混凝土聚合物复合材料
摘要:我国混凝土聚合物复合材料的研究起步较晚,但发展迅猛,已广泛应用于各种工程之中。目前研究主要表现在废物的利用、多种方式复合改性、节能和环境友好聚合物改性复合材料、功能性聚合物改性混凝土材料等方面,在其发展中还存在使用寿命、生产成本、标准化工作、施工拌和等问题。
关键词:混凝土;聚合物;应用;发展
混凝土聚合物复合材料是利用水泥混凝土的制造方法和施工技术与高分子材料有效结合而产生的一种新型材料。用于水泥混凝土改性的聚合物种类很多,对水泥混凝土进行改性的具体工艺也多种多样,最终获得的改性水泥混凝土主要有三种:(1)聚合物混凝土或树脂混凝土(PC);(2)聚合物浸渍混凝土(PIC);(3)聚合物改性水泥混凝土(PMC)。混凝土聚合物复合材料具有优良的工程性能,有着良好的应用前景。本文对我国混凝土聚合物复合材料的一些情况进行介绍,对其开发应用前景进行了展望,同时提出了该领域中需要解决的问题。 1我国混凝土聚合物复合材料的发展现状 1.1聚合物混凝土(PC) 聚合物混凝土(或树脂混凝土)是全部以聚合物代替水泥做胶结材料,与骨料结合而成的聚合物混凝土复合材料。聚合物混凝土的研究于1950年开始,发展较快的国家有日本、德国和前苏联,各国所用的树脂不尽相同。目前最常用的胶结材料有环氧树脂、不饱和聚酯树脂、脲醛树脂以及苯乙烯单体等。我国用于树脂混凝土中的树脂多以环氧树脂和不饱和聚酯为主。
20世纪60年代我国开始使用树脂混凝土及树脂砂浆,用的比较多的是作为普通混凝土的修补材料,特别是将PC用作结构材料,在国际上仍是一个较新的领域。到了80年代,树脂混凝土已经成为主要的、占优势的材料,做预制构件是一项主要的应用。我国于80年代末开始与国际同步研制PC轨枕,来替代普通水泥混凝土轨枕,经过试验,产品性能优良;90年代研制出了PC井盖和PC雨水口箅子,获得了国家专利,同时开展了PC绝缘子的研究工作。还有单位采用粉煤灰漂珠代替砂石骨料制成聚合物树脂混凝土,具有自重小、隔热、吸声、防火等优点,漂珠的主要成分为二氧化硅和三氧化二铝。最近十几年,树脂混凝土在我国发展迅猛,新的环氧树脂和固化剂不断被开发研制出来,而且其他类型的高分子材料的研究工作也如雨后春笋般发展起来,各种各样的PC制品不断出现,应用于各行各业。 1.2聚合物浸渍混凝土(PIC) 聚合物浸渍混凝土是一种用有机单体浸渍混凝土表层的孔隙并经过聚合处理而成一整体的有机—无机复合的新型材料。1965年美国率先对聚合物浸渍混凝土进行探索性试验,于1966年研制成功。我国从1973年开始研究聚合物浸渍混凝土,但是由于对混凝土物件进行完全浸渍的工艺比较复杂,又存在单体再利用问题,及造价太高和制件尺寸受浸渍容器限制等原因,使该完全浸渍工艺在我国的应用十分有限。
相比之下,表面浸渍工艺比较简单,成本低、能耗少,无剩余单体的回收问题。同时,混凝土结构经表面浸渍后,其表面强度、硬度、抗渗性、抗冻性、耐蚀性等都有显著改善,具有较大的应用前景。
20世纪80年代苏州混凝土水泥制品研究院研制成功“负压常温聚合物浸渍工艺”,其采用柔性负压浸渍腔代替浸渍容器或围堰装置常温聚合工艺,无剩余单体的问题,特别是克服了对竖立表面浸渍的困难。他们曾用此工艺处理了钢筋混凝土贮器以及对地下室渗漏部位进行浸渍,效果显著。负压工艺可望在制造耐酸池槽、地坪、管道以及大型海水淡化设备,提高海洋构筑物、桥面、路面耐久性等方面得到应用。自80年代以来,我国对聚合物浸渍混凝土做了较多的研究,主要是提高混凝土的表面抗冲刷性、耐磨性以及破损混凝土结构的修复方面。近年来用聚合物作为涂层或封闭剂用于混凝土结构的保护和提高其抗渗性、耐久性的研究不少。