聚合物改性水泥修补砂浆
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聚合物改性水泥修补砂浆摘要：随着高分子材料科学的发展和对材料结构与性能关系的深入认识,越来越多的聚合物被应用于其它各行各业，促进了其它行业的发展。
而不同分子量大小的水基聚合物由于具有分散作用、絮凝作用、增稠作用和减阻作用等不同性能已经被应用于混凝土行业中。
普通水泥砂浆已经不能满足需要，为了使砂浆具有其特殊的性能来满足其特殊环境与场所的需要，在水泥修补砂浆中加入聚合物来进行改性。
经过大量的试验研究发现，聚合物乳胶粉改性水泥砂浆的抗弯强度、抗压强度、粘结强度和耐久性能通常超过未改性水泥砂浆，而且聚合物可以长期地发挥作用。
关键词：聚合物；修补；修补砂浆；耐久性近年来,聚合物改性水泥砂浆由于具有多种优良性质而受到建筑、交通、水利和化工等领域的关注,并开始在水泥混凝土的修补以及耐腐蚀、防水涂层、隔热保温和桥面等实际工程中应用,而且聚合物改性水泥砂浆的生产使用符合循环经济和资源节约社会型的发展要求。
近年来,国内经济的快速发展,以及大量国外投资和先进技术的引入,直接带动了聚合物改性砂浆的开发、生产和应用,为建筑砂浆在节能、降耗、工业化生产和性能改善、应用水平的提高等方面指明了方向。
1国内外发展状况通过聚合物改性过的水泥砂浆/混凝土称为聚合物改性砂浆/混凝土。
聚合物改性砂浆/混凝土的概念已经不是新概念了,早在1923年就有使用天然橡胶乳胶制造铺路材料的专利的报告,到今天为止,已经有80多年的历史。
从70年代开始,聚合物混凝土复合材料在工业国的建筑、电气、机械和化学等工业领域中获得了广泛而有效的应用。
在日本,新型高性能聚合物混凝土复合材料也已经有40多年的开发应用历史。
在日本和美国,聚合物改性砂浆和树脂砂浆已经获得了广泛的应用。
特别是聚合物改性砂浆,早在70年代就已经在日本建筑业处于主导地位。
1994年5月由中、日、韩发起,由韩国国立江原大学主办的第一届东亚聚合物混凝土复合材料国际会议在韩国春川召开。
1991年,我国开始研制聚合物-水泥基复合防水涂料,并且发表了不少有关的学术文章,但是直到1994年底,才由北京东海防腐防水技术开发工程公司与中国科学院化学所开发成功。
该材料已经于1995年底通过了建设部部级鉴定,专家一致认为我国研制成功的聚合物-水泥基复合防水材料的技术已经达到世界发达国家水平。
2聚合物砂浆聚合物乳胶粉改性水泥砂浆的抗弯强度、抗压强度、粘结强度和耐磨性能通常超过未改性水泥砂浆。
尤其是抗弯强度和粘结强度的提高更加显著;渗水量随聚合物与水泥的比率的增加而减少;干缩值随聚合物与水泥的比率的增加而增大。
聚合物改性砂浆具有较好的抗渗性能。
具有良好柔性和粘结性的聚合物能够充分适应水泥以及砂浆干燥过程中颗粒之间的变化,更好地搭接裂缝以及防止裂缝的出现,从而减少砂浆中相互连通的毛细孔。
聚合物改性砂浆与水泥砂浆相比具有较小的弹性模量,这说明聚合物改性砂浆具有相对较好的塑性。
由于聚合物改性砂浆具有较小的弹性模量,因此聚合物改性砂浆作为修补材料可以减少由于干燥收缩而产生的裂纹。
聚合物改性砂浆具有较好的保水性,有利于水泥的水化,并可采用较低的水灰比,以减少干燥收缩;即使长期不进行水养护,强度增长仍很快。
由于聚合物改性砂浆具有较好的保水性,能减少荷载作用下结构中毛细管水的移动和砂浆的徐变性。
砂浆的徐变性随聚合物加入量的增加而减小,同时与聚合物的种类及养护条件有关。
Singha、Milestone等的研究表明,随羟乙基纤维素掺量的增加,水泥浆体3天和7天的水化放热逐渐降低,但是28天和91天的水化放热则没有明显差异。
