 1978年10月在美國(guó)奧斯汀召開第二屆國(guó)際聚合物混凝土?xí)h，會(huì)議上各國(guó)專家 發(fā)表了大量關(guān)于聚合物混凝土的專題性論著，這些論著大大地促進(jìn)了水泥 及混凝土應(yīng)用聚合物的研究工作。 1990年9月在中國(guó)上海召開第六屆國(guó)際聚合物混凝土?xí)h。 亞洲地區(qū)于1993年成立了亞洲聚合物混凝土國(guó)際組織（ASPIC）。 1994年5月在韓國(guó)召開第一屆東亞聚合物混凝土?xí)h。 1997年5月在日本的日本大學(xué)舉辦第二屆東亞聚合物混凝土?xí)?/p>

3、議。 2000年在中國(guó)同濟(jì)大學(xué)舉辦第三屆亞洲聚合物混凝土?xí)h。 聚合物混凝土的分類 （PIC） （PC）（PCC） 下面分別介紹三類聚合物混凝土 1.定義（是什么？） 2.性能 3.機(jī)理（為什么？） 4.原材料 5.配合比設(shè)計(jì) 6.生產(chǎn)工藝（怎么做？） 7.主要應(yīng)用 （怎么用？） 聚合物水泥混凝土 一、定義：聚合物水泥混凝土（polymer cement concrete），簡(jiǎn)稱PCC；亦稱聚合物改型性混凝 土（polymer modified cement concrete ），簡(jiǎn)稱 PMC。 它是在普通水泥混凝土拌合物中加入單體 或聚合物，澆筑后經(jīng)養(yǎng)護(hù)和聚合而成的一種混凝 土。 二、PCC

4、的性能 與普通混凝土相比，PCC的強(qiáng)度較高，但又隨著聚合物的種 類、聚灰比、水灰比的不同而不同。 PCC的彈性模量較小，但其抗拉或抗壓破壞是的極限應(yīng)變量 都增大。 由于摻加聚合物具有一定的減水作用，所以PCC得干縮減小， 再加上其抗拉強(qiáng)度高，延伸性較好，彈性模量小，故其抗 收縮裂縫的性能好。 PCC的耐磨性比普通混凝土又大幅度提高，且聚灰比越大耐 磨性越好。如聚灰比為20%的聚醋酸乙烯改性混凝土耐磨 性比普通混凝土提高20倍。 三、聚合物對(duì)PCC的改性機(jī)理 聚合物乳液對(duì)水泥砂漿和混凝土的改性作用是通過(guò)聚合物在 水泥漿與集料間形成具有較高粘結(jié)力的膜，并堵塞砂漿內(nèi) 的孔隙來(lái)實(shí)現(xiàn)的，水泥水化形成的水

5、泥漿與聚合物顆粒聚 集形成聚合物相互交織在一起形成一個(gè)完整的相互穿透的 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，集料被粘結(jié)在其中形成一個(gè)復(fù)合體。其中裂縫 被聚合物薄膜架橋連接起來(lái)，從而避免裂縫的擴(kuò)展，同時(shí) 水泥水化物與集料間連接加強(qiáng)，隨著聚灰比的增加這種架 橋作用更明顯，導(dǎo)致拉伸強(qiáng)度和開裂韌度的增加，改善其 防水性、水密性、耐潮濕耐化學(xué)介質(zhì)和凍融性等性能。這 個(gè)過(guò)程的簡(jiǎn)化圖如下： 四、PCC的原材料 1、聚合物 用于水泥混凝土改性的聚合物可以分為4類： 聚合物乳液，如丁苯膠乳、丙烯酸酯乳液等； 可分散性聚合物粉料，聚丙烯酸醋等； 水溶性聚合物，聚乙烯醇、聚丙烯酰胺等； 液體聚合物，環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂等。 對(duì)聚合物的要

