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混凝土聚合物復(fù)合材料 

      摘要:我國混凝土聚合物復(fù)合材料的研究起步較晚,但發(fā)展迅猛,已廣泛應(yīng)用于各種工程之中。目前研究主要表現(xiàn)在廢物的利用、多種方式復(fù)合改性、節(jié)能和環(huán)境友好聚合物改性復(fù)合材料、功能性聚合物改性混凝土材料等方面,在其發(fā)展中還存在使用壽命、生產(chǎn)成本、標(biāo)準(zhǔn)化工作、施工拌和等問題。 
      混凝土聚合物復(fù)合材料是利用水泥混凝土的制造方法和施工技術(shù)與高分子材料有效結(jié)合而產(chǎn)生的一種新型材料。用于水泥混凝土改性的聚合物種類很多,對水泥混凝土進(jìn)行改性的具體工藝也多種多樣,最終獲得的改性水泥混凝土主要有三種:(1)聚合物混凝土或樹脂混凝土(PC);(2)聚合物浸漬混凝土(PIC);(3)聚合物改性水泥混凝土(PMC)。混凝土聚合物復(fù)合材料具有優(yōu)良的工程性能,有著良好的應(yīng)用前景。本文對我國混凝土聚合物復(fù)合材料的一些情況進(jìn)行介紹,對其開發(fā)應(yīng)用前景進(jìn)行了展望,同時提出了該領(lǐng)域中需要解決的問題。
      1我國混凝土聚合物復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀
      1.1聚合物混凝土(PC) 
      聚合物混凝土(或樹脂混凝土)是全部以聚合物代替水泥做膠結(jié)材料,與骨料結(jié)合而成的聚合物混凝土復(fù)合材料。聚合物混凝土的研究于1950年開始,發(fā)展較快的國家有日本、德國和前蘇聯(lián),各國所用的樹脂不盡相同。目前最常用的膠結(jié)材料有環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、脲醛樹脂以及苯乙烯單體等。我國用于樹脂混凝土中的樹脂多以環(huán)氧樹脂和不飽和聚酯為主。 
      20世紀(jì)60年代我國開始使用樹脂混凝土及樹脂砂漿,用的比較多的是作為普通混凝土的修補(bǔ)材料,特別是將PC用作結(jié)構(gòu)材料,在國際上仍是一個較新的領(lǐng)域。到了80年代,樹脂混凝土已經(jīng)成為主要的、占優(yōu)勢的材料,做預(yù)制構(gòu)件是一項主要的應(yīng)用。我國于80年代末開始與國際同步研制PC軌枕,來替代普通水泥混凝土軌枕,經(jīng)過試驗,產(chǎn)品性能優(yōu)良;90年代研制出了PC井蓋和PC雨水口箅子,獲得了國家專利,同時開展了PC絕緣子的研究工作。還有單位采用粉煤灰漂珠代替砂石骨料制成聚合物樹脂混凝土,具有自重小、隔熱、吸聲、防火等優(yōu)點,漂珠的主要成分為二氧化硅和三氧化二鋁。最近十幾年,樹脂混凝土在我國發(fā)展迅猛,新的環(huán)氧樹脂和固化劑不斷被開發(fā)研制出來,而且其他類型的高分子材料的研究工作也如雨后春筍般發(fā)展起來,各種各樣的PC制品不斷出現(xiàn),應(yīng)用于各行各業(yè)。

      1.2聚合物浸漬混凝土(PIC) 
      聚合物浸漬混凝土是一種用有機(jī)單體浸漬混凝土表層的孔隙并經(jīng)過聚合處理而成一整體的有機(jī)—無機(jī)復(fù)合的新型材料。1965年美國率先對聚合物浸漬混凝土進(jìn)行探索性試驗,于1966年研制成功。我國從1973年開始研究聚合物浸漬混凝土,但是由于對混凝土物件進(jìn)行完全浸漬的工藝比較復(fù)雜,又存在單體再利用問題,及造價太高和制件尺寸受浸漬容器限制等原因,使該完全浸漬工藝在我國的應(yīng)用十分有限。 
      相比之下,表面浸漬工藝比較簡單,成本低、能耗少,無剩余單體的回收問題。同時,混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)表面浸漬后,其表面強(qiáng)度、硬度、抗?jié)B性、抗凍性、耐蝕性等都有顯著改善,具有較大的應(yīng)用前景。 
