聚合物改性晶须水泥基材料可行性研究

聚合物改性晶须水泥基材料可行性研究发表时间：2019-10-29T11:36:49.653Z 来源：《建筑学研究前沿》2019年15期作者：郭宏磊刘晶[导读] 总结了聚合物以及聚合物粉体改姓水泥基材料的发展历程，对晶须水泥基材料的优缺点进行概括，提出当水泥基材料断裂时，大量的晶须出现拔出现象，且表面光滑，说明晶须与水泥基材料之间粘结力较差，提出通过掺加聚合物的方法来进行解决，并验证了此方法的可行性。

山东英才学院摘要：总结了聚合物以及聚合物粉体改姓水泥基材料的发展历程，对晶须水泥基材料的优缺点进行概括，提出当水泥基材料断裂时，大量的晶须出现拔出现象，且表面光滑，说明晶须与水泥基材料之间粘结力较差，提出通过掺加聚合物的方法来进行解决，并验证了此方法的可行性。

关键词：聚合物；晶须；水泥基材料1 聚合物改性水泥基材料长期以来，人们一直寻找对水泥基材料进行改良的途径，如通过改善水泥的性质，改变水泥混凝土的配合比；掺加纤维材料和外加剂等措施来改善水泥基材料的性质，或使得水泥基材料满足工程的特殊需要。

但是对水泥基材料最基本的力学特性（刚度大，柔性小，抗压强度远大于抗拉强度）的改善，降低水泥基材料的刚性，提高其柔性，降低抗压强度与抗折强度的比值则要借助于向水泥基中掺加化学外掺剂，在大多数情况下是掺加聚合物。

1923年Cresson[]成为第一个获得天然胶乳改性道路材料专利的人。

1924年里夫布尔（Lefebure）[]成功申请了用天然橡胶乳液（NR）改性水泥砂浆及混凝土的专利，并用配合比的方法来设计水泥混合料。

聚合物改性水泥砂浆（PCM）在我国正式应用始于1980年，比较成熟的要数丙烯酸酯共聚乳液或苯丙乳液砂浆。

随着人们环保意识的加强和资源的充分利用等方面的关注，聚合物改性混凝土的研究呈现出新的方向—废弃物的利用。

Palos等[]把聚合物固体废料用于砂浆改性，将ABS回收料磨碎成粉末掺入到水泥砂浆中，压缩试验结果表明，掺ABS后，砂浆的弹性模量有所增加，但与钢筋的粘结变差，如用马来酸酐预先对ABS进行处理，则粘结性可以改善。

2 聚合物-无机粉体改性水泥基复合材料1987年孙伟[]研究了硅灰及聚合物对钢纤维与水泥基材界面层性能的影响。

通过在基材中掺入不同数量的硅灰、聚合物以及硅灰、聚合物与高效减水剂的复合物的方法，研究了界面层的主要物理力学性能，论证了界面层强化与宏观力学行为之间的关系。

试验结果表明，随着硅灰、聚合物掺量的提高，界面组成和结构得到调整与改善，界面层的弱谷变浅，Ca（OH）2的取向性减弱和富集现象变小，其性能与基体逐渐接近。

保持流动性不变，在基体中掺入15%聚丙烯（AP）或12%聚乙烯乙酯乳胶（PAE），界面最薄弱层显微硬度可提高到4-5倍。

特别当复合掺入15%AP和20%硅灰时，界面最薄弱层显微硬度与基体几乎相等，界面层弱谷消失，HV-d曲线趋向于一水平线，Ca （OH）2晶体的取向性减至最弱且富集现象消失。

硅灰、聚合物及两者与高效减水剂的复合物掺入基体中，由于不同程度地调整与改善了界面层的组成与结构，水泥基材的增强、增韧和阻裂等各项力学性能均得到相应提高。

3 聚合物改性水泥基材料的机理研究（1）Ohama模型日本教授Yoshihiko Ohama[]的研究报告中介绍了水泥基材料中聚合物结构形成过程的模型，并把这一过程分为三个阶段。

第一阶段：当聚合物乳液在水泥混凝土搅拌过程中掺入混凝土后，乳液中的聚合物颗粒均匀分布在水泥浆体中，形成聚合物水泥浆体。

第二阶段：随着水量的减少，水泥凝胶结构在发展，聚合物逐渐被限制在毛细孔隙中，随着水化的进一步进行，毛细孔隙中的水量在减少，聚合物颗粒絮凝在一起。

第三阶段：由于水化过程的不断进行，凝聚在一起的聚合物颗粒之间的水分逐渐被全部吸收到水化过程的化学结合水中去，最终聚合物颗粒完全融化在一起形成连续的聚合物网结构。

（2）其他模型关于聚合物乳液改性砂浆或混凝土结构的模型，还有Konietzko模型[]、Puterman与Malorny模型[] 在Konietzko模型中，开始聚合物均匀分散在水泥混凝土体系中。

随着水泥颗粒的水化，优于体系中的一部分水被水泥水化所结合，因此悬浮液中的水分被转移，聚合物颗粒开始堆积，随水泥水化的进一步进行，堆积的聚合物颗粒也越来越多，逐渐融化在一起形成聚合物膜。