6、求： 1、対水泥水化和硬化無(wú)負(fù)影響：2、對(duì)水泥水化過(guò)程中釋放 的高活性離子（Ca2+ 、Al3+）有很高穩(wěn)定性；3、有很高的 機(jī)械穩(wěn)定性；4、低引氣性；5、再混凝土中能形成與水泥 水化產(chǎn)物和集料有良好粘結(jié)力的膜層；6、形成的聚合物 膜要有極好的耐水性、耐堿性和耐候性；7、水泥的堿性 介質(zhì)不被破壞；8、對(duì)鋼筋無(wú)銹蝕作用。 2、對(duì)膠結(jié)材料的要求 所用水泥除普通硅酸鹽水泥外還可使用各種硅酸鹽水泥、 礬土水泥、快硬水泥等，其強(qiáng)度等級(jí)大于或等于32.5MPa 即可。 3、骨料 PCC所用粗細(xì)骨料與普通混凝土相同，可以是天然的也可以 選用人造輕骨料。當(dāng)用于防腐蝕要求的工程時(shí)應(yīng)使用硅質(zhì) 碎石和碎砂 4、主要

7、助劑 PCC所用主要助劑有穩(wěn)定劑和消泡劑 穩(wěn)定劑，可以防止水泥溶出的多價(jià)離子等因素使聚合物發(fā)生 凝聚現(xiàn)象，有OP型乳化劑、均染劑102等 消泡劑，消除由于乳液中表面活性劑所產(chǎn)生的氣泡從而影響 PCC的強(qiáng)度，常用的消泡劑有4類：1、醇類消泡劑；2、 脂肪酸酯類消泡劑；3、磷酸酯類；4、有機(jī)硅類。 五、PCC的配合比設(shè)計(jì) 與常規(guī)水泥混凝土的配合比設(shè)計(jì)相比，PCC還應(yīng)考慮影響 PCC的因素，如聚合物的種類、摻量、聚灰比、水灰比、 消泡劑及穩(wěn)定劑的摻量和種類等。 其水灰比主要以被要求的和易性（坍落度和流動(dòng)度）來(lái)確 定，控制在0.30-0.60范圍內(nèi)。 聚灰比在15%-20%時(shí)抗彎強(qiáng)度最大，通常取5%-

8、20%. 聚合物水泥砂漿的配合比為：水泥：砂=1:2-1:3（質(zhì)量比） 六、PCC生產(chǎn)工藝 （一）、拌制工藝 PCC中聚合物摻量為水泥質(zhì)量的5%-25%，根據(jù)工程要求定 PCC拌制與普通混凝土拌制相似設(shè)備相同，其區(qū)別在于將水 泥和聚合物共同作為膠凝材料，攪拌時(shí)間稍長(zhǎng)于普通混凝 土3-4min。 （二）、施工工藝 正式澆筑前對(duì)基層進(jìn)行清理，施工時(shí)： 分層涂抹，每層厚度7-10min為宜； 在抹平時(shí)抹子上往往會(huì)粘附一層聚合物薄膜，應(yīng)邊抹邊將 其擦拭掉； 如大面積涂抹時(shí)每隔3-4m要留設(shè)寬15mm的縫。 七、PCC的應(yīng)用 PCC的應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面 修補(bǔ)材料：聚合物對(duì)舊混凝土有很好的粘附效果，可

9、用于 修補(bǔ)混凝土結(jié)構(gòu)； 用作粘附劑：利用PCC良好的粘結(jié)性用于粘結(jié)瓷磚，新舊 混凝土等； 用于防腐蝕涂層：由于PCC密實(shí)度高抗?jié)B能力大、吸水率 低可有效阻止腐蝕介質(zhì)的滲入，提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐腐蝕 性； 用于表面裝飾和保護(hù)； 預(yù)應(yīng)力聚合物改性水泥混凝土； 水下不分散聚合物改性混凝土。 聚合物水泥防水涂料 聚合物水泥混凝土路面 新拌聚合物水泥混凝土礦井聚合物水泥噴射混凝土 PCC工程修補(bǔ)實(shí)例 修補(bǔ)部位 破壞情況修補(bǔ)材 料 修補(bǔ) 面積 /m2 施工日 期 檢查結(jié)果 珠窩水庫(kù) 閘墩 閘門止水不嚴(yán)， 混凝土凍融剝蝕， 鋼筋銹蝕 丙乳砂 漿 6001989.5 立面修補(bǔ)，平整 無(wú)龜裂，運(yùn)行良 好 沙廠水庫(kù)

