聚合物水泥混凝土改性机理研究

苏炳进

【摘要】普通水泥混凝土脆性高、耐久性差，对此，有关人士提出了改进水泥混凝土性能的机理研究，经过聚合物改进后的水泥混凝土在强度、韧度等方面都有了较大的性能提升。本文将立足于聚合物对水泥混凝土性能改进的实际情况，分析研究其应用的主要机理。

【关键词】聚合物；水泥混凝土改性；机理研究

前言：

由于普通水泥混凝土自身存在的不可避免的缺点，使其在实际应用中的抗侵蚀能力较弱，采用聚合物水泥混凝土是目前改善普通水泥混凝土性能的主要途径之一，但是由于聚合物在水泥水化中扮演的角色难以明确，所以导致目前人们尚不清楚聚合物对水泥混凝土的作用机理。

1.聚合物改进水泥混凝土力学性能研究

水泥混凝土作为路面面层的一种主要材料，必须要具有一定的强度，尤其是抗弯拉强能力、变形能力、耐疲劳能力以及抗冲击能力。通过研究相关的实验数据，可以得出以下结论：聚合物水泥混凝土与普通水泥混凝土的抗弯拉和抗压强度都是随着使用时间的延长而不断增加的，不同的是，到使用后期，聚合物水泥混凝土的强度增长率略微高于普通水泥混凝土，而随着聚合物的含量不断增加，水泥混凝土的抗弯拉强度也在不断提升，在聚合物的含量到达一定程度后，才停止提升速率，但是总体来看，聚合物混凝土的抗弯拉强度平均高于普通水泥混凝土，尤其是点那个聚合物的掺加量从百分之五提高到百分之十这一阶段，抗弯拉强度的增长速率尤为明显。值得一提的是，当P/C<0.15时，在水泥混凝土中掺入聚合物会降低混凝土的抗压强度，当P/C=0.05时，聚合物水泥混凝土的抗压强度会低于普通水泥混凝土的抗压强度。

为了加强水泥混凝土的强度和耐久性，目前的许多设计中，会选择在混凝土中加入减水剂和粉煤灰等物质，这些物质的加入，虽然在一定程度上改善了水泥混凝土的耐久性但是却导致其脆性大大增加，以致在应用水泥混凝土后出现了爆裂等现象。目前对于混凝土刚度的测试，主要有压折比和弹性模量两种，根据聚合物水泥混凝土的压折比实验得出的结果可以分析出与普通水泥混凝土相比，聚合物水泥混凝土中加入的聚合物含量越多，压折比会呈下降趋势，因此，聚合物水泥混凝土的柔韧性会逐渐增加。

抗冲击性能的强弱也是评判水泥混凝土性能的重要指标之一。根据实验结果表明，掺入少量聚合物就可以显著提高水泥混凝土的抗冲击能力，而且聚合物水泥混凝土的抗冲击能力还会随着聚合物含量的增加而增大[1]。

2.聚合物改进水泥混凝土耐久性能研究

水泥混凝土的耐久性测量包含较多的测量指标，如抗冻性、抗渗性、抗腐蚀性、耐磨性和界面粘结性等。水泥混凝土由于自身具有刚性，因此本身就具有一定的防水功能，但是由于水泥混凝土属于多孔性材料，在一定的水压作用下，水泥混凝土仍然有可能被渗透，从而影响水泥混凝土的耐久性，目前最常用的测试方式分别为水压渗透试验和氯离子渗透试验，其中由于氯离子渗透实验结果的不稳定性因素较多，因此较为常用的还是水压渗透试验。根据结果可以分析得知，在水泥混凝土中掺入聚合物后，水泥混凝土的抗渗能力有一定的提高，而且其抗渗透能力随着聚合物含量的增加而增加，当聚合物掺加量到一定程度后，增加趋势才会逐渐减缓。另外，分析图1/图2可知，聚合物水泥混凝土的总孔隙率会随着聚合物掺量的增加逐渐减少，此外，聚合物水泥混凝土内部的孔隙也会逐渐向减小的方向移动，因此打孔占据的总孔隙会明显较少，相对的小孔开始增加[2]。