加入羟乙基纤维素的水泥砂浆可以提高其抗折强度,其原因是在压力的作用下聚合物与水泥材料之间的力相互传递。
羟乙基纤维素能够显著提高水泥砂浆的吸水性与抗盐、酸侵蚀性,原因在于羟乙基纤维素降低了水泥砂浆的孔隙率。
此外,聚合物砂浆还具有良好的耐燃性、耐腐蚀性和抗冻性以及适度的引气性等优良性能。
2.1聚合物砂浆的作用机理当聚合物与水泥砂浆共同拌和时,聚合物颗粒均匀地分散在水泥浆体中,水泥遇水就开始发生水化反应,氢氧化钙溶液很快达到饱和并析出晶体,同时生成钙矾石晶体及水化硅酸凝胶体;聚合物颗粒沉积到凝胶体和未水化的水泥颗粒上,随着水化反应的进行,水分不断地消耗,水化产物增多,聚合物颗粒逐渐地聚集在毛细孔中,并在凝胶体表面、未水化水泥颗粒上形成紧密的堆积层。
这些聚集的聚合物颗粒逐渐填充毛细孔并覆盖着它们不能完全填充的毛细孔的内表面。
由于水化和干燥使水分进一步减少,在凝胶体上和空隙中紧密堆积的聚合物颗粒便凝聚成连续的薄膜,形成与水泥浆体互穿基质的混合体,并且使水化产物之间以及和骨料之间相互胶结。
大大提高了材料对水分的抗渗性、抗化学性和抗冻-融耐久性,改善了砂浆的抗弯强度、抗裂性、附着强度、弹性和韧性,最终可以避免砂浆收缩开裂和减少粘结层的厚度。
关于可再分散聚合物粉末聚合物水泥材料体系中作用机理, 国内外研究人员做了相应的探讨。
科博尔认为, 加入可再分散聚合物粉末之所以会增加材料的黏结强度, 原因在于其充当了不同组分之间黏结桥的作用。
Roger Zurbriggen通过对聚合物水泥复合材料的微观结构进行观察, 认为掺加可再分散聚合物粉末可使聚合物膜形成并构成孔壁的一部分, 通过内部作用力使砂浆形成一个整体,提高了砂浆的内聚强度, 从而提高了砂浆的破坏应力和应变。
Afridi 等对掺加可再分散聚合物乳胶粉的砂浆体系( PPMMs) 和不掺乳胶粉的砂浆体系(APMMs) 的微观结构进行了研究, SEM 表明,PPMMs 体系在乳胶粉的桥键作用下结合紧密, 而APMMs 内部结构松散, 空隙很多。
刘志勇也对此做了较为深入的研究, 他认为聚合物以粉末的形式掺入到水泥基材料中, 加水重新分散为乳液, 在搅拌过程中聚合物颗粒均匀地分散到水泥浆体中。
水泥一加水, 水化反应就开始, 氢氧化钙溶液很快达到饱和并析出晶体, 同时生成钙矾石晶体及水化硅酸钙凝胶体, 乳液中的聚合物颗粒便沉积到凝胶体和未水化的水泥颗粒上。
随着水化反应进行, 水分不断消耗, 水化产物增多, 聚合物颗粒逐渐聚集在毛细孔中, 并在凝胶体表面和未水化的水泥颗粒上形成紧密堆积层。
聚集的聚合物颗粒逐渐填充毛细孔并且覆盖着它们, 不能完全填充到毛细孔的内表面。
由于水化或干燥使水分进一步减少, 在凝胶体上和在孔隙中紧密堆积的聚合物颗粒便凝聚成连续的薄膜, 形成与水化水泥浆体互穿基质的混合体, 并且使水化产物之间及骨料相互胶接。
由于带有聚合物的水化产物在界面形成了覆盖层, 可能影响了钙矾石和粗大氢氧化钙晶体的生长, 也由于聚合物在界面过渡区孔隙中凝聚成膜, 从而使聚合物水泥材料的过渡区更为致密, 使其性能得以改善。
一些聚合物分子中的活性基团可能与水泥水化产物中的Ca2 + 、Al3 + 等产生了交联反应, 形成特殊的桥键作用, 改善了水泥砂浆硬化体的物理组织结构, 缓解了内应力,减少了微裂纹的产生, 增强了聚合物水泥材料的致密性。
关于可再分散聚合物粉末在地坪材料、石膏基材料、粉末涂料等应用领域的作用机理目前研究还很少, 有待进一步探讨。