      20世紀(jì)80年代蘇州混凝土水泥制品研究院研制成功“負(fù)壓常溫聚合物浸漬工藝”,其采用柔性負(fù)壓浸漬腔代替浸漬容器或圍堰裝置常溫聚合工藝,無剩余單體的問題,特別是克服了對豎立表面浸漬的困難。他們曾用此工藝處理了鋼筋混凝土貯器以及對地下室滲漏部位進(jìn)行浸漬,效果顯著。負(fù)壓工藝可望在制造耐酸池槽、地坪、管道以及大型海水淡化設(shè)備,提高海洋構(gòu)筑物、橋面、路面耐久性等方面得到應(yīng)用。自80年代以來,我國對聚合物浸漬混凝土做了較多的研究,主要是提高混凝土的表面抗沖刷性、耐磨性以及破損混凝土結(jié)構(gòu)的修復(fù)方面。近年來用聚合物作為涂層或封閉劑用于混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)和提高其抗?jié)B性、耐久性的研究不少。使用有機(jī)硅聚合物凝膠浸漬混凝土,聚合物的滲入深度可達(dá)7 mm甚至更大,對混凝土的保護(hù)效果非常好,而且施工簡便,是最近幾年才發(fā)展起來的新技術(shù)。
      1.3聚合物改性水泥混凝土(PMC) 
      將聚合物乳液摻入新拌混凝土中,可以使混凝土的性能得到明顯的改善,這類材料稱之為聚合物改性混凝土。聚合物乳液改性水泥材料的研究始于20世紀(jì)20年代,Creson于1923年第一個獲得這方面的專利,這個英國專利是關(guān)于水泥填充天然橡膠膠乳用作鋪路材料的。我國從60年代初開始研究應(yīng)用聚合物水泥混凝土,但由于聚合物生產(chǎn)成本較高,產(chǎn)品質(zhì)量不能完全滿足要求,因而研究處于低谷。 
      隨著我國化學(xué)工業(yè)不斷發(fā)展,從80年代開始,對這一領(lǐng)域的研究頗多,不僅對各種聚合物改性的效果進(jìn)行較深入的研究,而且對改性機(jī)理,聚合物與水泥、水泥水化產(chǎn)物之間的作用機(jī)理等從理論上進(jìn)行了較深入的研究。特別是對丙烯酸酯共聚乳液水泥砂漿的性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,作為一種新型修補(bǔ)、防滲、防腐、防凍材料,被成功地應(yīng)用在許多工程中,填補(bǔ)了國內(nèi)的空白,并取得巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益,該項成果曾榮獲1988年國家科技進(jìn)步獎,這也是我國第一個獲此獎項的聚合物水泥砂漿。 
      20世紀(jì)90年代國內(nèi)已有專供聚合物水泥混凝土使用的商品化聚合物膠乳供應(yīng),例如,蘇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,是采用合成膠乳及各種化學(xué)助劑配制而成的有機(jī)高分子乳液,用于水泥混凝土結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)或其他場合,具有使用簡單、經(jīng)濟(jì)、可靠的特點;又如南京永豐化工廠生產(chǎn)的專供配制聚合物水泥混凝土砂漿使用的聚丙烯酸乳液,其粘結(jié)性好、防水、耐氯離子滲透、抗凍融、抗碳化老化。國內(nèi)還有一些單位針對MDF材料的水敏性、后期強(qiáng)度降低、干縮等問題作了改性研究,通過加入改性劑及穩(wěn)定劑使MDF的干縮控制在0.03%～0.3%,改性MDF 材料已被制成計算機(jī)房抗靜電活動地板。 
      90年代初我國開始研制聚合物改性水泥砂漿防水涂料,1995年通過了建設(shè)部技術(shù)鑒定,并且于2001年制定了JC/T894-2001聚合物水泥防水涂料技術(shù)指標(biāo)。最近研制的新一代PMC彈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、彈性大、改性效率高等優(yōu)點。
