甘 怡

(第三軍醫(yī)大學(xué)校務(wù)部營(yíng)房處，重慶 400038)

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聚灰比對(duì)聚合物混凝土固化機(jī)理的影響分析

甘 怡

(第三軍醫(yī)大學(xué)校務(wù)部營(yíng)房處，重慶 400038)

在研究現(xiàn)有聚合物混凝土固化模型的基礎(chǔ)上，探討了不同聚灰比條件下聚合物混凝土的固化機(jī)理，并結(jié)合已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從微觀結(jié)構(gòu)分析了聚灰比對(duì)聚合物力學(xué)性能的影響，得出了一些有價(jià)值的結(jié)論。

聚合物，混凝土，固化機(jī)理，力學(xué)性能

0 引言

聚合物混凝土作為良好的修補(bǔ)材料在機(jī)場(chǎng)道面中得到了廣泛的應(yīng)用，但其固化機(jī)理仍存在較大爭(zhēng)議，當(dāng)前比較著名的固化機(jī)理模型有Ohama單空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)模型[1]和Konietzko雙空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)模型[2]。本文在現(xiàn)有聚合物混凝土固化模型的研究基礎(chǔ)上，探討了不同聚灰比條件下聚合物混凝土的固化機(jī)理，并結(jié)合已有實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從微觀結(jié)構(gòu)分析了聚灰比對(duì)聚合物力學(xué)性能的影響。

1 現(xiàn)有聚合物混凝土固化機(jī)理

在聚合物混凝土固化機(jī)理方面，國(guó)外學(xué)者做了較多研究[3-5]。特別是在聚合物與水泥共同作用方面初步形成了一些理論模型，部分已被后來(lái)的試驗(yàn)所證實(shí)。目前較為著名的Ohama單空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)模型，主張僅聚合物構(gòu)成空間網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造，水泥硬化產(chǎn)物被包裹在聚合物網(wǎng)絡(luò)中；Konietzko雙空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)模型，主張聚合物和水泥硬化產(chǎn)物都構(gòu)成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且兩種結(jié)構(gòu)彼此交錯(cuò)構(gòu)成互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

1)Ohama單空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)模型。

Ohama模型將聚合物改性水泥基復(fù)合材料膠凝體系固化過(guò)程分為三個(gè)階段：

第一階段：聚合物改性水泥加水?dāng)嚢韬?，聚合物顆粒會(huì)均勻分散在水泥漿體中，形成聚合物水泥混合漿體。隨著水泥的水化，水化硅酸鈣凝膠、氫氧化鈣晶體逐漸形成，此時(shí)聚合物顆粒不斷連接在一起，附著在水泥水化產(chǎn)物表面。

第二階段：水泥水化過(guò)程中，混合漿體中的水不斷減少，水泥水化產(chǎn)物慢慢結(jié)合在一起，聚合物逐漸被限制在水泥水化產(chǎn)物的孔隙中。隨著孔隙中的水量不斷減少，聚合物顆?；ハ噙B接并融合在一起，在水泥水化產(chǎn)物的表面形成聚合物密封膜層，同時(shí)水泥水化產(chǎn)物形成的較大孔隙被聚合物逐步填充。

第三階段：隨著水泥水化程度的不斷加深，存在于聚合物顆粒之間的水分也逐漸被水泥水化而吸收，聚合物顆粒之間完全連接融合成為整體，形成聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將水泥水化產(chǎn)物包裹聯(lián)接在一起，從而改善了水泥硬化后的微觀結(jié)構(gòu)。

2)Konietzko雙空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)模型。

Konietzko研究發(fā)現(xiàn)聚合物水泥硬化后，聚合物并非全部結(jié)合形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，部分聚合物顆粒孤立成堆，僅起到填充孔隙的作用，這表明Ohama模型不能完全描述聚合物改性水泥基復(fù)合材料的硬化過(guò)程。對(duì)此他在Ohama模型的基礎(chǔ)上，提出了雙空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)模型。該模型與Ohama模型的基本認(rèn)識(shí)是相同的，主要區(qū)別在于Konietzko認(rèn)為不僅聚合物在混合漿體硬化過(guò)程中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，同時(shí)水泥的水化產(chǎn)物也在混合漿體硬化過(guò)程中形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，且二者相互糾纏在一起形成整體，從而使其兼具無(wú)機(jī)水硬性材料與高分子聚合物材料的性能。

