聚合物水泥砂浆的研究与应用
关键词:聚合物；砂浆，修改；性能；app应用
1前言
早在1923，英国人Gresson就申请了聚合物应用于路面材料的专利。到1924，发表了一篇关于现代高分子改性材料的正式文献。此后，近70年来，世界各国对聚合物在改性水泥砂浆和混凝土中的应用进行了大量的研究，对聚合物在水泥基材料中应用的兴趣也越来越大。在这一领域，日本、美国、前苏联、德国等国家在研发方面处于世界领先地位。例如，日本40年来一直在研究、开发和应用新型高性能聚合物混凝土复合材料，并为此制定了一些标准(JLS 6203)。德国交通部公路局所附的技术协议和规范(zTVSIB90)专门制定了聚合物改性砂浆(混凝土)供应的技术条件和检验规范(TLBEPCC，TPCC)。我国在这方面的研究起步较晚，近十年才得到发展。第六届国际聚合物混凝土会议于65438-0990在上海召开，大大加快了我国在该领域的研究和应用进展。
2聚合物水泥砂浆的改性机理
聚合物改性砂浆的研究之所以取得如此大的进展，是因为这种材料经过改性后具有了许多优异的性能。了解其改性机理对此类材料的研究和开发尤为重要。
众所周知，水泥砂浆是一种复合材料，骨料与水泥基的界面过渡区是该材料的薄弱环节。界面过渡区水灰比大，孔隙率大，氢氧化钙和钙矾石多，晶粒粗大，氢氧化钙晶体定向生长。为了提高水泥基材料的性能，必须改善界面过渡区的结构和性能。聚合物对水泥砂浆的改性作用本质上是改善材料的界面过渡区，使材料获得其他材料所不具备的性能。
(1)聚合物具有减水作用。在配制相同流动性的砂浆时，掺有聚合物的砂浆水灰比低于普通砂浆。这是因为聚合物的形状效应和矿物掺合料粉煤灰是一样的，因为聚合物的固体粒径很小，其直径一般在0.05 ~ 5um之间。这类颗粒和粉煤灰的颗粒一样，既能起到球的作用，又具有较高的表面活性，从而起到减水作用。
(2)砂浆中加入聚合物后，氢氧化钙也会沿着聚合物固体颗粒生长，有利于扰乱氢氧化钙的定向生长。此外，由于聚合物的特殊性，在高于其最低成膜温度的温度下会凝结成膜，形成的膜可以将水泥水化生成的氢氧化钙包裹起来，连成一个整体，可以有效降低氢氧化钙对材料耐久性的不利影响。另一方面，聚合物砂浆中的钙矾石比普通砂浆中的钙矾石短且厚。进一步观察表明，聚合物的加入能有效改善砂浆的孔结构。由于聚合物的形态效应和自身的特殊性，起到胶结和填充作用，使砂浆的平均孔径变小，大孔变成小孔，孔隙分布的均匀性降低，微观孔隙率增加。
(3)由于聚合物成膜过程发生在水泥的水化过程中，利用水的水化和蒸发，聚合物在整个基体中形成坚韧致密的网络结构，分布在水泥砂浆骨架之间，填充空隙，切断与外界的通道，进一步提高材料的性能。
(4)聚合物还能与水泥的水化产物反应。例如，丙烯酸甲酯可以与水泥水化产物中的氢氧化钙反应。原因是丙烯酸中的脂肪基团在碱性氢氧化钙溶液中可以水解生成羧酸根离子，羧酸根离子可以以离子键的形式与钙离子结合，形成钙离子桥联的离子键大分子交织网络结构，增强了结构的致密性。在上述反应中，可以降低氢氧化钙的含量，SBR(聚苯乙烯-丁二烯)乳液也可以降低砂浆中氢氧化钙的含量，但不如含脂肪基团的E-VA(聚乙烯-醋酸乙烯酯)乳液明显，所以是否所有聚合物都能起到化学改性作用还有待研究。
机械粘合层是由聚合物制成的薄膜。这一层不能太厚，否则会降低材料的强度。物理吸引层是如上所述通过对聚合物进行物理改性而得到的层，起到增强材料性能的作用。化学键合层是聚合物与水泥中物质反应的结果，进一步增强了材料的性能。
3聚合物水泥砂浆材料
3.1聚合物对于可用于砂浆改性的聚合物非常重要。聚合物在充分发挥其优势的同时，也不能给砂浆带来负面影响，比如不能影响水泥的充分水化，对水泥浆体的基体没有腐蚀作用，对环境没有污染作用。目前用于改性砂浆的聚合物种类不多，主要有以下几种。
