陳大華+袁世剛+高盼+張敏

摘要：基于聚合物砂漿在建筑及路面施工中廣闊的應用前景，系統(tǒng)介紹了聚合物砂漿的發(fā)展過程及分類，綜合分析了改性砂漿的性質(zhì)和應用，研究了聚合物砂漿的改性機理，并對目前聚合物砂漿存在的問題和未來的研究方向進行了探討。最后指出，綠色環(huán)保型、復合型等功能性聚合物砂漿是未來的發(fā)展及研究方向。

關(guān)鍵詞：聚合物砂漿；彈性模量；力學性能；改性機理

中圖分類號：U414.1文獻標志碼：B

Abstract： Based on the prospect of polymer modified mortar being widely used in construction and road building， the development and classification of it were introduced. The properties and application of polymer modified mortar were comprehensively analyzed. The mechanism for the modification was studied， and the problems that polymer modified mortar is currently facing and its future were discussed. It was pointed out that the environmentallyfriendly compound polymer modified mortar should be the development trend.

Key words： polymer modified mortar； resilient modulus； mechanical property； modification mechanism

0引言

水泥砂漿價格低廉、應用廣泛，被認為是最有經(jīng)濟實用價值的材料，但在許多實際情況中，水泥砂漿的耐久性和滲透性缺陷限制了其應用范圍。當其應用于橋面、路面和海邊防護構(gòu)件時，水分、氧氣、氯化物和除冰鹽通過砂漿內(nèi)部孔道滲透至鋼筋表面，使鋼筋受到嚴重腐蝕，從而對這些基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生破壞。為了克服普通水泥砂漿存在的不足，國內(nèi)外學者對大量的水泥基復合材料進行了研究，發(fā)現(xiàn)聚合物砂漿作為一種有機無機復合材料，具備良好的工作性能、力學性能和耐腐蝕性能，使其在現(xiàn)代建筑以及路面施工中的應用日益廣泛。

聚合物砂漿主要是一些聚合物乳液、聚合物纖維和聚合物干粉等有機高分子制品，與砂漿通過不同方式拌和而成的復合材料，這些聚合物在拌和時可以改善砂漿的和易性，降低水灰比，同時聚合物顆粒密封在砂漿的孔隙和裂縫中，對砂漿的強度和耐久性都有極大的幫助。此外，由于聚合物具有優(yōu)異的附著性，可以加強砂漿各組分之間以及砂漿與待修補基體間的粘結(jié)力，使得改性砂漿能夠作為惡劣環(huán)境下的修補材料。相比普通砂漿，聚合物砂漿還具有質(zhì)量輕和多孔的性質(zhì)，有望在將來發(fā)展成為控溫、隔熱等功能性材料；而且作為基礎(chǔ)建設(shè)材料，它不僅可以節(jié)省自然資源、延長基礎(chǔ)設(shè)施壽命、保護環(huán)境，還對建筑、道路等行業(yè)材料的發(fā)展具有特殊指導意義。

1聚合物砂漿的發(fā)展與分類

1.1聚合物砂漿的發(fā)展

聚合物砂漿的研究最早可追溯至20世紀初期，法國泥瓦匠將動物血摻入普通砂漿中，發(fā)現(xiàn)該砂漿具有優(yōu)異的防水功效。1923年，英國克萊森（Cresson）在普通水泥砂漿中加入了天然橡膠乳液，對路面材料進行改性，并首次申請了天然橡膠改性砂漿的專利。1924年，萊夫布爾（Lefebure）對天然橡膠乳液改性砂漿做了進一步研究，第一次提出聚合物改性水泥砂漿的概念，并申請了專利。1932年，邦德（Band）采用人造橡膠對水泥砂漿進行了改性[2]，首次申請了合成橡膠改性砂漿的專利。20世紀40年代，對于合成聚合物乳液改性砂漿的研究不斷深入，尤其是橡膠改性水泥砂漿由于良好的耐腐蝕性和粘結(jié)強度首次被用于船舶路面的面板涂層；50年代，基于聚合物砂漿改性研究的不斷發(fā)展，研究人員開始嘗試將性能優(yōu)異的部分改性砂漿應用于實際工程中；60～70年代，科研人員在前期聚合物乳液改性砂漿的試驗基礎(chǔ)上，研究了聚合物單體、樹脂、粉末等不同形態(tài)的聚合物對水泥砂漿性能的影響；現(xiàn)在，聚合物砂漿不僅廣泛應用于實際工程中，聚合物的改性機理、聚合物與水泥水化產(chǎn)物界面間的作用機理等也被研究人員作為重要課題進行了深入研究分析[14]。

