聚灰比對聚合物混凝土固化機理的影響分析

甘 怡

(第三軍醫大學校務部營房處，重慶 400038)

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聚灰比對聚合物混凝土固化機理的影響分析

甘 怡

(第三軍醫大學校務部營房處，重慶 400038)

在研究現有聚合物混凝土固化模型的基礎上，探討了不同聚灰比條件下聚合物混凝土的固化機理，并結合已有實驗結果，從微觀結構分析了聚灰比對聚合物力學性能的影響，得出了一些有價值的結論。

聚合物，混凝土，固化機理，力學性能

0 引言

聚合物混凝土作為良好的修補材料在機場道面中得到了廣泛的應用，但其固化機理仍存在較大爭議，當前比較著名的固化機理模型有Ohama單空間網狀結構模型[1]和Konietzko雙空間網狀結構模型[2]。本文在現有聚合物混凝土固化模型的研究基礎上，探討了不同聚灰比條件下聚合物混凝土的固化機理，并結合已有實驗結果，從微觀結構分析了聚灰比對聚合物力學性能的影響。

1 現有聚合物混凝土固化機理

在聚合物混凝土固化機理方面，國外學者做了較多研究[3-5]。特別是在聚合物與水泥共同作用方面初步形成了一些理論模型，部分已被后來的試驗所證實。目前較為著名的Ohama單空間網狀結構模型，主張僅聚合物構成空間網絡構造，水泥硬化產物被包裹在聚合物網絡中；Konietzko雙空間網狀結構模型，主張聚合物和水泥硬化產物都構成空間網絡結構，且兩種結構彼此交錯構成互穿網絡結構。

1)Ohama單空間網狀結構模型。

Ohama模型將聚合物改性水泥基復合材料膠凝體系固化過程分為三個階段：

第一階段：聚合物改性水泥加水攪拌后，聚合物顆粒會均勻分散在水泥漿體中，形成聚合物水泥混合漿體。隨著水泥的水化，水化硅酸鈣凝膠、氫氧化鈣晶體逐漸形成，此時聚合物顆粒不斷連接在一起，附著在水泥水化產物表面。

第二階段：水泥水化過程中，混合漿體中的水不斷減少，水泥水化產物慢慢結合在一起，聚合物逐漸被限制在水泥水化產物的孔隙中。隨著孔隙中的水量不斷減少，聚合物顆粒互相連接并融合在一起，在水泥水化產物的表面形成聚合物密封膜層，同時水泥水化產物形成的較大孔隙被聚合物逐步填充。

第三階段：隨著水泥水化程度的不斷加深，存在于聚合物顆粒之間的水分也逐漸被水泥水化而吸收，聚合物顆粒之間完全連接融合成為整體，形成聚合物網狀結構。這種網狀結構將水泥水化產物包裹聯接在一起，從而改善了水泥硬化后的微觀結構。

2)Konietzko雙空間網狀結構模型。

Konietzko研究發現聚合物水泥硬化后，聚合物并非全部結合形成網狀結構，部分聚合物顆粒孤立成堆，僅起到填充孔隙的作用，這表明Ohama模型不能完全描述聚合物改性水泥基復合材料的硬化過程。對此他在Ohama模型的基礎上，提出了雙空間網狀結構模型。該模型與Ohama模型的基本認識是相同的，主要區別在于Konietzko認為不僅聚合物在混合漿體硬化過程中形成網狀結構，同時水泥的水化產物也在混合漿體硬化過程中形成網狀結構，且二者相互糾纏在一起形成整體，從而使其兼具無機水硬性材料與高分子聚合物材料的性能。

2 聚灰比對聚合物混凝土固化機理的影響

聚合物水泥復合體的力學強度(如抗拉、抗折、抗壓)與其微觀結構密切相關。如前文所述當前最為著名Ohama單空間網狀結構模型和Konietzko雙空間網狀結構模型，聚合物水泥中聚合物相和無機相的具體結構形態與二者之間的比例，即聚灰比密切相關。根據聚灰比的不同，可以將聚合物水泥體系的微觀結構分為三大類：