其中，最常用的聚合物是图中下划线的聚合物。有丁苯乳液(SBR)、聚丙烯酸酯(PAE)、聚醋酸乙烯酯(EVA)、丙苯乳液(SAE)等。但是单一种类的乳液用于砂浆改性存在一些缺点，所以现阶段通过聚合物乳液的共混，综合不同乳液的优点，设计出了能够满足不同性能要求，满足不同应用需求的聚合物共混物。
3.2水泥
聚合物改性砂浆使用的水泥一般为普通硅酸盐水泥，早期强度高，凝结快，抗冻性好。此外，也可以使用高铝酸盐水泥。近年来，出现了一种专用于聚合物干粉改性砂浆的铝酸钙水泥。这种水泥是由一定比例的氧化铝和氧化钙熔融或煅烧，然后研磨所得熟料制成的。
3.3矿物掺合料
矿物掺合料(硅灰、粉煤灰、矿渣等。)本身可以作为水泥砂浆的改性材料。在砂浆中加入矿物掺合料和聚合物，可以综合利用两种改性材料的特点，优势互补，进一步改善砂浆的性能。
3.4消泡剂和稳定剂
在聚合物水泥砂浆中，水泥浆体中的钙离子或铝离子等多价阳离子和砂浆搅拌时产生的剪切力会导致破乳和凝结，因此需要选择合适的乳化剂和稳定剂。乳液中的表面活性剂导致砂浆气泡增多，影响性能。因此，需要添加合适的消泡剂来抑制表面活性剂引起的泡沫。
3.5沙子
一般用河砂，含泥量不能太高。
4聚合物改性水泥砂浆的性能
众所周知，水泥基材料的一个明显缺点就是脆性大。说明抗拉强度远低于抗压强度，抗裂性差。强度越高，脆性越大。这是因为水泥基材料属于硅酸盐物质，其基本单元是硅氧四面体。硅通过共价键与氧相连，钙、铝等金属离子通过离子键与硅结合。因为共价键和离子键断裂时几乎没有变形，所以表现出很大的脆性。聚合物作为一种有机高分子，由于其分子结构长，大分子中链段的自转，所以具有弹性和塑性。
4.1新拌砂浆性能
4.1.1流动性
因为聚合物具有建筑水的作用，所以大多数聚合物可以改善砂浆的流动性。
4.1.2保水率
新拌砂浆的保水率是影响砂浆硬化及硬化后固体性能的重要因素。保水性好的砂浆有利于砂浆的运输、停放和摊铺，具有重要的工程意义。添加聚合物可以有效提高新拌砂浆的保水性能，聚合物的添加不仅可以防止砂浆离析，还可以防止砂浆养护前期水分的过度流失，有利于水泥的水化。虽然聚合物水泥砂浆的凝结时间会延长。
4.2硬化聚合物砂浆的机械性能
抗压强度+0
目前大多数研究认为聚合物改性砂浆的抗压强度低于普通砂浆。这是因为砂浆体系中聚合物硬化成膜后的弹性模量低于水泥石和骨料，聚合物的富集也会降低抗压强度，以及聚合物的活性，在拌砂浆时会产生大量气泡，从而降低砂浆的抗压强度。但也有另一种观点认为，聚合物改性砂浆的抗压强度高于普通砂浆，因为聚合物具有减水作用，可以减少砂浆的用水量，从而提高砂浆的抗压强度。然而，这两种对立的观点有不同的前提。第一种视图中的砂浆是在配制时保持砂浆的水灰比不变，第二种视图中的砂浆是在配制时保持砂浆的流动性不变。之所以会有这样的对立观点，可能是砂浆单位体积中水和聚合物的相对含量。我们知道聚合物砂浆中水泥的水化和聚合物的成膜是矛盾的。水泥的水化需要水，而聚合物的成膜需要失水。在砂浆中，聚合物可以减少水，这将增加砂浆的强度。但由于上述聚合物降低抗压强度的因素，要调整砂浆单位体积中水和聚合物的相对含量，使其既能很好的水化，又能形成良好的成膜(所谓良好的成膜就是在砂浆中形成一致的、均匀的无缺陷、无富集的膜网络结构，如上图(1)。这样，如果砂浆水灰比保持不变，聚合物的减水作用无法发挥，但如果砂浆流动性保持不变，聚合物可以发挥其减水作用，尽可能调整单位体积中水与聚合物的相对含量，达到良好的成膜效果，最大限度地减少不利因素，从而提高砂浆的抗压强度。
4.2.2拉伸强度和弯曲强度