近年來，聚合物砂漿因其優(yōu)良的使用性能被大量應用于化工、建筑、交通等各個行業(yè)。例如在建筑工程中的修補加固、防腐涂層和隔熱保溫等，以及交通工程中的防水補漏、裂縫修補等。

1.2聚合物砂漿的分類

根據(jù)聚合物種類及加入方式的不同，將聚合物砂漿分為聚合物浸漬砂漿（PIM）、聚合物砂漿（PM）和聚合物改性砂漿（PCM）三類[56]。聚合物浸漬砂漿具有良好的使用性能，但存在工藝操作復雜、成本相對較高的問題；由于聚合物占聚合物砂漿復合材料比例相對較大，使砂漿的成本明顯增大，因此不利于實際工程的應用；聚合物改性砂漿克服了上述缺點，成本較低、工藝簡單、性能優(yōu)良，成為應用最為廣泛的聚合物改性復合材料。

聚合物改性水泥砂漿是將聚合物作為膠凝材料加入到水泥砂漿中拌和得到的復合材料。聚合物乳液是聚合物砂漿的粘結(jié)材料，通常采用的聚合物包括熱固性樹脂乳液、熱塑性樹脂乳液、橡膠乳液、瀝青乳液和混合乳液等[7]。由于高分子聚合物本身性質(zhì)各有差異，應用于水泥砂漿中對砂漿的改性作用也各不相同。

2聚合物砂漿的性質(zhì)與應用

2.1聚合物砂漿的性質(zhì)

聚合物高分子材料因其彈性模量低、柔韌性好等特點，能夠賦予改性水泥砂漿優(yōu)良的使用性能。

通常聚合物砂漿具有良好的工作性能。由于聚合物有較強的引氣作用，使得聚合物砂漿在拌和過程中產(chǎn)生大量氣泡，起到滾珠作用，有效增大水泥砂漿的流動性，同時聚合物自身良好的分散性也有利于改善其流動性。在一定范圍內(nèi)，隨著聚合物用量的增加，砂漿流動性增大。此外，聚合物還具有一定的減水作用，有利于水泥的水化過程，即使是在干燥的環(huán)境中，聚合物砂漿仍能保持穩(wěn)定的強度增長[8]。在承受荷載時，由于復合材料良好的保水性，使得聚合物砂漿結(jié)構(gòu)中的毛細管水移動受到限制，砂漿的徐變性也得到改善。

由于高分子材料彈性模量遠低于砂漿，將其用于水泥砂漿改性，能夠降低復合材料的彈性模量，改善聚合物砂漿的柔韌性，并有效防止因干燥收縮產(chǎn)生裂縫。聚合物的良好柔韌性能夠在砂漿體系中起到橋接作用，有效防止裂縫產(chǎn)生，減少砂漿中相互連通的毛細孔結(jié)構(gòu)[910]。在一定范圍內(nèi)，隨著聚合物摻入量的增加，復合材料的脆性大大降低，解決了普通水泥砂漿因脆性過大而容易引發(fā)的斷裂問題。

聚合物砂漿具有良好的力學性能、粘結(jié)性能和耐磨性能。聚合物的加入可以改善水泥砂漿水化產(chǎn)物與集料粘結(jié)的過渡區(qū)，提高聚合物砂漿粘結(jié)強度；同時，界面區(qū)的改善也是提高復合材料力學性能的主要原因。在一定范圍內(nèi)，抗折強度隨聚合物用量的增大顯著提高；而抗壓強度隨聚合物用量的增大略有降低，這與聚合物自身的強度較低有關(guān)；聚合物砂漿的耐磨性能隨聚合物用量的增大而提高。

此外，聚合物改性砂漿還具有較好耐凍性、耐化學腐蝕性、耐水性和抗?jié)B性等優(yōu)點[11]。加入聚合物后，砂漿孔結(jié)構(gòu)得到改善，復合材料具有較好的致密性，相比普通砂漿，改性砂漿的耐油污性和耐候性明顯改善；但高分子材料的加入使得聚合物砂漿的耐有機溶劑性能受到影響。

2.2聚合物砂漿的應用

在1992年中國就有學者成功研制了抗?jié)B性和耐腐蝕性均較好的聚合物砂漿，并采用噴射的方法將其應用于水罐內(nèi)壁中。聚合物防腐砂漿與界面具有較強的粘結(jié)能力，適應性好、工藝簡單、使用方便[12]。

