摘 要:聚合物改性水泥混凝土作為工程修補材料具有廣泛的適用性和經濟價值。介紹了聚合物改性修補水泥混凝土的發展歷程、種類和最新研究進展等,對目前該領域所關注的幾個問題進行了論述。
關鍵詞:聚合物;改性;修補材料;水泥混凝土;修補體系;界面過渡區
中圖分類號: TU 528. 41 文獻標識碼:A
引言
當今世界由于各種原因所引起的建筑結構失效和功能失效不僅影響了人們的正常使用,而且造成了巨大的經濟損失。例如,工業發達國家建設總投資的40 %以上用于建筑物的維修和加固,剩余的不足60 %才用于新建筑的建設[ 1 ] 。在美國,大約有17萬億美元的基礎設施已經建成,而據美國總承包人聯合會1996年的估計,在未來的19年中,對基礎設施的修補和翻新將花費3. 3萬億美元,這筆費用已經成為繼國家預算赤字和國際貿易赤字之后的第3大赤字[ 2 ] 。就我國而言,諸多大型基礎設施的建設相繼完工并投入使用,根據水泥混凝土本身的服役和老化規律預測,在今后的一個時期內,我國建筑行業將完成由目前以新建基礎工程設施為主,到以修補和翻新這些基礎工程設施為主的戰略性轉變。
迫在眉睫的問題是,我國20世紀80年代以前修建的工業與民用建筑中有很大一部分正處在加固和維修時期,并且目前在建的一些民用及水工建筑物在施工和使用過程中也經常遇到混凝土質量問題,如蜂窩麻面、空洞、大面積損壞等[ 3 ] 。所以,未來的幾十年我國建筑行業將面臨保護、加固和維修工程設施的巨大壓力。
而在水泥混凝土修補耐久性的有跡可尋的記錄中,在許多方面上是令人失望的。如何對這些受損結構進行可靠性鑒定并采取合理的措施加固、修復,使結構能夠重新達到設計使用年限或者更長的服役壽命,是當今建筑行業面臨的嚴肅問題。
1 聚合物改性修補水泥混凝土的形成和發展歷史
一般的修補方法是采用普通混凝土或砂漿作為修補材料,但存在著一個共同的特點,即脆性大而韌性不足,主要表現在抗壓強度較高、抗拉強度和粘結強度較低、彈性模量高而變形能力差。將其用于混凝土修補,容易造成界面粘結不牢、開裂而導致混凝土再度損壞等質量問題,在使用中受到一定的限制。
針對上述修補水泥混凝土的缺點,近幾十年來,聚合物改性修補水泥混凝土( PMC)由于具有優良的性能而受到國內外的普遍關注。聚合物改性水泥混凝土的出現,為混凝土工程的加固、修復等提供了有利的條件。作為近年來發展起來的一類新型修補材料,它是將少量有機聚合物摻入到水泥砂漿中,借以改善水泥砂漿各項性能的復合膠凝材料。添加少量的聚合物可以使水泥基材料的性能得到明顯改善,與普通水泥混凝土相比,聚合物改性修補水泥混凝土的抗拉強度高、抗拉彈模低、耐磨、耐腐蝕、抗滲、抗凍性能優異;與舊基體具有良好的粘結性能;適用于因碳化、氣蝕、凍融破壞及化學侵蝕而引起的混凝土表層開裂、表面剝蝕破壞的修補;還可應用于防腐、防滲等工程中。
聚合物改性水泥混凝土作為工程修補材料具有諸多的優點,許多科研工作者對此進行了大量的嘗試和理論研究。早在1923年,克萊森(Cresson)第1個申請了有關聚合物硬化水泥體系的專利。在他的專利中,將天然橡膠乳液作為填料加入到道路路面建筑材料中。萊夫布爾(Lefebure)于1924 年申請了用天然橡膠乳液使水泥砂漿及水泥混凝土改性的專利,他率先提出了用聚合物對水泥砂漿及混凝土進行改性的新概念。因此,他的專利具有歷史性的意義。20世紀20年代至30年代,天然橡膠乳改性水泥砂漿及水泥混凝土得到了發展。1932 年,邦德(Band)提出了人造橡膠改性水泥砂漿及水泥混凝土,并獲得了專利。20世紀40年代以來,先后有人獲得了用合成聚合物膠乳進行改性的專利,并嘗試將聚乙烯乙酸酯用于水泥砂漿及水泥混凝土的改性。50年代以后,這一領域的研究與嘗試開始在許多國家展開,對聚合物用于水泥砂漿及水泥混凝土改性進行了研究,并開始將部分研究成果在實際工程中試用。60年代至70年代,開始研究用液態或固態的聚合物諸如聚合物單體、樹脂、聚合物膠乳、聚合物粉末等,對水泥砂漿及水泥混凝土進行改性。