2 聚灰比對(duì)聚合物混凝土固化機(jī)理的影響

聚合物水泥復(fù)合體的力學(xué)強(qiáng)度(如抗拉、抗折、抗壓)與其微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。如前文所述當(dāng)前最為著名Ohama單空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)模型和Konietzko雙空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)模型，聚合物水泥中聚合物相和無(wú)機(jī)相的具體結(jié)構(gòu)形態(tài)與二者之間的比例，即聚灰比密切相關(guān)。根據(jù)聚灰比的不同，可以將聚合物水泥體系的微觀結(jié)構(gòu)分為三大類(lèi)：

第一類(lèi)微觀結(jié)構(gòu)：當(dāng)聚灰比較小時(shí)，其形態(tài)表現(xiàn)為水泥水化物膠結(jié)在一起，形成水化物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖1a)所示。在這種微觀結(jié)構(gòu)中，無(wú)機(jī)相的水化產(chǎn)物構(gòu)筑起剛性的結(jié)晶—凝膠空間骨架，形成了可為復(fù)合材料提供極好的抗壓強(qiáng)度，保證一定的抗折和抗壓強(qiáng)度的連續(xù)相。聚合物被包裹在水化物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)之間，起到填充了部分無(wú)機(jī)相的結(jié)構(gòu)缺陷。因此復(fù)合材料的抗折和抗拉強(qiáng)度可得到適當(dāng)?shù)奶岣撸瑫r(shí)賦予了復(fù)合材料優(yōu)異的粘結(jié)性、抗?jié)B性和耐久性。這種聚合物水泥適用于道面修補(bǔ)、混凝土防護(hù)等工程。

第二類(lèi)微觀結(jié)構(gòu)：當(dāng)聚灰比較大時(shí)，其形態(tài)表現(xiàn)為聚合物顆粒之間完全連接融合為整體，形成聚合物網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖1b)所示，即Ohama單空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)模型。這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)將水泥水化產(chǎn)物包裹聯(lián)接在一起，增加無(wú)機(jī)相之間的粘結(jié)能力，使復(fù)合材料在具有一定抗拉、抗壓強(qiáng)度的同時(shí)，具有更好的韌性和彈性。這種材料適用于粘結(jié)及界面處理、地面防水層等工程。

第三類(lèi)微觀結(jié)構(gòu)：當(dāng)聚灰比適中時(shí)，其形態(tài)表現(xiàn)為聚合物和水泥的水化產(chǎn)物在混合漿體硬化過(guò)程中各自形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，即Konietzko雙空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)模型。這兩項(xiàng)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相互糾纏在一起形成整體的微觀結(jié)構(gòu)，能使聚合物水泥兼具無(wú)機(jī)水硬性材料與高分子聚合物材料的性能。這種材料適用于工業(yè)地坪、道面修補(bǔ)等工程。

3 現(xiàn)有試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

為得到聚灰比對(duì)聚合物水泥性能的影響規(guī)律，在指定無(wú)機(jī)水硬性材料和聚合物膠乳的基礎(chǔ)上，吳明[6]選取了四種聚灰比進(jìn)行28 d抗壓、抗折強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)，以期得到適用于道面修補(bǔ)的聚合物最佳摻量。圖2和圖3給出了不同聚灰比時(shí)聚合物水泥混凝土的28 d抗壓、抗折強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果。