聚合物砂漿也被廣泛應用于地板、橋面、道路以及建筑材料的修補、加固工程中。普通水泥砂漿由于孔隙率較大，抗氯離子滲透、耐水、耐腐蝕性不足，容易產(chǎn)生損壞；而聚合物的加入能夠有效改善砂漿內(nèi)部孔結(jié)構(gòu)以及界面區(qū)結(jié)構(gòu)，使得有害孔隙減少，砂漿致密性好，有效防止因孔隙率較大而造成的水分及有害溶液滲入；同時聚合物砂漿的強度、粘結(jié)性能、防水性和耐腐蝕性等都得到改善。一些水庫建設(shè)及建筑工程使用聚合物砂漿進行結(jié)構(gòu)補強，不僅能夠提高強度和耐久性，還保證了運營及使用安全[13]。

建筑物防水、隔熱、保溫是目前建筑行業(yè)關(guān)注的重要問題，聚合物砂漿可以作為防水隔熱保溫材料，發(fā)揮其自重輕、強度高、耐化學腐蝕的特性。聚合物砂漿用于建筑工程中，具有很好的耐候性能，且工藝簡單，便于維修，使用壽命長[14]。如果將聚氨酯發(fā)泡作為防水保溫層與防水抗裂聚合物砂漿結(jié)合，形成新型的防水隔熱保溫復合面層，可使其性能更加優(yōu)異，使用壽命延長。

3聚合物砂漿的作用機理

聚合物砂漿結(jié)構(gòu)的形成過程十分復雜，包含了物理和化學2種作用方式，使得其改性原理較為繁雜。雖然關(guān)于聚合物砂漿改性機理的研究很多，但均處于探索階段，現(xiàn)階段主要是從2個方面對其改性機理進行研究：聚合物膠結(jié)作用的基本原理和聚合物與水泥相互作用機理[14]。

被普遍認可的2種聚合物膠結(jié)原理是吸附和擴散。吸附是指聚合物分子剛分散到砂漿中時，在范德華力、氫鍵和某些化學力作用下，與砂漿中的水泥顆粒和水化產(chǎn)物相互吸引靠近，產(chǎn)生一定的粘結(jié)力[15]。隨后，水泥水化產(chǎn)生陽離子（Ca2+，Mg2+，A13+），若聚合物中含有羥基（—OH）、羧基（—COOH）、碳碳雙鍵（C=C）、胺基（—N—）、醚基（—O—）等官能團，這些陽離子和官能團可視為具有電子提供能力的Lewis堿和Lewis酸，聚合物與水泥漿在酸堿結(jié)合作用下相互粘結(jié)[16]。擴散作用是指聚合物分子在熱運動、電性能及物理攪拌作用下，其柔韌性鏈狀結(jié)構(gòu)相互交織、擴散，達到膠粘[17]。

隨著聚合物水泥砂漿的推廣應用，許多學者從微觀結(jié)構(gòu)方面對不同種類的聚合物改性作用進行研究，發(fā)現(xiàn)不同的聚合物改性機理存在許多差異。在眾多學者研究的機理模型中，最著名的是日本教授大濱加嚴（Yoshihiko Ohama）的Ohama聚合物成網(wǎng)模型和Konietzko雙重網(wǎng)模型。

Ohama模型指出，形成聚合物砂漿結(jié)構(gòu)的過程需經(jīng)過3個階段。第1階段：在攪拌過程中聚合物顆粒均勻分散在水泥漿體中，伴隨著水泥水化的進行，水泥凝膠逐漸形成，體系中的Ca（OH）2也達到了飽和狀態(tài)，部分聚合物顆粒吸附在水泥凝膠與未水化的水泥顆粒表面。第2階段：隨著水化繼續(xù)進行，水分不斷減少，水泥凝膠出現(xiàn)孔隙結(jié)構(gòu)，部分聚合物逐漸填充于毛細孔隙中，隨著毛細孔中水分的減少，聚合物顆粒發(fā)生絮凝，在水泥水化凝膠產(chǎn)物及未水化水泥顆粒表面形成聚合物薄膜，并與骨料相粘結(jié)，而部分聚合物填充了水泥凝膠體系中的大孔隙。第3階段：隨著水化過程的推進，絮凝的聚合物顆粒最終形成連續(xù)的聚合物網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