图1 聚合物水泥混凝土孔隙率

图2聚合物水泥混凝土的孔级配

经过科学分析可以发现，聚合物水泥混凝土的路用性能与其总孔隙率有着紧密的联系，当聚合物掺加量为零时，水泥混凝土的孔隙率、渗水高度、耐磨损失率明显高于聚合物水泥混凝土，抗折强度、断裂性能、疲劳寿命、粘结强度等指标平均低于聚合物水泥混凝土，且当聚合物的掺入量增多时，各项性能都会随之发生单调增长或者单调降低的现象。因此，在水泥混凝土中掺入聚合物会使得水泥混凝土材料内部的孔结构得以大幅度的改善，从而大幅度提高了材料的抗折强度、耐久性格柔韧性。水泥混凝土由于长期暴露在空气中，在使用过程中，往往会受到不可避免的侵蚀，如自然界的酸雨，工业生产中的腐蚀性物质等，水泥混凝土中含有的Ca（OH）2会在水泥混凝土与腐蚀物质发生接触后，与其发生化学反应，从而导致水泥混凝土的整个结构都受到损坏。根据对相关实验的差热分析可以得知，聚合物可以与水泥混凝土中的一部分钙离子发生反应，降低水化产物中可以与腐蚀性物质发生反应的Ca（OH）2，从而改善水泥混凝土的微观结构，另外，根据相关数据可以推测出在普通水泥混凝土中掺入聚合物后，其水化过程与产物在本质上并没有发生任何改变，因此聚合物对水泥混凝土的改性主要是以物理改性为主[3]。

3.聚合物改进水泥混凝土机理研究

3.1微观形貌分析

通过扫描电子显微镜对普通水泥混凝土、P/C=0.05的聚合物水泥混凝土、P/C=0.10的聚合物水泥混凝土、P/C=0.15的聚合物水泥混凝土的扫描分析，可以得到反应试样表面形貌的二次电子图像，经过对图像的分析可以得知其改善机理是聚合物的掺入导致水泥石结构形态发生改变，随着聚合物掺量的增加，聚合物膜会与水泥水化产物相互形成稳定的空间骨架结构，使材料明显细化，大幅度提高了水泥混凝土内部网架结构的完整性。此外聚合物与水泥和水泥水化产物发生反应，使过渡区结构得以改善，内部结构趋于紧密，耐久性和力学性能得以提高，此外聚合物的掺入影响了水泥水化硬化过程，具有减水作用[4]。

3.2水泥混凝土孔结构

掺入聚合物后，可以发现混凝土的总孔率逐渐减少，平均孔径也在降低。研究聚合物在水泥中的形成结构可以得知，聚合物颗粒分散在水泥中后随着水泥水化而凝聚在一起生成凝胶，然后凝胶会形成连续的网架结构，从而对水泥混凝土的结构形态产生影响，另外，由于总孔率的不断下降，使得水泥混凝土的内部晶体取向性降低，宏观表现就是材料的抗折强度提高、抗压强度降低、柔韧度增强，此外，水泥混凝土的耐久性与孔结构也有较大的相关性，孔隙率降低，大孔逐渐转化为小孔，使得材料的抗滲性能、耐磨性能、耐腐蚀性能、粘结性能都得到了一定程度的改善[5]。

结语：从微观结构分析入手研究材料的宏观性能，是探测物质机理的一般手段，根据研究表明，聚合物掺入水泥混凝土后，混凝土的内部结构逐渐趋于紧密连续，而且强度和柔性得到了明显改善，使路面使用性能更加优异。

参考文献：

[1]张中华. 聚合物改性水泥混凝土制备技术研究[D].长安大学，2013.

[2]周智勇. 基于多功能摊铺机的聚合物改性水泥混凝土一次摊铺成型技术研究[D].长安大学，2013.

[3]雷毅. 水泥混凝土路面快速修补用聚合物改性水泥基材料的研究[D].湖南大学，2014.

[4]储汉东，李朝阳，张旺兴. 聚合物改性混凝土的研究与应用[J]. 科协论坛（下半月），2010，08：97-98.

[5]杨俊斯. 国内路用聚合物改性水泥混凝土（PMC）研究进展[J]. 科技信息，2012，15：371-372.