對聚合物改性水泥基材料的探析

許良

摘 要：水泥作為膠凝材料的代表，具有良好的施工性能，具有很好的抗壓強度。但是實際應用上，水泥依然有著不少缺陷：脆性大，自重大，易開裂，延伸率低，耐久性差，耐腐蝕性弱等。聚合物改性混凝土：在水泥的混合過程中，加入可分散在水相中的聚合物而形成的水泥基材料。當前，這類聚合物水泥基材料主要可以分為兩種不同類型：先將聚合物用水分散后，以乳液或聚合物水溶液形式加入，從而改善水泥砂漿以及水泥混凝土性能；先將聚合物與水泥進行預分散，之后以干拌砂漿的形式使用。

關鍵詞：聚合物；改性；水泥；材料

環氧樹脂改性水泥基材料在水泥水化過程中，環氧樹脂分子由于聚合形成交聯結構，該交聯結構又穿插進水泥中，形成互穿網絡結構，促進了水泥基材料各方面性能的改善：材料抗折及抗拉伸強度大幅度提高；收縮率顯著降低；材料的粘接性、抗滲性、抗凍融性等特性優良。

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種類多種多樣，各具優劣。除去上述的水性環氧樹脂改性水泥基材料，聚乙烯醇改性水泥基材料應用也是非常廣泛。聚乙烯醇應用于水泥基材料現階段主要有兩種方式，一種是聚乙烯醇纖維材料改性水泥基材料，另一種則是聚乙烯醇水溶液改性水泥基材料。

聚乙烯醇纖維（維尼綸纖維或維綸纖維）本身無毒、親水、分散性好、抗堿性強、耐日光老化、密度小，更重要的是其與水泥砂漿以及水泥混凝土粘接性好，再加上聚乙烯醇纖維的較高彈性模量以及比表面積，所以在改性水泥基材料中使用十分廣泛。一般把聚乙烯醇纖維分為低彈低模的普通維綸纖維、中強中模維綸纖維、高強高模維綸纖維。

1.1 聚乙烯醇水溶液的制備

首先用自來水將反應釜沖洗干凈，然后把反應釜的各配件安裝好，取一定量自來水倒入反應釜，打開反應釜升溫裝置并設定溫度為75℃，打開攪拌裝置，并設定轉速為 400 轉/分鐘。將適量的聚乙烯醇倒入反應釜，隨時觀察釜內溶解情況。如出現聚乙烯醇難溶的情況，則可適當調大轉速。6 小時后，溶解基本完成。停止攪拌和加熱系統，靜置 8 小時，消除氣泡。用紗布過濾出液體中難溶物后將其裝入塑料罐中儲存。如此制備不同濃度的聚乙烯醇水溶液。

1.2 聚乙烯醇對水泥凝結時間的影響

隨著溶液摻量的增加，改性水泥的凝結時間也逐漸增加。這是因為聚乙烯醇在體系中水解產生的帶正電子基團與水泥水化物相互結合形成絡合物，除此以外還會跟水泥顆粒以及相應水化物交織形成有機—無機膜結構。有文獻指出，這種膜結構由于本身的強度低，在水化過程中容易斷裂，不易形成連續相而將水泥顆粒包裹成團，妨礙了水化的進行，延緩了凝結時間。

1.3 聚乙烯醇對水泥密度及含氣量的影響

隨著聚乙烯醇溶液摻量的增加，改性水泥的含氣量都逐漸上升。這是因為隨著聚乙烯醇溶液的加入，改性水泥及其水化產物的密實度降低，原本的水泥顆粒之間除了有乳液的滲入，也有部分氣體進入，故水化形成互穿網絡結構的同時也產生了微小氣泡，并且隨著聚乙烯醇摻量的提升，這種現象愈發顯著。

2 水泥拌和與乳液的加入方法

水泥拌和方法分為兩種：手動拌和與機械拌和。手動拌和攪動速度較慢，水泥中不會產生大量氣泡；機械攪拌攪拌速度快，能夠使體系均勻分散，但是會產生大量的氣泡。所以一般在機械攪拌時會加入消泡劑，但是這樣做在某種程度上也會影響改性水泥基材料的性能。

消泡劑是能在泡沫體系之中產生穩定的表面張力不平衡，破壞發泡體系表面粘度和彈性的物質，具有低的表面張力和親水親油平衡指數值。一般來說，消泡劑可以分為兩大類。以往應用的比較多的是堿類消泡劑；近年來，由于對消泡劑效果要求的提升，易均勻地分散于介質，產生持久和均衡的消泡能力的復合型消泡劑（主要是高級醇、脂肪酸、酯類、有機膦酸酯、有機硅油與表面活性劑的混合物）大受青睞。

2.1 乳化劑對環氧樹脂水性化效果的影響

乳化劑濃度對環氧樹脂乳液穩定性影響顯著。隨著乳化劑濃度增加，環氧樹脂乳液的穩定性呈現一先上升后下降的趨勢。這種先上升后下降的趨勢可以用相反轉機理來解釋：當乳化劑濃度處在相反轉點濃度之前時，隨著乳化劑濃度的增加，越來越多的乳化劑分子分散在水相中并包裹水滴，形成具有一定張力的界面膜。當濃度越高時，水滴被乳化劑分子覆蓋得越加完善，從而界面膜強度越高，使得乳液越加穩定；但當乳化劑濃度過高時，由于體系內乳化劑分子來不及包裹水滴便與樹脂形成膠束，在相反轉過程中的高剪切力作用下，使得環氧樹脂乳液粒徑變大，乳化劑在水滴表面的相對覆蓋率降低，最終導致乳液穩定性下降。

2.2 環氧樹脂乳液對水泥基材料凝結時間的影響

聚合物（例如丁苯橡膠乳液、氯丁橡膠乳液等）改性水泥基材料，一般來說都會減緩水泥基材料的凝結時間。一方面是因為在水泥水化的過程中，由于各種親水基團的作用，聚合物可以吸附微小的水泥顆粒，將其包裹并阻礙其水化；另一方面，由于水化層之間的微小乳粒彼此之間具有相互斥力，使得水泥顆粒彼此遠離，進一步延緩凝結時間。

2.3 環氧樹脂乳液對水泥基材料力學強度的影響

力學性能是環氧樹脂乳液改性水泥的一個重要指標。很多對水泥進行改性的目的就是為了獲得良好的力學性能。環氧樹脂乳液改性水泥時，乳液進入水泥體系中與水泥水化產物形成互穿網絡結構，一方面阻止了體系中水分的散失，另一方面也填充了水泥顆粒之間的間隙。所以凝結后的改性水泥在力學性能上較之前得到了改善。這里分別從固化劑類型，環氧樹脂乳液摻量以及養護制度等方面來研究環氧樹脂乳液對水泥基材料力學性能的影響。在聚合物改性水泥的養護過程中，早期使用濕養護，晚期使用干養護，會得到最優異的力學性能。這是因為試驗證明：早期使用濕養護會對乳液成膜有明顯的延緩作用，加強了其力學性能的提高；而后期的干養護使其水化過程完備，再次從另一方面提高水泥力學性能。

參考文獻

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