建筑施工過程中所用防開裂型復合混凝土的制備

文/李祥林 湖南省第二工程有限公司 湖南長沙 410015

1、引言

在土木工程中，混凝土是經常被用到的必備材料。傳統的混凝土是將水泥作為膠凝材料，砂、石作為骨料，將三者混合攪拌均勻，就成為我們常說的傳統復合型混凝土。傳統的混凝土在干燥后收縮率較大，內部存在的毛細孔的相對濕度就會降低，這是因為傳統的混凝土在前期會發生快速的水化過程，造成大量的水分丟失，所以收縮明顯，開裂幾率較大、耐用性較差。為了解決這一問題，專家們都在致力于如何控制混凝土前期的水分丟失，從而增加混凝土的內部濕潤率。[1]從混凝土內部著手，提高其含水量，抑制它的收縮率、減小它的變形程度，從而達到防止混凝土開裂的目的，使其使用壽命延長。利用樹脂材料的強吸水性，使其均勻分布在混凝土中，就可以在混凝土水化失水過程中，源源不斷的給混凝土補充水分，保持混凝土內部的濕潤性，起到從內保護混凝土開裂的目的。

目前，市面上銷售的強吸水性樹脂在控制混凝土開裂方面取得巨大進展，但在售的樹脂顆粒的尺寸大小不一，從毫米級、微米級甚至納米級的都存在，他們的補水效果差異很大。此外，由于樹脂顆粒屬于陰離子聚合物，它對于去離子水的吸水倍率值與對于水溶性離子的吸水倍率值相差很大，這就說明它的耐鹽性能不佳，在實際應用中存在較大缺陷。本文以高純度的丙烯酰胺以及丙烯酸為原料，通過調節兩者的摩爾比，制備出不同尺寸的樹脂球，研究了不同尺寸樹脂球的存水能力，而后在反應體系中引入不同的基團(N, N’-亞甲基雙丙烯酰胺、過硫酸銨、丙烯酸酯共聚乳液)，來改善樹脂的耐鹽功能(樹脂對去離子水的吸液倍率與樹脂對水泥溶液的吸液倍率差值越小，說明耐鹽性越強。本實驗為了模仿水泥析出離子溶液，用氫氧化鈣飽和溶液充當水泥析出離子溶液)。

2、實驗過程

2.1 實驗原料及所用儀器

丙烯酰胺(Acrylamide，AR級，上海國藥集團試劑有限公司)；丙烯酸(Acrylic acid，AR級，上海國藥集團試劑有限公司)；N, N’-亞甲基雙丙烯酰胺(N, N’-Methylenebisacrylamide, AR級，上海國藥集團試劑有限公司)；過硫酸銨(AR級，上海國藥集團試劑有限公司)；丙烯酸酯共聚乳液(Acrylic ester acrylate, AR級，上海國藥集團試劑有限公司)；氫氧化鈣(AR級，上海國藥集團試劑有限公司)；去離子水(標準實驗室用水，純度達到純水級別)。

千分位電子天平(RS232C，南京肯凡電子科技有限公司)；恒溫水浴鍋(HH-S2A，金壇市成輝儀器廠)；真空干燥箱(DZF-6020，北京市永光明醫療儀器有限公司)；數顯測速電動攪拌器(JJ-1A，湘潭湘儀儀器有限公司)；掃描電鏡(DF-5708，丹東東方測控技術股份有限公司)。

2.2 樹脂合成方法

將丙烯酰胺與丙烯酸按不同摩爾比(1:1、1:1.5、1:2、1:2.5)放入燒杯中，然后在燒杯中加入去離子水，將燒杯置于恒溫水浴鍋中，70oC快速攪拌，直至上述混合物出現濕凝膠狀態(可用普通激光筆，看溶液是否出現丁達爾效應，出現丁達爾效應，說明反應完全，已形成凝膠)，此狀態下停止攪拌，保溫1.5 h，之后將燒杯取出室溫下陳化24 h，將得到的凝膠放入真空干燥箱中干燥，通過造粒機將成品進行粉碎，并進行過篩處理。

2.3 樹脂存水能力測試方法

式中，M存為樹脂的存水質量，M濕為樹脂充分吸水后的質量，M干為樹脂干燥后的質量。在測量不同尺寸樹脂存水能力時，所有選取的樹脂質量相同，吸水時間相同，干燥時間相同。

2.4 耐鹽性能測試

采用濾袋法對樹脂進行吸水率和吸飽和氫氧化鈣溶液吸液倍率的測試。首先對所用濾袋進行稱重，然后將樹脂顆粒填裝與濾袋內，分別浸泡在去離子水以及飽和氫氧化鈉溶液中，浸泡時間為30 min。

式中，Kw表示吸去離子水的倍率；Kc代表吸飽和氫氧化鈣溶液的倍率；樹脂的質量我們用 m1表示；濾袋的質量我們用m2表示；m3代表充分吸去離子水后樹脂與濾袋的總質量；m4表示充分吸收飽和氫氧化鈣溶液的樹脂與濾袋的總質量。

?

?

3、結果與分析

表1為丙烯酰胺與丙烯酸在不同摩爾比條件下制備出樹脂顆粒的尺寸(在掃描電鏡下觀察樣品形貌，再通過截線法測量顆粒的尺寸大小)。從結果可以看出，隨著丙烯酸含量的增加，樣品顆粒呈現出減小趨勢，當丙烯酸含量進一步增加，樣品的顆粒尺寸又再一次增大，當兩者摩爾比達到1:2.5時，樣品顆粒已經增大到5.3 μm。說明兩者的摩爾比影響著物質的形核速率，形核速率越大，樣品的尺寸越大，反之越小。因本文篇幅有限，只對微米級尺寸樣品的存水能力進行研究。

樣品的顆粒尺寸越小，其存水能力越強，說明了尺寸越小，樣品所擁有的比表面積越大，表面能越高，吸水能力越強，所以在實際的應用中，應選取質量優異、顆粒尺寸小的樹脂來防止混凝土開裂，但尺寸越小的樹脂，價格越昂貴，所以應該根據需求選取性價比最高的樹脂。

從表2結果可以看出，不同的集團引入之后，樹脂的耐鹽性相差很大，當反應體系中引入N,N’-亞甲基雙丙烯酰胺時，樹脂對去離子水吸液倍率和氫氧化鈣飽和溶液吸液倍率的差值最小，降低到了0.323，說明此時樹脂的耐鹽性最佳。

結論：

本文以丙烯酰胺和丙烯酸為原料制備出了存水能力優異，耐鹽性良好的樹脂顆粒。當丙烯酰胺與丙烯酸摩爾比為1:1.5時，樣品的顆粒尺寸最小，存水能力最強，當添加基團為N, N’-亞甲基雙丙烯酰胺時，樣品的耐鹽性最好。在日后的建筑工程中，將其與混凝土均勻混合可有效解決傳統混凝土開裂的難題，是一種性能優異的新型復合混凝土材料。