最终聚合物在水泥混凝土中形成空间连续的网状结构，并且硬化水泥浆体也在聚合物网孔中形成连续结构，两种网结构互相交织缠绕在一起，并把水泥混凝土中的骨料颗粒包裹在其中。

Ohama结构模型与Konietzko结构模型的区别在于，前者认为聚合物时空间网结构，而水泥硬化浆体包裹在聚合物网中间，互不连接，而后者则认为两者都形成空间连续网结构。

Puterman与Malorny模型与上述模型不同之处在于聚合物薄膜的形成时间和聚合物乳液最低成膜温度对它的影响。

该模型认为，即使在砂浆孔隙中存在自由水时，聚合物也能够形成薄膜，因为聚合物黏附在未水化水泥颗粒的表面，并且在水泥颗粒的表面形成了一个紧密堆积的薄层，进而凝结成聚合物薄膜。

4 晶须在水泥基材料中的应用碳酸钙晶须[]作为一种特殊的无机矿物微纤维掺入水泥基材料中，利用碳酸钙晶须高纤度、高强度、高模量以及良好的热稳定性等来达到增强增韧水泥基材料的目的。

通过测试显示，水泥基材料的性能得到很大程度的提高，当晶须掺量在0%～4.0%时，水泥基材料的抗折和抗压强度分别提高了33.3%和12.83%[]；当掺量在0～40%时，水泥基材料的抗折强度、冲击强度以及劈裂强度分别提高了39.7%、39.25%和36.34%[]。

但是当水泥基材料断裂时，大量的晶须出现拔出现象。

碳酸钙晶须补强增韧水泥基体的三大机理[5]（裂纹桥接、裂纹偏转、晶须拔出）中，晶须拔出占主导优势。

上述三种增韧机理中的能量耗散作用有效减少了水泥材料内部裂纹尖端的应力集中现象，应力转移和分布得以优化。

但大部分晶须拔出时，晶须表面光滑，未有粘带水泥基浆体，说明碳酸钙晶须与水泥基间的粘结力不足。

5 聚合物改性晶须水泥基材料为使晶须拔出占主导地位，在晶须水泥基材料中加入聚合物，增强晶须与水泥基的粘结力，通过其宏观力学性能评价聚合物的增强效果，使占主导优势的晶须拔出现象变为晶须拔断现象，则能使晶须的增强作用发挥至极致。

从水泥净浆的断面上看，掺加5%晶须+10%聚合物的基体比掺加5%晶须的水泥净浆结构致密。

掺入聚合物后，晶须的周围附带大量的水泥浆体，与水泥浆体间的结合非常紧密。

而且未掺聚合物的水泥净浆的裂缝宽度普遍要比掺加聚合物的水泥净浆的宽，说明聚合物在水泥净浆中能起到限裂、桥接的作用。

晶须在水泥基中的裂纹偏转、裂纹桥接以及拔断作用非常明显。

这一发现表明聚合物的加入，使晶须与水泥基体间的粘结力得到增强。

基金项目山东英才学院校级大学生专项科研课题（18YCYBXSZR07）参考文献[1] Cresson，L.Improved manufacture of rubber roadfacing，rubb-flooring，rubber tiling or other rubber-lining：British Patent，191474[P].12，Jan，1923.[2] Lefebure，V.Improvments in or relating to concrete，cement，plasters and the like：British Patent，217279[P]，5，June，1924.[3] Palos A，D’Souza N A，Snively C T，Reidy Ⅲ R F.Modification of cement mortar with recycled ABS.Cement and Concrete Research，2001，31（7）：1003-1007.[4] 孙伟.硅灰及聚合物的掺入对钢纤维与水泥基材界面层的影响[J].硅酸盐学报，1987，15（6）：503-507.[5] Ohama，Y.Polymer Modified Mortars and Concretes.Concrete Admixtures Handbook [M].New Jersey USA：Romachandran，V.S...Noyes Publications，1984.[6] Konietzko，A.Polymerspezifische Auswirkungen auf das Tragverhalten modifizierter zementgebundener Betone（PCC）.Dissertation，Braunschweig，1988.[7]Puterman M．Malomy W．Some debts and ideas on the microstructure formation of PCC，in Sandrolini F（ed.），Proceedings of IX International Congress on Polymers in Concrete[C]，Bologna，1998.[8] Mingli Cao，Jianqiang Wei，Hang Yao.Application and Prospect of CaCO3 Whisker in Composite Materials[J].12th International Conference on Inspection，Appraisal，Repairs and Maintenance of Structures，Yantai，April 25-27.P1577-1584.[9] Cao Mingli，Wei Jianqiang，Wang Lijiu.Study of low content whisker to reinforce Portland cements [J].Journal of Wuhan University of Technology-Materials Science Edition.[10] Cao Mingli，Wei Jianqiang.Microstructure and mechanical properties of CaCO3 whisker-reinforced cement [J].Journal of Wuhan University of Technology-Materials Science Edition.。