摘 要:聚合物改性水泥混凝土作为工程修补材料具有广泛的适用性和经济价值。介绍了聚合物改性修补水泥混凝土的发展历程、种类和最新研究进展等,对目前该领域所关注的几个问题进行了论述。
关键词:聚合物;改性;修补材料;水泥混凝土;修补体系;界面过渡区
中图分类号: TU 528. 41 文献标识码:A
引言
当今世界由于各种原因所引起的建筑结构失效和功能失效不仅影响了人们的正常使用,而且造成了巨大的经济损失。例如,工业发达国家建设总投资的40 %以上用于建筑物的维修和加固,剩余的不足60 %才用于新建筑的建设[ 1 ] 。在美国,大约有17万亿美元的基础设施已经建成,而据美国总承包人联合会1996年的估计,在未来的19年中,对基础设施的修补和翻新将花费3. 3万亿美元,这笔费用已经成为继国家预算赤字和国际贸易赤字之后的第3大赤字[ 2 ] 。就我国而言,诸多大型基础设施的建设相继完工并投入使用,根据水泥混凝土本身的服役和老化规律预测,在今后的一个时期内,我国建筑行业将完成由目前以新建基础工程设施为主,到以修补和翻新这些基础工程设施为主的战略性转变。
迫在眉睫的问题是,我国20世纪80年代以前修建的工业与民用建筑中有很大一部分正处在加固和维修时期,并且目前在建的一些民用及水工建筑物在施工和使用过程中也经常遇到混凝土质量问题,如蜂窝麻面、空洞、大面积损坏等[ 3 ] 。所以,未来的几十年我国建筑行业将面临保护、加固和维修工程设施的巨大压力。
而在水泥混凝土修补耐久性的有迹可寻的记录中,在许多方面上是令人失望的。如何对这些受损结构进行可靠性鉴定并采取合理的措施加固、修复,使结构能够重新达到设计使用年限或者更长的服役寿命,是当今建筑行业面临的严肃问题。
1 聚合物改性修补水泥混凝土的形成和发展历史
一般的修补方法是采用普通混凝土或砂浆作为修补材料,但存在着一个共同的特点,即脆性大而韧性不足,主要表现在抗压强度较高、抗拉强度和粘结强度较低、弹性模量高而变形能力差。将其用于混凝土修补,容易造成界面粘结不牢、开裂而导致混凝土再度损坏等质量问题,在使用中受到一定的限制。
针对上述修补水泥混凝土的缺点,近几十年来,聚合物改性修补水泥混凝土( PMC)由于具有优良的性能而受到国内外的普遍关注。聚合物改性水泥混凝土的出现,为混凝土工程的加固、修复等提供了有利的条件。作为近年来发展起来的一类新型修补材料,它是将少量有机聚合物掺入到水泥砂浆中,借以改善水泥砂浆各项性能的复合胶凝材料。添加少量的聚合物可以使水泥基材料的性能得到明显改善,与普通水泥混凝土相比,聚合物改性修补水泥混凝土的抗拉强度高、抗拉弹模低、耐磨、耐腐蚀、抗渗、抗冻性能优异;与旧基体具有良好的粘结性能;适用于因碳化、气蚀、冻融破坏及化学侵蚀而引起的混凝土表层开裂、表面剥蚀破坏的修补;还可应用于防腐、防渗等工程中。
聚合物改性水泥混凝土作为工程修补材料具有诸多的优点,许多科研工作者对此进行了大量的尝试和理论研究。早在1923年,克莱森(Cresson)第1个申请了有关聚合物硬化水泥体系的专利。在他的专利中,将天然橡胶乳液作为填料加入到道路路面建筑材料中。莱夫布尔(Lefebure)于1924 年申请了用天然橡胶乳液使水泥砂浆及水泥混凝土改性的专利,他率先提出了用聚合物对水泥砂浆及混凝土进行改性的新概念。因此,他的专利具有历史性的意义。20世纪20年代至30年代,天然橡胶乳改性水泥砂浆及水泥混凝土得到了发展。1932 年,邦德(Band)提出了人造橡胶改性水泥砂浆及水泥混凝土,并获得了专利。20世纪40年代以来,先后有人获得了用合成聚合物胶乳进行改性的专利,并尝试将聚乙烯乙酸酯用于水泥砂浆及水泥混凝土的改性。50年代以后,这一领域的研究与尝试开始在许多国家展开,对聚合物用于水泥砂浆及水泥混凝土改性进行了研究,并开始将部分研究成果在实际工程中试用。60年代至70年代,开始研究用液态或固态的聚合物诸如聚合物单体、树脂、聚合物胶乳、聚合物粉末等,对水泥砂浆及水泥混凝土进行改性。