      2混凝土聚合物復(fù)合材料的優(yōu)點及其應(yīng)用
      2.1聚合物混凝土(PC) 
      樹脂混凝土不僅有良好的機(jī)械性能,而且具有漂亮的外觀,是一種多用的材料。由于其性能卓越,至今仍是各種工程結(jié)構(gòu)的重要修補(bǔ)材料;由于其優(yōu)良的耐腐蝕性和耐化學(xué)性,被廣泛用來建筑污水凈化槽、水渠、井蓋等;由于其強(qiáng)度高、密度相對較小,對于許多建筑結(jié)構(gòu)來說,采用樹脂混凝土可使其重量減少到傳統(tǒng)水泥混凝土的1/3;又由于其重量輕、外觀漂亮而且衛(wèi) 生,被廣泛制作成各種裝飾構(gòu)件,如窗臺、地磚、人造大理石、浴缸等;由于其優(yōu)良的阻尼性能,還應(yīng)用于機(jī)床的臺座及機(jī)架。此外,樹脂混凝土還是很好的絕緣材料,可以用于電力工程。
      2.2聚合物浸漬混凝土(PIC) 
      PIC是一種具有高強(qiáng)、抗?jié)B、耐化學(xué)腐蝕、耐凍融、耐磨蝕等優(yōu)良性能的無機(jī)-有機(jī)復(fù)合材料,我國首次在葛洲壩電站工程中試用聚合物浸漬混凝土,此后被用于化工地坪、輸氣管道、建筑板材、鐵路軌枕、防爆物件等工程,取得了較好效果。 
      一般說,混凝土的浸漬須在真空條件以及加壓條件下進(jìn)行比較有效,所以PIC生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜,成本很高,用途僅限于那些對強(qiáng)度和耐久性有特別要求的結(jié)構(gòu)物,至今尚無很好的商業(yè)化的應(yīng)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,水泥基材料的諸多性能如強(qiáng)度、變形能力、粘結(jié)性能、防水性能以及耐久性等都會有所改善。目前,聚合物水泥混凝土在國內(nèi)是以聚合物改性水泥砂漿的形式用于結(jié)構(gòu)修補(bǔ)、粘合劑、防水材料、耐蝕防護(hù)材料為主,同時在鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)、水工建筑耐水層、高速公路路面等工程也得到了成功的應(yīng)用。但很少用聚合物改性水泥混凝土作為建筑材料,因為與PC和PIC材料相比,聚合物改性水泥砂漿或聚合物改性水泥混凝土的強(qiáng)度提高不明顯,而與普通混凝土相比,PMC材料的成本較高,因此,除了某些特殊使用場合,如隔振、抗沖擊結(jié)構(gòu)以外,還沒有采用PMC材料作大體積的結(jié)構(gòu)材料。
      3混凝土聚合物復(fù)合材料的發(fā)展展望 
      隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,人們對混凝土聚合物復(fù)合材料的要求越來越高。日本、美國、德國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家對混凝土聚合物復(fù)合材料做了大量的研究工作,在新型混凝土聚合物復(fù)合材料的研制中,都確定了自己新的研究方向,使其具有更優(yōu)良的動力學(xué)性能、良好的阻尼性能等。聚合物改性水泥復(fù)合材料的發(fā)展最大,目前研究主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
      3.1廢物的利用 
      例如把聚合物固體廢料用于砂漿的改性;用廢橡膠粉末用作聚合物砂漿和混凝土的填充材料;將回收的聚酯瓶子裂解后重新制成不飽和聚酯,用于水泥砂漿和混凝土的改性等。

      3.2多種方式復(fù)合改性 