使用有机硅聚合物凝胶浸渍混凝土,聚合物的渗入深度可达7 mm甚至更大,对混凝土的保护效果非常好,而且施工简便,是最近几年才发展起来的新技术。 1.3聚合物改性水泥混凝土(PMC) 将聚合物乳液掺入新拌混凝土中,可以使混凝土的性能得到明显的改善,这类材料称之为聚合物改性混凝土。聚合物乳液改性水泥材料的研究始于20世纪20年代,Creson于1923年第一个获得这方面的专利,这个英国专利是关于水泥填充天然橡胶胶乳用作铺路材料的。我国从60年代初开始研究应用聚合物水泥混凝土,但由于聚合物生产成本较高,产品质量不能完全满足要求,因而研究处于低谷。
随着我国化学工业不断发展,从80年代开始,对这一领域的研究颇多,不仅对各种聚合物改性的效果进行较深入的研究,而且对改性机理,聚合物与水泥、水泥水化产物之间的作用机理等从理论上进行了较深入的研究。特别是对丙烯酸酯共聚乳液水泥砂浆的性能进行了系统的研究,作为一种新型修补、防渗、防腐、防冻材料,被成功地应用在许多工程中,填补了国内的空白,并取得巨大的技术经济效益,该项成果曾荣获1988年国家科技进步奖,这也是我国第一个获此奖项的聚合物水泥砂浆。
20世纪90年代国内已有专供聚合物水泥混凝土使用的商品化聚合物胶乳供应,例如,苏州混凝土水泥制品研究院研制的MA型、MB型、MS型水泥改性液,是采用合成胶乳及各种化学助剂配制而成的有机高分子乳液,用于水泥混凝土结构的修补或其他场合,具有使用简单、经济、可靠的特点;又如南京永丰化工厂生产的专供配制聚合物水泥混凝土砂浆使用的聚丙烯酸乳液,其粘结性好、防水、耐氯离子渗透、抗冻融、抗碳化老化。国内还有一些单位针对MDF材料的水敏性、后期强度降低、干缩等问题作了改性研究,通过加入改性剂及稳定剂使MDF的干缩控制在0.03%～0.3%,改性MDF 材料已被制成计算机房抗静电活动地板。
90年代初我国开始研制聚合物改性水泥砂浆防水涂料,1995年通过了建设部技术鉴定,并且于2001年制定了JC/T894-2001聚合物水泥防水涂料技术指标。最近研制的新一代PMC弹性聚合物水泥防水材料各方面的性能,尤其是耐水性、耐候性有了大幅度提高。而且具有聚合物用量少、成本低、聚灰比低、弹性大、改性效率高等优点。 2混凝土聚合物复合材料的优点及其应用 2.1聚合物混凝土(PC) 树脂混凝土不仅有良好的机械性能,而且具有漂亮的外观,是一种多用的材料。由于其性能卓越,至今仍是各种工程结构的重要修补材料;由于其优良的耐腐蚀性和耐化学性,被广泛用来建筑污水净化槽、水渠、井盖等;由于其强度高、密度相对较小,对于许多建筑结构来说,采用树脂混凝土可使其重量减少到传统水泥混凝土的1/3;又由于其重量轻、外观漂亮而且卫 生,被广泛制作成各种装饰构件,如窗台、地砖、人造大理石、浴缸等;由于其优良的阻尼性能,还应用于机床的台座及机架。此外,树脂混凝土还是很好的绝缘材料,可以用于电力工程。 2.2聚合物浸渍混凝土(PIC) PIC是一种具有高强、抗渗、耐化学腐蚀、耐冻融、耐磨蚀等优良性能的无机-有机复合材料,我国首次在葛洲坝电站工程中试用聚合物浸渍混凝土,此后被用于化工地坪、输气管道、建筑板材、铁路轨枕、防爆物件等工程,取得了较好效果。
一般说,混凝土的浸渍须在真空条件以及加压条件下进行比较有效,所以PIC生产工艺比较复杂,成本很高,用途仅限于那些对强度和耐久性有特别要求的结构物,至今尚无很好的商业化的应用。