如上所述，在砂浆中加入聚合物可以改善材料的脆性。除了有机聚合物的特性外，还能改善砂浆的内部界面结构，减少骨料中的微裂缝。另外，由于聚合物膜弹性模量小，变形大，可以缓冲应力作用下裂缝的应力集中，从而提高砂浆的抗拉和抗折强度。
粘合强度
复合材料之间的界面结合大致可以分为以下五类:(1)吸附和润湿(2)相互扩散(3)静电吸引(4)化学键合(5)机械粘附。聚合物改性砂浆的粘结强度可分为砂浆修补材料时砂浆内部与新旧界面之间的粘结强度。砂浆的内部粘结性能之前已经介绍过，即界面处的机械粘结、物理吸引和化学粘结。正是由于这种作用，砂浆膏的粘结强度增加。当聚合物改性砂浆作为修补材料时，与普通砂浆相比，也表现出良好的粘结强度。之所以比普通砂浆具有更强的粘结强度，是因为聚合物砂浆可以在新旧砂浆的界面形成这样的界面结构，聚合物还可以扩散到旧砂浆的缝隙中形成薄膜，进一步增强粘结强度。
弹性模量
聚合物改性砂浆的弹性模量低于普通砂浆，因此聚合物砂浆比普通砂浆具有更大的变形能力。
耐用性
由于聚合物对砂浆的改性，提高了砂浆的耐久性。比如砂浆的抗渗性提高，吸水率降低，砂浆抵抗冻融循环的能力也有所提高。此外，砂浆的力学性能在长期暴露于野外后，不但没有降低，反而有所提高。
4.3影响聚合物改性砂浆性能的因素
4.3.1原材料
原材料中水泥品种选择余地小。聚合物的种类相对较多，不同的聚合物对砂浆的性能会有不同的影响。如氯盐乳液改性砂浆抗渗性强，丁苯乳液改性砂浆抗折强度高。因此，需要通过实验来确定聚合物的选择。
4.3.2配合比设计
在确定了材料的种类之后，材料之间的配比就显得尤为重要。从上面提到的改性机理可以看出，要想获得高质量的聚合物砂浆，形成均匀、无缺陷、无富集的均匀网状膜尤为重要，膜层不宜过厚。因此，水、水泥、砂和聚合物的组合非常重要。
固化条件
养护条件是水泥基材料的一个非常重要的因素。砂浆的材料和配比确定后，材料养护的方法很重要。聚合物改性砂浆水泥的水化和聚合物成膜是矛盾的，必须选择合适的养护条件，才能协调二者的发展，使砂浆中的各组分相辅相成，共同成长。目前有多种固化方法。国外常用的养护方法是，砂浆试件取出后，在20℃、80%相对湿度下养护2天，然后在20℃水中养护5天，再在20℃、50%相对干燥环境下养护21天。国内没有定型的养护方法，但有研究表明，乳液用量越小，试件需要在水中养护的时间越长；乳液量越大，试样在水中的固化时间越短；当乳液含量达到一定值时，不需要在水中养护，只需在空气中晾干即可。
5聚合物水泥砂浆的应用
5.1混凝土修补材料
聚合物水泥砂浆(修补砂浆)已广泛用于混凝土结构的加固。选择聚合物改性砂浆作为混凝土结构修补材料的主要原因如下。
(1)聚合物水泥砂浆具有良好的附着力和耐水性；
(2)聚合物水泥砂浆不需要湿养护，尽管在前两天保持湿润会更好:
(3)聚合物水泥砂浆的收缩与普通混凝土相同或略低。
(4)聚合物水泥砂浆的抗折强度、抗拉强度、耐磨性和抗冲击性能高于普通混凝土；弹性模量较低；
(5)聚合物水泥砂浆的抗冻融性能较好。
5.2防水材料
聚合物水泥砂浆既可用作刚性防水材料，也可用作柔性防水材料。聚合物水泥砂浆作为柔性排水材料时，主要以防水涂料的形式使用。
5.3粘合剂
聚合物水泥砂浆具有良好的粘结能力和良好的协调性，可作为一种良好的胶粘剂，如瓷砖粘结剂和界面处理剂。
5.4腐蚀保护
聚合物水泥砂浆具有比普通混凝土好得多的抗渗性和耐介质性，可以阻止介质的渗透，从而提高砂浆结构的抗腐蚀性。因此在很多防腐场合得到了应用，主要包括防腐地面(如化工厂地面、化学实验室地面等。)、钢筋混凝土结构防腐涂料、温泉浴池、污水管道等。
5.5其他
聚合物水泥砂浆还可用于表面装饰和保护、路面材料、道路铺装等。