10、 渡槽 表層混凝土脫落， 龜裂有白色氫氧 化鈣析出 丙乳砂 漿 1400 1990.6 修補(bǔ)層無(wú)龜裂， 無(wú)滲水，運(yùn)行良 好 高家店水 庫(kù)溢流壩 混凝土剝蝕嚴(yán)重， 滲水部分鋼筋外 露 丙乳砂 漿 1040 1991.9 表面平整，無(wú)龜 裂，運(yùn)行良好 海子水庫(kù) 溢洪道 表層混凝土脫落 粗集料外露，局 部露筋 丙乳砂 漿 2250 1992.6 表面平整，無(wú)龜 裂，運(yùn)行良好 聚合物浸漬混凝土 一、定義：聚合物浸漬混凝土（polymer impregnated concrete）， 簡(jiǎn)稱PIC。它是 將已硬化的普通混凝土經(jīng)干燥和真空處理 后，放在以樹脂為原料的液態(tài)單體中浸漬 經(jīng)加熱或輻射（或催化劑）的

11、方法使?jié)B入 到混凝土孔隙中的單體產(chǎn)生聚合作用，使 混凝土和聚合物結(jié)合成一體的新型混凝土。 按其浸漬的方法不同可分為完全浸漬和部 分浸漬。 二、性能 普通混凝土是一種非均質(zhì)多孔材料，PIC中用聚 合物填充了混凝土內(nèi)部的孔隙和微裂紋，特別是提 高了水泥石與骨料間的粘結(jié)強(qiáng)度，減少了應(yīng)力集中， 使PIC具有高強(qiáng)、密實(shí)、防腐、耐磨、抗?jié)B、抗沖 擊等優(yōu)良物理性能，與基準(zhǔn)混凝土相比，抗壓強(qiáng)度 可提高2-4倍，一般在150MPa以上，最高可達(dá) 285MPa，抗拉強(qiáng)度提高2-3倍，抗彎強(qiáng)度提高2-3倍， 徐變減小、彈性模量和抗沖擊強(qiáng)度有所提高。 三、PIC的增強(qiáng)機(jī)理 PIC的增強(qiáng)機(jī)理主要包括以下幾個(gè)方面 （1）

12、混凝土中毛細(xì)孔被聚合物所浸漬填充，減少了 混凝土的孔隙，改變其孔徑分布，增強(qiáng)了混凝土的 密實(shí)度從而提高了混凝土的強(qiáng)度和其他性能。 （2）聚合物浸漬使水泥石本身強(qiáng)度得到提高，不僅 填充了界面處的孔隙，而且增大了集料與基體的粘 結(jié)，從而提高了混凝土的整體強(qiáng)度。 （3）聚合物的存在改變了裂紋頂端周圍應(yīng)力場(chǎng)，且 在集體中調(diào)節(jié)了應(yīng)力集中，增加了混凝土的斷裂韌 性。 聚合物浸漬混凝土微觀結(jié)構(gòu) 四、PIC的原材料 1、基材 主要用水泥混凝土和鋼筋混凝土作為被浸漬基材。其制作成 型方法與一般混凝土制品相同，但應(yīng)滿足下列要求 （1）混凝土構(gòu)件表面有適當(dāng)孔隙便于浸漬； （2）構(gòu)件有一定強(qiáng)度，能承受干燥、浸漬、聚合