2.3聚合物改性水泥混凝土(PMC) 普通水泥混凝土加入聚合物材料后,水泥基材料的诸多性能如强度、变形能力、粘结性能、防水性能以及耐久性等都会有所改善。目前,聚合物水泥混凝土在国内是以聚合物改性水泥砂浆的形式用于结构修补、粘合剂、防水材料、耐蚀防护材料为主,同时在钢结构保护、水工建筑耐水层、高速公路路面等工程也得到了成功的应用。但很少用聚合物改性水泥混凝土作为建筑材料,因为与PC和PIC材料相比,聚合物改性水泥砂浆或聚合物改性水泥混凝土的强度提高不明显,而与普通混凝土相比,PMC材料的成本较高,因此,除了某些特殊使用场合,如隔振、抗冲击结构以外,还没有采用PMC材料作大体积的结构材料。 3混凝土聚合物复合材料的发展展望
随着科学技术的发展,人们对混凝土聚合物复合材料的要求越来越高。日本、美国、德国等工业发达国家对混凝土聚合物复合材料做了大量的研究工作,在新型混凝土聚合物复合材料的研制中,都确定了自己新的研究方向,使其具有更优良的动力学性能、良好的阻尼性能等。聚合物改性水泥复合材料的发展最大,目前研究主要表现在以下几个方面。 3.1废物的利用
例如把聚合物固体废料用于砂浆的改性;用废橡胶粉末用作聚合物砂浆和混凝土的填充材料;将回收的聚酯瓶子裂解后重新制成不饱和聚酯,用于水泥砂浆和混凝土的改性等。 3.2多种方式复合改性
例如多种聚合物复合,包括乳液共混、水溶性聚合物共混、乳液与水溶性聚合物复合改性、乳液与超细矿物粉末掺合料、水玻璃复合材料、聚合物纤维等各种复合材料共同改性等。 3.3节能和环境友好聚合物改性复合材料
例如冷混合沥青混凝土,用于道路工程;聚合物改性砂浆用作钢筋混凝土结构的永久模板,则可以更好地防止氯离子渗透和更好地抗碳化作用,从而提高钢筋混凝土结构的耐久性。 3.4功能性聚合物改性混凝土材料
例如,具有自修复功能的环氧树脂改性砂浆,产生裂缝的环氧树脂改性砂浆经过一段时间后强度重新恢复;智能混凝土结构材料,利用碳纤维和聚合物改性混凝土,使其具备感应多种信号的能力,可以在智能建筑的多项自动控制和监视方面获得应用。我国混凝土聚合物复合材料的研究与世界发达国家相比,起步较晚,但发展迅猛,如今混凝土聚合物复合材料已广泛应用于各种工程之中。被誉为近期混凝土技术新进展的纤维增强聚合物混凝土在我国也得到了迅速发展,测试使用各种纤维作为增强材料,以找出聚合物混凝土的最佳增强材料是今后的一个重要研究课题。除此之外,还有防老化、延长使用寿命等也将是主要的研究方向之一。 4混凝土聚合物复合材料发展中存在的问题 4.1使用寿命
采用混凝土聚合物复合材料施工,还属于探索阶段,其寿命只是推断的结果,而没有充分的性能保证数据,对其长期使用效果也需要进行观察和加以总结。 4.2生产成本
由于混凝土聚合物复合材料的生产成本高,从而导致它的价格是普通混凝土价格的几倍,因此降低生产成本并保证其力学性能将是一棘手的问题。 4.3标准化工作
美国、日本以及欧洲在混凝土聚合物复合材料的标准化工作方面比较领先,各国都已制定出混凝土聚合物复合材料的多种工业标准和试验规程。我国近年来也开始制定一些聚合物改性砂浆和混凝土复合材料的标准和规范,例如建筑材料行业标准JC/T894-2001聚合物水泥防水涂料技术指标;电力行业标准DL/T5126-2001聚合物改性砂浆试验规程等。随着混凝土聚合物复合材料不断发展和广泛应用,做好混凝土聚合物复合材料的标准化工作刻不容缓。 4.4施工拌和
由于混凝土聚合物复合材料的粘度大以及固化特性,为防止混合不均,需要搅拌力强的搅拌机拌和。聚合物乳液在水泥砂浆中分布不匀正是造成聚合物乳液砂浆工程应用较难达到理论要求的重要原因之一。其次,作为混凝土聚合物复合材料用的骨料要求含水率极小,这样对于现场施工存在一定的困难。 参考文献
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