80年代以來,許多國家對這一領域的研究興趣越來越濃,研究成果大量出現,并且研究水平也進一步提高。1994年,由中國、日本和韓國倡導組織了東亞混凝土中的聚合物國際會議,并于2000年正式改名為亞洲混凝土中的聚合物國際會議。
目前,人們對聚合物改性水泥基材料的研究不僅是在工程應用上,而且對其改性機理、聚合物與水泥、聚合物與水泥水化生成物間的作用機理等,也從理論上進行了深入的研究分析,并有大量的科研成果出現。
2 聚合物改性修補水泥混凝土的研究進展
在理論研究和實際應用中,針對修補系統和修補材料中所需要解決的具體修補要求和側重點,以及所選用的具有特定物化性能的多種膠凝材料、聚合物、化學添加劑和不同的研究測試方法等,國內外的許多學者和科研人員做了大量的基礎研究和實際應用工作。從國內外文獻來看,所選用的膠凝材料主要以普通硅酸鹽水泥、超細灌漿水泥、鎂質水泥、硫鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥等為主,其中以我國自主開發、具有快硬、超強、微膨脹特性的硫鋁酸鹽水泥作為修補材料的基材有很大的適用性。改性用的聚合物主要有環氧樹脂、聚丙烯酸酯、氯丁橡膠、丁苯膠乳、乙酸乙烯、聚乙酸乙烯等。
在聚合物改性修補水泥混凝土的力學性能等方面, Pascal S等[ 4 ]研究了聚合物改性水泥漿體的力學性能,認為聚合物改性水泥漿體的剛性和抗壓強度隨聚合物的增加而降低,而抗折強度則隨聚合物的增加而提高。Al - ZahraniM M等[ 5 ]研究了作為修補材料聚合物改性水泥砂漿的力學性能和耐久性。鐘世云等[ 6 ]研究了聚合物改性水泥砂漿的粘結強度。李芳等[ 7 ]研究了羧基丁苯乳液SD 622S對水泥砂漿力學性能的改性效果,認為SD 622S乳液對提高水泥砂漿的粘結強度有顯著作用,并可大幅度降低壓折比,提高了折彈比。Barluenga G等[ 8 ]研究了丁苯橡膠改性水泥砂漿的流動性和力學性能。
姜洪義等[ 9 ]的研究發現,固定流動度時SBR改性水泥砂漿的抗壓強度和抗折強度均隨其摻量的增加先增大、后減小;聚乙酸乙烯酯( PVAC)使混凝土的抗壓強度下降、抗折強度上升;兩種乳液均明顯改善了水泥砂漿的抗水性。申愛琴等[ 10 ]研究了兩種SBR乳液對混凝土的影響,發現羧基SBR乳液對抗折強度的改性效果更好;加入SBR乳液增加了混凝土的柔性,減小了其孔隙率并使孔徑分布向微孔徑方向移動。并且有大量的應用研究表明,聚合物混凝土在黏土磚和濕混凝土表面均具有良好的粘接性[ 11 ] 。
在聚合物改性修補水泥混凝土的結構和耐久性等方面, Shaker F A等[ 12 ]研究了SBR對混凝土耐久性的影響,認為SBR改善了傳統水泥混凝土的耐久性,有效地提高了混凝土的抗水性、防腐性和抗硫酸鹽侵蝕性, 15 % SBR乳液的加入可有效改善混凝土的抗氯離子穿透性,并可防止鋼筋混凝土中鋼筋的銹蝕。Jao - Ho Kim等[ 13 ]研究了聚乙烯醇( PVA)改性水泥混凝土的結構和特性。Vinckea E等[ 14 ]發現苯丙乳液( SAE)改性可以提高混凝土的抗生物酸腐蝕性,而乙烯- 乙酸乙烯共聚物( EVA)和SBR乳液的加入,對該性能的影響不大。Monteny J 等[ 15 ]用模擬方法研究了聚合物改性水泥混凝土的耐化學腐蝕性能。王濤等[ 16 ]認為,聚合物乳液的穩定性和膠粒大小是聚合物改性水泥砂漿性能的關鍵因素,而聚灰比和養護條件通過改變水泥的水化程度和砂漿的毛細孔結構而影響整個漿體的性能。所有的這些研究,都對聚合物改性修補水泥混凝土的應用提供了有意義的借鑒。
3 存在的問題
從聚合物改性修補水泥混凝土的發展過程和最新研究進展來看,諸多的科研工作者和業內人士已做了大量的基礎研究和實際應用工作,并且取得了很高的實際價值。但是我們發現,在聚合物改性水泥混凝土修補材料的理論研究和廣泛的實用性等方面,仍存在著很多研究和應用的“薄弱”環節,如修補體系的系統的整體耐久性不夠、修補界面過渡區的研究不深入、修補材料與基材的粘結強度不足等。