Konietzko指出，Ohama模型并不適用于解釋所有的聚合物砂漿結(jié)構(gòu)。Konietzko模型分為4個階段，前3個階段與Ohama模型基本一致，第4階段為聚合物膜與水泥硬化漿體都形成空間連續(xù)的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，相互交織形成雙重網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)并將集料包裹在中間。

4聚合物砂漿目前出現(xiàn)的問題以及發(fā)展方向

4.1聚合物砂漿存在的問題

從現(xiàn)有研究可以看出，大部分聚合物對砂漿的力學性能（尤其是抗折強度）、耐腐蝕性能都有改善作用，但對砂漿抗壓強度的改善作用并不明顯，例如聚醋酸乙烯和丁苯[1820]；還有一些聚合物與水泥砂漿體系相容性差，在堿性的水泥砂漿體系下易發(fā)生降解，這不僅會影響水泥的水化過程，抑制水化產(chǎn)物的形成，還會影響水泥與膠乳的粘結(jié)效果，導致砂漿內(nèi)部連接中斷，表現(xiàn)為粘結(jié)性能下降，例如氯丁。

聚合物砂漿應用于建筑或路面結(jié)構(gòu)時需長時間暴曬在陽光下，紫外線、紅外線會使聚合物嚴重老化。聚合物作為高分子材料，本身耐老化（光老化、熱老化）性差。聚合物的抗老化性能會直接影響到砂漿的耐久性，這方面研究內(nèi)容的缺失會讓聚合物砂漿的發(fā)展和應用受到阻礙。

現(xiàn)階段，關(guān)于聚合物砂漿的研究仍停留在宏觀性能測試和微觀形貌分析上，對實際工程使用缺少有力的理論指導。大部分學者通過對聚合物微觀結(jié)構(gòu)分析，將其改性機理歸因于聚合物的成膜作用[21]，但未見更深入的研究，例如聚合物中官能團等結(jié)構(gòu)對砂漿性能的影響等，這也限制了聚合物砂漿的發(fā)展。

4.2聚合物砂漿的發(fā)展方向

聚合物砂漿的應用越來越普遍，人們對其基本性能要求也越來越高，同時還提出聚合物砂漿性能多樣化與功能化的發(fā)展方向。在日本和美國，聚合物砂漿主要被用于建筑飾面、修補工程以及橋梁甲板表面的修補[22]；在中國，改性砂漿主要被用于建筑飾面和瓷磚粘結(jié)材料，近年來，國內(nèi)許多學者研究將其應用于路面工程中。

由于聚合物砂漿良好的工作性能和粘結(jié)性能，使其市場需求日漸增長，故聚合物砂漿作為修補材料將會成為主要的發(fā)展趨勢之一；而預制聚合物砂漿是發(fā)展最快的一個方面，在實際工程應用中可以考慮用聚合物改性砂漿代替普通砂漿結(jié)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)、木質(zhì)結(jié)構(gòu)甚至塑料結(jié)構(gòu)，達到節(jié)約成本的目的。

復合型聚合物砂漿的研究，主要是將不同性能的聚合物混合加入砂漿中，使材料的使用性能互補，提高改性砂漿的綜合性能；環(huán)保型聚合物砂漿的研究，是將廢棄的聚合物回收利用，并對水泥砂漿進行改性，或在砂漿中摻入聚合物和粉煤灰類廢渣，使砂漿材料各成分之間的性能互補，降低砂漿的成本，并使廢渣得到有效利用。

5結(jié)語

聚合物砂漿在工程中的應用研究主要集中在：利用高質(zhì)量聚合物粉末、聚合物乳液以及聚合物纖維，制備高韌性、長耐久性和抗?jié)B性砂漿；通過變換聚合物種類、摻量研究其對砂漿性能的影響。雖然聚合物改性砂漿的研究和應用在不斷進步，但對聚合物砂漿的改性機理仍知之甚少，為了更好地研究和開發(fā)聚合物砂漿，其改性機理還需深入研究。國外文獻中提出將廢棄的聚合物處理后用于改性水泥砂漿，這樣不僅實現(xiàn)了環(huán)保節(jié)能，更降低了建筑材料成本。國內(nèi)相關(guān)研究雖然較少，但其創(chuàng)新性和環(huán)保節(jié)能性將是一個必然的發(fā)展趨勢。因此綠色環(huán)保型、復合型等功能性聚合物砂漿有望成為新的研究目標。

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[責任編輯：王玉玲]