80年代以来,许多国家对这一领域的研究兴趣越来越浓,研究成果大量出现,并且研究水平也进一步提高。1994年,由中国、日本和韩国倡导组织了东亚混凝土中的聚合物国际会议,并于2000年正式改名为亚洲混凝土中的聚合物国际会议。
目前,人们对聚合物改性水泥基材料的研究不仅是在工程应用上,而且对其改性机理、聚合物与水泥、聚合物与水泥水化生成物间的作用机理等,也从理论上进行了深入的研究分析,并有大量的科研成果出现。
2 聚合物改性修补水泥混凝土的研究进展
在理论研究和实际应用中,针对修补系统和修补材料中所需要解决的具体修补要求和侧重点,以及所选用的具有特定物化性能的多种胶凝材料、聚合物、化学添加剂和不同的研究测试方法等,国内外的许多学者和科研人员做了大量的基础研究和实际应用工作。从国内外文献来看,所选用的胶凝材料主要以普通硅酸盐水泥、超细灌浆水泥、镁质水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥等为主,其中以我国自主开发、具有快硬、超强、微膨胀特性的硫铝酸盐水泥作为修补材料的基材有很大的适用性。改性用的聚合物主要有环氧树脂、聚丙烯酸酯、氯丁橡胶、丁苯胶乳、乙酸乙烯、聚乙酸乙烯等。
在聚合物改性修补水泥混凝土的力学性能等方面, Pascal S等[ 4 ]研究了聚合物改性水泥浆体的力学性能,认为聚合物改性水泥浆体的刚性和抗压强度随聚合物的增加而降低,而抗折强度则随聚合物的增加而提高。Al - ZahraniM M等[ 5 ]研究了作为修补材料聚合物改性水泥砂浆的力学性能和耐久性。钟世云等[ 6 ]研究了聚合物改性水泥砂浆的粘结强度。李芳等[ 7 ]研究了羧基丁苯乳液SD 622S对水泥砂浆力学性能的改性效果,认为SD 622S乳液对提高水泥砂浆的粘结强度有显著作用,并可大幅度降低压折比,提高了折弹比。Barluenga G等[ 8 ]研究了丁苯橡胶改性水泥砂浆的流动性和力学性能。
姜洪义等[ 9 ]的研究发现,固定流动度时SBR改性水泥砂浆的抗压强度和抗折强度均随其掺量的增加先增大、后减小;聚乙酸乙烯酯( PVAC)使混凝土的抗压强度下降、抗折强度上升;两种乳液均明显改善了水泥砂浆的抗水性。申爱琴等[ 10 ]研究了两种SBR乳液对混凝土的影响,发现羧基SBR乳液对抗折强度的改性效果更好;加入SBR乳液增加了混凝土的柔性,减小了其孔隙率并使孔径分布向微孔径方向移动。并且有大量的应用研究表明,聚合物混凝土在黏土砖和湿混凝土表面均具有良好的粘接性[ 11 ] 。
在聚合物改性修补水泥混凝土的结构和耐久性等方面, Shaker F A等[ 12 ]研究了SBR对混凝土耐久性的影响,认为SBR改善了传统水泥混凝土的耐久性,有效地提高了混凝土的抗水性、防腐性和抗硫酸盐侵蚀性, 15 % SBR乳液的加入可有效改善混凝土的抗氯离子穿透性,并可防止钢筋混凝土中钢筋的锈蚀。Jao - Ho Kim等[ 13 ]研究了聚乙烯醇( PVA)改性水泥混凝土的结构和特性。Vinckea E等[ 14 ]发现苯丙乳液( SAE)改性可以提高混凝土的抗生物酸腐蚀性,而乙烯- 乙酸乙烯共聚物( EVA)和SBR乳液的加入,对该性能的影响不大。Monteny J 等[ 15 ]用模拟方法研究了聚合物改性水泥混凝土的耐化学腐蚀性能。王涛等[ 16 ]认为,聚合物乳液的稳定性和胶粒大小是聚合物改性水泥砂浆性能的关键因素,而聚灰比和养护条件通过改变水泥的水化程度和砂浆的毛细孔结构而影响整个浆体的性能。所有的这些研究,都对聚合物改性修补水泥混凝土的应用提供了有意义的借鉴。
3 存在的问题
从聚合物改性修补水泥混凝土的发展过程和最新研究进展来看,诸多的科研工作者和业内人士已做了大量的基础研究和实际应用工作,并且取得了很高的实际价值。但是我们发现,在聚合物改性水泥混凝土修补材料的理论研究和广泛的实用性等方面,仍存在着很多研究和应用的“薄弱”环节,如修补体系的系统的整体耐久性不够、修补界面过渡区的研究不深入、修补材料与基材的粘结强度不足等。