3. 1 修補系統的整體耐久性
修補系統是一項復雜的工程,從受損原因的調查、材料的選擇到設計、施工,牽涉眾多因素,被修補結構的耐久性問題是最好的驗證。美國曾提出耐久修補材料設計和建造的系統概念,就是將基材和修補材料以及它們之間的連接、相互作用看作是一個統一的整體,不要把各種因素孤立起來考慮,而是將其作為整體的一部分或系統的某一元素。還應認識到材料預期達到的目標不是單指材料本身,而是包含材料的整個結構。事實表明,進行耐久修補系統的設計比進行新的結構設計重要得多,因為修補系統失效不僅達不到修補本身的目的,反而有加速原基材破壞的危險。
修補的耐久性取決于修補材料和現存結構之間的相容性(見圖1) 。相容性包括一系列的性質,如化學相容性、三維體積的相容性、滲透性、電化學相容性等。如果修補材料與被修補水泥混凝土的性能差別太大,它們就不會一起“工作”并很快破壞。
以往的修補設計往往只考慮了外部環境的作用,而未注意多種內部與外部因素的累積作用和同時作用。這就要求兼顧修補材料自身的性能以及與基材的性能相容性。此外,盡管有許多理論可以作為判定依據,但由于修補系統本身的復雜性大大增加了其難度。因此,當前的各種技術與材料的選擇還依賴于經驗,相關的實施標準、規范等還有待進一步統一。
3. 2 修補界面過渡區
修補系統主要由3相組成,即修補材料部分、原有的基材、二者之間的過渡區。值得一提的是過渡區的重要性,界面的出現是新舊水泥混凝土結合的一個薄弱環節,它降低了材料整體的抗拉、抗剪強度以及耐久性能。在界面過渡區,水灰比高、孔隙率大、Ca (OH) 2 和鈣礬石(AFt)多,晶粒粗大、Ca (OH) 2晶體取向生長。所以,要改善水泥基材料的性能,就必須改善界面過渡區的結構和性質。
聚合物對水泥砂漿的改性作用,其實質也是改善材料的界面過渡區,從而使聚合物改性修補水泥混凝土獲得其他材料所不具備的性能,這就需要了解新舊水泥混凝土中的界面結構及形成過程,以解決界面過渡區結合薄弱的問題。目前,對新舊水泥混凝土粘結面的微觀研究,主要集中在微觀結構分析和粘結模型的建立上。通過物理與化學的作用,聚合物改善了砂漿的界面結構形成界面層(如圖2所示) 。其中的機械粘合層就是聚合物所形成的薄膜,這一層不能過厚,否則會降低材料的強度;物理吸引層是聚合物物理改性作用得到的一層,可起到增強材料性能的作用;化學鍵合層是聚合物與水泥中的成分發生發應的結果,進一步增強了材料的性能。
在改善修補材料與水泥混凝土基體之間的界面過渡區方面,熊光晶等[ 17 - 18 ]曾引入粉煤灰、減縮劑等來改善修補界面過渡區。研究表明,粉煤灰、減縮劑的引入使修補界面區域的微觀結構更加致密和一致。目前,國內外在此領域的研究主要集中在小試件的宏觀力學性能與微觀結構方面,而比較完善的維修方法和粘結機理尚不清楚。修補界面過渡區作為修補材料與水泥混凝土基體的連接部分,改善其一系列的性能是提高修補效果的前提。修補界面過渡區的研究關系到結構的維修、加固和改造,具有很強的工程背景和實用意義。
4 結語
聚合物改性修補水泥混凝土具有廣泛的適用性和經濟價值,已經在一些工程中得到了應用,但目前也存在著一些問題,例如受到聚合物的種類和價格的限制、使用壽命難以保證、標準化工作不統一等等。但是,隨著理論研究的進一步深入和適用性的增強,必將使聚合物改性修補水泥混凝土這一邊緣學科得到更大的發展。
目前,聚合物改性水泥基修補材料作為一種方興未艾的產業,修補材料的選擇及其性能對修復的成功與否起著決定性的作用。因此,加快研制低成本、高性能、粘結力強、使用方便、性能優良、適用面廣、使用可靠方便的聚合物改性修補水泥混凝土,是一項緊迫而又具有現實意義的課題,也已成為科研人員亟待攻克的難題。
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