2.2聚合物砂浆的应用聚合物砂浆适用于混凝土结构的修补加固和混凝土工程中特殊领域和部位,如应力复杂区、抗裂、抗震、耐冲击、耐磨损、抗疲劳要求高的部位。
聚合物砂浆可以用于高层建筑外墙仿石装饰涂料。
这种仿石涂料采用天然花岗岩加工为骨料,用合成树脂乳液作为胶粘剂配制而成。
装饰墙面色泽均匀清晰,有类似天然石料的丰富色彩和质感,并且施工方便、可涂性强、造价适中,已经成为高层建筑外装饰材料品种之一。
以可再分散聚合物粉末为核心添加剂的建筑干粉在欧洲应用很普遍。
目前仅德国就有75 家建筑干粉生产厂, 平均每50 万人口就有一个干粉料生产厂。
干粉在亚洲起步较晚, 但发展十分迅速, 从1984 年以来, 韩国、日本、泰国、马来西亚、新加坡都有大规模的专业干粉料生产厂。
聚合物水泥砂浆在防腐领域的应用也很广。
例如:1992年大庆油田设计院研制成功并使用聚合物水泥砂浆作为防腐材料用于水罐内壁。
采用喷射施工的方法将聚合物水泥砂浆喷到罐体内部作为防腐层,聚合物水泥砂浆能适应钢质罐体的变形,在材料性能上优于普通水泥砂浆,并且与罐体有较强的粘结力、抗渗性和耐腐蚀性。
该材料的温度适应范围宽施工简单无污染。
聚合物砂浆也可以用作防水保温材料,如以硬泡聚氨酯和聚合物砂浆组成的新型防水保温复合屋面材料。
硬泡聚氨酯防水保温复合屋面是由硬泡聚氨酯发泡作防水保温层与聚合物砂浆防水抗裂保护层有机结合形成的新型防水保温复合屋面。
这种新型材料具有自重轻、强度高、耐化学腐蚀性强、防水保温性能好、使用寿命长等优点。
该项防水保温工程技术是一种集防水与保温性能于一体的现场连续喷涂施工的新技术,解决了屋面漏水和建筑节能两大技术难题。
建筑干粉在中国尚处于起步发展阶段, 目前还没有大规模的建筑干粉生产厂, 但广东和上海都从国外引进几条国外干粉生产线。
上海拟采取强制措施推广, 并已颁布执行了《干粉砂浆生产和应用技术规程》, 传统砂浆将逐步被淘汰。
相信随着对工程质量和环保要求的日益提高及建筑技术的不断发展, 商品化干粉砂浆在中国有着广阔的市场前景。
虽然近几年来各种干粉砂浆产品在中国的发展非常迅猛, 但其核心技术—可再分散聚合物粉末仍完全依赖进口。
可再分散聚合物粉末在中国的应用始于20 世纪90 年代末, 迄今仅有五六年的历史。
较早进入中国市场的国外产品为德国瓦克公司(WakerChemie Gmbh) 的产品, 随后, 美国国民淀粉公司(National Starch ) 、罗姆和哈斯公司( Roma andHass) 、德国克莱恩(Clarient) 等公司的产品相继进入国内建筑市场。
添加可再分散聚合物粉末可显著改善建筑干粉材料的多种性能, 如提高黏结力, 增强防水性能, 提高内聚力, 降低弹性模量, 增加抗折强度, 增加弯曲度, 提高抗冲性能, 提高耐磨性, 降低吸水率, 提高施工性能, 增强耐久性以及提高保水性等,可应用于修补砂浆、建筑外墙腻子及抹灰材料、瓷砖和建筑黏结剂、保温隔热系统、自流平地坪材料、刚性防水材料、水泥基粉末涂料及石膏基产品等建筑干粉材料领域中。
除此之外,聚合物水泥砂浆可以用于地下工程的防渗堵漏材料、地面材料、铺设材料、粘结材料、修补材料、外墙装饰材料以及制作工厂预制件等。
3结语近年来为了建筑工业的技术创新,聚合物改性砂浆/混凝土由于具有较好的性能而得到了很大的发展,这种现象在一些发达国家尤其突出,在中国也将是一个必然的发展趋势。
目前聚合物砂浆的研究主要集中在高质量的不可再分散聚合物粉末,可以修补钢筋混凝土结构的材料、人造大理石等方面。
使聚合物砂浆具有复合型、环保型、自洁型等功能也将是聚合物砂浆的研究方向之一。