      例如多種聚合物復(fù)合,包括乳液共混、水溶性聚合物共混、乳液與水溶性聚合物復(fù)合改性、乳液與超細(xì)礦物粉末摻合料、水玻璃復(fù)合材料、聚合物纖維等各種復(fù)合材料共同改性等。
      3.3節(jié)能和環(huán)境友好聚合物改性復(fù)合材料 
      例如冷混合瀝青混凝土,用于道路工程;聚合物改性砂漿用作鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的永久模板,則可以更好地防止氯離子滲透和更好地抗碳化作用,從而提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。
      3.4功能性聚合物改性混凝土材料 
      例如,具有自修復(fù)功能的環(huán)氧樹脂改性砂漿,產(chǎn)生裂縫的環(huán)氧樹脂改性砂漿經(jīng)過一段時間后強(qiáng)度重新恢復(fù);智能混凝土結(jié)構(gòu)材料,利用碳纖維和聚合物改性混凝土,使其具備感應(yīng)多種信號的能力,可以在智能建筑的多項自動控制和監(jiān)視方面獲得應(yīng)用。我國混凝土聚合物復(fù)合材料的研究與世界發(fā)達(dá)國家相比,起步較晚,但發(fā)展迅猛,如今混凝土聚合物復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于各種工程之中。被譽(yù)為近期混凝土技術(shù)新進(jìn)展的纖維增強(qiáng)聚合物混凝土在我國也得到了迅速發(fā)展,測試使用各種纖維作為增強(qiáng)材料,以找出聚合物混凝土的最佳增強(qiáng)材料是今后的一個重要研究課題。除此之外,還有防老化、延長使用壽命等也將是主要的研究方向之一。
      4混凝土聚合物復(fù)合材料發(fā)展中存在的問題
      4.1使用壽命 
      采用混凝土聚合物復(fù)合材料施工,還屬于探索階段,其壽命只是推斷的結(jié)果,而沒有充分的性能保證數(shù)據(jù),對其長期使用效果也需要進(jìn)行觀察和加以總結(jié)。
      4.2生產(chǎn)成本 
      由于混凝土聚合物復(fù)合材料的生產(chǎn)成本高,從而導(dǎo)致它的價格是普通混凝土價格的幾倍,因此降低生產(chǎn)成本并保證其力學(xué)性能將是一棘手的問題。
      4.3標(biāo)準(zhǔn)化工作 
      美國、日本以及歐洲在混凝土聚合物復(fù)合材料的標(biāo)準(zhǔn)化工作方面比較領(lǐng)先,各國都已制定出混凝土聚合物復(fù)合材料的多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和試驗規(guī)程。我國近年來也開始制定一些聚合物改性砂漿和混凝土復(fù)合材料的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,例如建筑材料行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JC/T894-2001聚合物水泥防水涂料技術(shù)指標(biāo);電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T5126-2001聚合物改性砂漿試驗規(guī)程等。隨著混凝土聚合物復(fù)合材料不斷發(fā)展和廣泛應(yīng)用,做好混凝土聚合物復(fù)合材料的標(biāo)準(zhǔn)化工作刻不容緩。
      4.4施工拌和 
      由于混凝土聚合物復(fù)合材料的粘度大以及固化特性,為防止混合不均,需要攪拌力強(qiáng)的攪拌機(jī)拌和。聚合物乳液在水泥砂漿中分布不勻正是造成聚合物乳液砂漿工程應(yīng)用較難達(dá)到理論要求的重要原因之一。其次,作為混凝土聚合物復(fù)合材料用的骨料要求含水率極小,這樣對于現(xiàn)場施工存在一定的困難。