從圖2結(jié)果可以看出，在給定的聚灰比變化范圍內(nèi)，聚合物水泥的抗壓強(qiáng)度隨聚灰比的增加而先增大后減小。在聚灰比3時(shí)，抗壓強(qiáng)度最大達(dá)到49.2 MPa，分別比聚灰比1、聚灰比2和聚灰比4時(shí)的抗壓強(qiáng)度增加了62.9%，40.2%和13.1%。結(jié)合聚合物微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)分類(lèi)，當(dāng)聚灰比較小時(shí)，無(wú)機(jī)相含量較大，復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度與無(wú)機(jī)相相似。隨著聚灰比的增加，聚合物逐漸填充了部分無(wú)機(jī)相的結(jié)構(gòu)缺陷，復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度也隨之增加。當(dāng)聚灰比繼續(xù)增加，聚合物逐漸增多，聚合物不僅填滿(mǎn)了無(wú)機(jī)相的結(jié)構(gòu)缺陷，而且也形成了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)并與無(wú)機(jī)相形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相互纏繞在一起，此時(shí)抗壓強(qiáng)度已達(dá)到最大值。當(dāng)聚灰比達(dá)到一定值后，由于無(wú)機(jī)相含量過(guò)小，其水化產(chǎn)物已不能形成完整的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并逐漸被聚合物形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分割成多個(gè)部分，此時(shí)由于聚合物的抗壓強(qiáng)度低于無(wú)機(jī)水化物的抗壓強(qiáng)度，導(dǎo)致復(fù)合材料的抗壓強(qiáng)度也逐漸降低。

由圖2結(jié)果可以看出，在給定的聚灰比變化范圍內(nèi)，聚合物水泥的抗折強(qiáng)度隨聚灰比的增加而逐漸增大。這是由于水泥等無(wú)機(jī)水硬性材料的抗折強(qiáng)度較低，在摻入聚合物后，聚合物增加了無(wú)機(jī)相水化產(chǎn)物間的粘結(jié)力，因而復(fù)合材料的抗折強(qiáng)度隨聚灰比的增加而逐漸增加。

4 結(jié)語(yǔ)

聚灰比對(duì)聚合物混凝土的固化機(jī)理有著重要影響，根據(jù)聚合物的多少，可將聚合物混凝土的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)分為三種。聚灰比由小到大，聚合物混凝土的微觀形態(tài)依次表現(xiàn)為以水泥水化產(chǎn)物為主導(dǎo)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、以水泥水化產(chǎn)物與聚合物相互纏繞在一起的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、以聚合物為主導(dǎo)的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。不同的微觀結(jié)構(gòu)決定了聚合物混凝土的力學(xué)性能，隨著聚灰比的增大，聚合物混凝土的抗折強(qiáng)度逐漸增大，而抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

[1] Ohama Y.Polymer-based admixtures[J].Cement and Concrete Coposities,1998(20):189-212.

[2] Konietako A.Polymerspezifische Auswerkungen auf das Tragverhalten modifizierter zementgebundenen Beton (PCC) [M].Braunschweig,1998.

[3] 任秀全.聚合物改性水泥基復(fù)合材料及其在建筑中的應(yīng)用[D].天津:天津大學(xué)碩士學(xué)位論文,2007.

[4] 何 凡.聚合物改性水泥基修補(bǔ)材料研究[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué)碩士學(xué)位論文,2011.

[5] 王 歌.聚合物水泥復(fù)合材料的研制及應(yīng)用研究[D].長(zhǎng)沙:長(zhǎng)沙理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012.

[6] 吳 明.聚合物水泥防水砂漿的應(yīng)用與發(fā)展[A].第二屆中國(guó)防水技術(shù)與市場(chǎng)研討會(huì)論文集[C].2002.

Analysis on the impact of polymer-to-cement ratio upon polymer concrete solidification

Gan Yi

(Office of Barracks, Department of Administrative Affairs, Third Military Medical University, Chongqing 400038, China)

Based on the research of the current solidification model of polymer concrete, this paper discusses the solidification mechanism of polymer concrete in different polymer cement ratio. Combined with the existing experimental results, ash ratio on the mechanical properties of the polymer is analyzed from the aspect of microstructure. It finally draws some valuable conclusions.

polymer, concrete, curing mechanism, mechanical properties

1009-6825(2017)08-0120-02

2017-01-04

甘 怡(1983- )，男，工程師

TU528

A