第一類微觀結構：當聚灰比較小時，其形態表現為水泥水化物膠結在一起，形成水化物網狀結構，如圖1a)所示。在這種微觀結構中，無機相的水化產物構筑起剛性的結晶—凝膠空間骨架，形成了可為復合材料提供極好的抗壓強度，保證一定的抗折和抗壓強度的連續相。聚合物被包裹在水化物網狀結構之間，起到填充了部分無機相的結構缺陷。因此復合材料的抗折和抗拉強度可得到適當的提高，同時賦予了復合材料優異的粘結性、抗滲性和耐久性。這種聚合物水泥適用于道面修補、混凝土防護等工程。

第二類微觀結構：當聚灰比較大時，其形態表現為聚合物顆粒之間完全連接融合為整體，形成聚合物網狀結構，如圖1b)所示，即Ohama單空間網狀結構模型。這種網狀結構將水泥水化產物包裹聯接在一起，增加無機相之間的粘結能力，使復合材料在具有一定抗拉、抗壓強度的同時，具有更好的韌性和彈性。這種材料適用于粘結及界面處理、地面防水層等工程。

第三類微觀結構：當聚灰比適中時，其形態表現為聚合物和水泥的水化產物在混合漿體硬化過程中各自形成網狀結構，即Konietzko雙空間網狀結構模型。這兩項網狀結構相互糾纏在一起形成整體的微觀結構，能使聚合物水泥兼具無機水硬性材料與高分子聚合物材料的性能。這種材料適用于工業地坪、道面修補等工程。

3 現有試驗結果驗證

為得到聚灰比對聚合物水泥性能的影響規律，在指定無機水硬性材料和聚合物膠乳的基礎上，吳明[6]選取了四種聚灰比進行28 d抗壓、抗折強度對比試驗，以期得到適用于道面修補的聚合物最佳摻量。圖2和圖3給出了不同聚灰比時聚合物水泥混凝土的28 d抗壓、抗折強度試驗結果。

從圖2結果可以看出，在給定的聚灰比變化范圍內，聚合物水泥的抗壓強度隨聚灰比的增加而先增大后減小。在聚灰比3時，抗壓強度最大達到49.2 MPa，分別比聚灰比1、聚灰比2和聚灰比4時的抗壓強度增加了62.9%，40.2%和13.1%。結合聚合物微觀結構形態分類，當聚灰比較小時，無機相含量較大，復合材料的抗壓強度與無機相相似。隨著聚灰比的增加，聚合物逐漸填充了部分無機相的結構缺陷，復合材料的抗壓強度也隨之增加。當聚灰比繼續增加，聚合物逐漸增多，聚合物不僅填滿了無機相的結構缺陷，而且也形成了網狀結構并與無機相形成的網狀結構相互纏繞在一起，此時抗壓強度已達到最大值。當聚灰比達到一定值后，由于無機相含量過小，其水化產物已不能形成完整的網狀結構，并逐漸被聚合物形成的網狀結構分割成多個部分，此時由于聚合物的抗壓強度低于無機水化物的抗壓強度，導致復合材料的抗壓強度也逐漸降低。

由圖2結果可以看出，在給定的聚灰比變化范圍內，聚合物水泥的抗折強度隨聚灰比的增加而逐漸增大。這是由于水泥等無機水硬性材料的抗折強度較低，在摻入聚合物后，聚合物增加了無機相水化產物間的粘結力，因而復合材料的抗折強度隨聚灰比的增加而逐漸增加。

4 結語

聚灰比對聚合物混凝土的固化機理有著重要影響，根據聚合物的多少，可將聚合物混凝土的微觀結構形態分為三種。聚灰比由小到大，聚合物混凝土的微觀形態依次表現為以水泥水化產物為主導的空間網狀結構、以水泥水化產物與聚合物相互纏繞在一起的網狀結構、以聚合物為主導的空間網狀結構。不同的微觀結構決定了聚合物混凝土的力學性能，隨著聚灰比的增大，聚合物混凝土的抗折強度逐漸增大，而抗壓強度表現先增大后減小的趨勢。

[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.聚合物改性水泥基復合材料及其在建筑中的應用[D].天津:天津大學碩士學位論文,2007.

[4] 何 凡.聚合物改性水泥基修補材料研究[D].長沙:中南大學碩士學位論文,2011.

[5] 王 歌.聚合物水泥復合材料的研制及應用研究[D].長沙:長沙理工大學碩士學位論文,2012.

[6] 吳 明.聚合物水泥防水砂漿的應用與發展[A].第二屆中國防水技術與市場研討會論文集[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，工程師

TU528

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