13、過(guò)程中的 作用力； （3）混凝土中化學(xué)成分（如外加劑）不妨礙浸漬液的聚合。 （4）基材的表面和內(nèi)部要充分干燥，達(dá)到幾乎不含水； （5）基材的尺寸形狀應(yīng)滿足浸漬、聚合設(shè)備的要求。 2、浸漬液 浸漬液是PIC的主要材料，有一種或幾種單體組成，加熱聚 合是還應(yīng)加入添加劑輔助。 作為浸漬用的單體應(yīng)滿足以下要求： （1）有適當(dāng)?shù)恼扯纫员阌诮n到基材內(nèi)部； （2）有較高的沸點(diǎn)和蒸汽壓，以減少浸漬和聚合時(shí)的損失 （3）浸漬液生成的玻璃狀聚合物耐熱溫度應(yīng)超過(guò)基材的使 用溫度； （4）經(jīng)加熱處理后浸漬液能在基材內(nèi)聚合，并與基材能較 好地粘結(jié)在一起。 （5）聚合物應(yīng)具有較高的強(qiáng)度，較好的耐水、耐堿性能； （6）聚

14、合物浸入混凝土孔隙后其收縮率小，聚合后不因水 分等作用而軟化或膨潤(rùn)。 3、添加劑 PIC中常用的添加劑有阻聚劑（苯醌等）、引發(fā)劑（過(guò)氧化 物、偶氮化合物等）、促進(jìn)劑（二甲基苯胺）、交聯(lián)劑（苯 乙烯等）和稀釋劑（同交聯(lián)劑）。 五、PIC的配合比設(shè)計(jì) PIC的基體配合比設(shè)計(jì)可采用普通混凝土的設(shè)計(jì)方法 浸漬砂漿各成分的構(gòu)成體積比參考表1 表一 浸漬砂漿的成分 幾種常見(jiàn)的浸漬混凝土的配合比見(jiàn)表2 表二 常用浸漬混凝土的配合比及性能 六、PIC的生產(chǎn)工藝 PIC的制備工藝主要為：基體（硬化的混凝土）的干燥抽真空單體浸 漬聚合 PIC的聚合方法 1、輻射法 2、加熱法 3、化學(xué)法 七、PIC的應(yīng)用與限制

15、（1）因?yàn)镻IC能非常顯著地改善耐久性，但由于單 體化合物的成本高又需要浸漬工藝，故其造價(jià)較高， 常用于必須長(zhǎng)期不需要維修的情況使用。 （2）全部浸漬只能用于預(yù)制產(chǎn)品，如混凝土污水管、 隧道預(yù)制襯片、鐵路枕軌、碼頭防波堤的預(yù)制樁等。 （3）由于PIC暴露于高溫環(huán)境中其力學(xué)性能降低， 從而限制PIC在高強(qiáng)度要求情況的使用。 （4）由于PIC生產(chǎn)工藝過(guò)程較復(fù)雜，費(fèi)用高不宜大 面積使用，因此開發(fā)出表面浸漬工藝（即聚合物作為 涂層或封閉劑用于混凝土結(jié)構(gòu)），不需保留單體，大 大降低了成本，因此表面浸漬的PIC主要用在砂漿混 凝土的表面維修工程中。 聚合物膠結(jié)混凝土 一、定義：聚合物膠結(jié)混凝土（polym

16、er concrete）簡(jiǎn)稱PC。又稱聚合物混凝土或 樹脂混凝土。它是由聚合物代替水泥作為 膠凝材料與集料拌合 二、PC的性能 與普通混凝土相比，PC具有強(qiáng)度高，耐化學(xué)腐 蝕、耐磨、抗凍性好等有點(diǎn)，但硬化時(shí)收縮大，耐 久性差。 其抗壓強(qiáng)度一般在60-180MPa之間，最高可達(dá) 210MPa，抗彎強(qiáng)度為14-28MPa，抗拉強(qiáng)度為10.3- 17.2MPa，彈性模量范圍較大：4-40GPa；抗沖擊 韌性耐磨性由于普通混凝土6倍和2-3倍徐變較大為 普通混凝土的2-3倍，變形性能好。 早期強(qiáng)度高，1d強(qiáng)度可達(dá)28d強(qiáng)度的50%以上， 3d可達(dá)70%以上，粘結(jié)強(qiáng)度高不論對(duì)水泥制品還是 石材、金屬等軍