3. 1 修补系统的整体耐久性
修补系统是一项复杂的工程,从受损原因的调查、材料的选择到设计、施工,牵涉众多因素,被修补结构的耐久性问题是最好的验证。美国曾提出耐久修补材料设计和建造的系统概念,就是将基材和修补材料以及它们之间的连接、相互作用看作是一个统一的整体,不要把各种因素孤立起来考虑,而是将其作为整体的一部分或系统的某一元素。还应认识到材料预期达到的目标不是单指材料本身,而是包含材料的整个结构。事实表明,进行耐久修补系统的设计比进行新的结构设计重要得多,因为修补系统失效不仅达不到修补本身的目的,反而有加速原基材破坏的危险。
修补的耐久性取决于修补材料和现存结构之间的相容性(见图1) 。相容性包括一系列的性质,如化学相容性、三维体积的相容性、渗透性、电化学相容性等。如果修补材料与被修补水泥混凝土的性能差别太大,它们就不会一起“工作”并很快破坏。
以往的修补设计往往只考虑了外部环境的作用,而未注意多种内部与外部因素的累积作用和同时作用。这就要求兼顾修补材料自身的性能以及与基材的性能相容性。此外,尽管有许多理论可以作为判定依据,但由于修补系统本身的复杂性大大增加了其难度。因此,当前的各种技术与材料的选择还依赖于经验,相关的实施标准、规范等还有待进一步统一。
3. 2 修补界面过渡区
修补系统主要由3相组成,即修补材料部分、原有的基材、二者之间的过渡区。值得一提的是过渡区的重要性,界面的出现是新旧水泥混凝土结合的一个薄弱环节,它降低了材料整体的抗拉、抗剪强度以及耐久性能。在界面过渡区,水灰比高、孔隙率大、Ca (OH) 2 和钙矾石(AFt)多,晶粒粗大、Ca (OH) 2晶体取向生长。所以,要改善水泥基材料的性能,就必须改善界面过渡区的结构和性质。
聚合物对水泥砂浆的改性作用,其实质也是改善材料的界面过渡区,从而使聚合物改性修补水泥混凝土获得其他材料所不具备的性能,这就需要了解新旧水泥混凝土中的界面结构及形成过程,以解决界面过渡区结合薄弱的问题。目前,对新旧水泥混凝土粘结面的微观研究,主要集中在微观结构分析和粘结模型的建立上。通过物理与化学的作用,聚合物改善了砂浆的界面结构形成界面层(如图2所示) 。其中的机械粘合层就是聚合物所形成的薄膜,这一层不能过厚,否则会降低材料的强度;物理吸引层是聚合物物理改性作用得到的一层,可起到增强材料性能的作用;化学键合层是聚合物与水泥中的成分发生发应的结果,进一步增强了材料的性能。
在改善修补材料与水泥混凝土基体之间的界面过渡区方面,熊光晶等[ 17 - 18 ]曾引入粉煤灰、减缩剂等来改善修补界面过渡区。研究表明,粉煤灰、减缩剂的引入使修补界面区域的微观结构更加致密和一致。目前,国内外在此领域的研究主要集中在小试件的宏观力学性能与微观结构方面,而比较完善的维修方法和粘结机理尚不清楚。修补界面过渡区作为修补材料与水泥混凝土基体的连接部分,改善其一系列的性能是提高修补效果的前提。修补界面过渡区的研究关系到结构的维修、加固和改造,具有很强的工程背景和实用意义。
4 结语
聚合物改性修补水泥混凝土具有广泛的适用性和经济价值,已经在一些工程中得到了应用,但目前也存在着一些问题,例如受到聚合物的种类和价格的限制、使用寿命难以保证、标准化工作不统一等等。但是,随着理论研究的进一步深入和适用性的增强,必将使聚合物改性修补水泥混凝土这一边缘学科得到更大的发展。
目前,聚合物改性水泥基修补材料作为一种方兴未艾的产业,修补材料的选择及其性能对修复的成功与否起着决定性的作用。因此,加快研制低成本、高性能、粘结力强、使用方便、性能优良、适用面广、使用可靠方便的聚合物改性修补水泥混凝土,是一项紧迫而又具有现实意义的课题,也已成为科研人员亟待攻克的难题。
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