17、有很高的粘結(jié)性。 三、PC的原材料 1、膠結(jié)材料，主要指樹脂類，有五種類型（1）熱固性樹脂 （2）熱塑性樹脂（3）瀝青類及樹脂改性瀝青（4）煤焦油 改性樹脂（5）乙烯類單體 選擇膠結(jié)材料是應(yīng)考慮以下要求： （1）在滿足使用要求的前提下盡可能選價(jià)格低的樹脂； （2）粘度較低且可進(jìn)行調(diào)整，便于同集料混合； （3）硬化時(shí)間可適當(dāng)調(diào)節(jié)，固化收縮小； （4）固化過(guò)程受現(xiàn)場(chǎng)條件如溫度、濕度等影響小; （5）與集料粘結(jié)性好，有良好耐水性和化學(xué)穩(wěn)定性。 2、集料 PC所用粗細(xì)骨料與普通混凝土相同，粗骨料粒徑為10- 20mm，細(xì)骨料粒徑為2.5-5.0mm。要求骨料:（1）集料要干 燥，含水率小于0.1%；（

18、2）有一定強(qiáng)度；（3）集料要有一 定級(jí)配和密實(shí)度，且表面吸附小，減少樹脂用量。 3、填充材料 填充材料可減少樹脂用量改善聚合物膠結(jié)混凝土的 性能，填充材料宜加入細(xì)度為1-30um的惰性材料， 如（1）石灰石粉（2）硅粉、粉砂、粉煤灰（3） 滑石粉及鑄石粉等。 4、外加劑 因?yàn)橐后w樹脂原材料本身并不會(huì)硬化，在配置PC時(shí) 還需加入一定量的外加劑，如固化劑、增韌劑、引 發(fā)劑、促進(jìn)劑、稀釋劑、增塑劑等 四、PC的配合比設(shè)計(jì) 為尋求樹脂與骨料之間的有效配合比，因此PC的配 合比設(shè)計(jì)必須滿足：（1）提高混凝土的耐久性； （2）提高混凝土的安定性；（3）降低單位體積混 凝土的成本。 配合比設(shè)計(jì)步驟如下： 1

19、、確定樹脂與硬化劑（引發(fā)劑、促進(jìn)劑）的適當(dāng)比 例； 2、按最大密實(shí)體積法選擇最佳骨料級(jí)配； 3、試驗(yàn)確定最佳配合比。 五、PC的生產(chǎn)工藝 PC的生產(chǎn)工藝過(guò)程如右圖所示 其中影響PC質(zhì)量最重要的因素 是稱量的準(zhǔn)確性以及樹脂和固化 劑在混凝土拌合物體積內(nèi)的均勻 性。 拌合工藝 法一、現(xiàn)將骨料投入攪拌機(jī)中約2min混合，再投入 預(yù)先混合好的液態(tài)樹脂和硬化劑，在攪拌3min； 法二、先加入液態(tài)樹脂和硬化劑攪拌2min，再投入 骨料和填充材料混合攪拌3min。 養(yǎng)護(hù) 1、常溫養(yǎng)護(hù)硬化法 2、加熱養(yǎng)護(hù)硬化法 六、PC中樹脂的硬化過(guò)程 其硬化過(guò)程大致可分為工作階段、結(jié)構(gòu)硬化階段和最終硬化 階段。 （1）工作階段 指樹脂在加入硬化劑的最初30min左右 該階段的基本特征是:液態(tài)樹脂的硬化反應(yīng)剛開始，混合物溫 度變化不大，PC尚未凝固并有一定的可塑性，此階段基本無(wú) 收縮，也無(wú)危害，不會(huì)引起內(nèi)應(yīng)力和開裂現(xiàn)象。 （2）結(jié)構(gòu)硬化階段 此階段為聚合物硬化的重要階段，視樹脂的不同通常為0.5- 48h可采用加熱縮短此過(guò)程。 此階段內(nèi)PC逐漸硬化，聚合，并伴有明顯放熱特征，產(chǎn)生大 量熱量，混凝土的溫度急速升高，此階段收縮加快產(chǎn)生較大 內(nèi)應(yīng)力，引起材料的彈性結(jié)構(gòu)局部松弛。 3、最終硬化階段 最終硬化階段所需時(shí)間最長(zhǎng)，一般為1-1