具有抗冲耐磨性能的聚合物水泥砂浆复合材料的配制

从上世纪70 年代以来，世界各国广泛开展了大量的聚合物改性水泥砂浆的研究。研究人员发现，在水泥砂浆中掺入少量聚合物后，可以使水泥砂浆的材料性能得到明显改善，使之能更好更广地应用于实际工程中。这一研究领域走在世界前列的国家有美国、前苏联、德国等欧美国家。而我国在聚合物改性水泥砂浆的研究方面起步相对稍晚，目前处于该材料的推广应用阶段。普通水泥砂浆是由胶凝材料、细骨料和水组成的一种复合材料，水泥砂浆在凝结硬化后形成多孔材料，在外界诸如气候特征的影响和腐蚀性介质侵蚀等因素的作用下，其受力性能和使用寿命会逐渐降低。而在普通水泥砂浆中加入不饱和聚酯树酯，由于固化剂的作用，可使砂浆中的线型结构交联成体型结构，并可与其它接触界面之间产生极强的相互作用。在水泥砂浆中加入聚合物不仅使砂浆具有了较强的粘结性，较小的收缩性，其耐腐蚀性能也得到提高，同时其抗冲耐磨性能也得到明显改善。经过聚合物改性的砂浆可用于混凝土结构加固补强，水库、大坝、港口工程的防渗处理和混凝土结构表面损伤的修复。部分水工建筑物冲磨、空蚀破坏情况调查见表1。下面针对聚合物改性水泥砂浆的组成材料及材料配方等问题进行进一步分析。

1 聚合物水泥砂浆的组成成分及作用概述

1． 1 聚合物水泥砂浆的基本组成材料

( 1) 水泥。通常水泥砂浆中不可缺少的主要组成材料是水泥、砂和水。其中，在钢筋混凝土结构加固补强工程中，所选用的水泥应是与需修补的混凝土结构使用相同强度等级的普通硅酸盐水泥。若聚合物水泥砂浆应用在湿度大或腐蚀性强等特殊工程环境中，则可使用具有特殊用途的水泥，如: 大坝水泥、快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥和自应力铝酸盐水泥等。

表1 部分水工建筑物冲磨、空蚀破坏情况调查表

( 2) 砂。砂必须选用清洁、坚硬、含泥量低的河砂或人工砂。砂子的粗细及级配对水泥用量影响较大，级配良好的粗、中砂混凝土比细砂或特细砂其抗冲磨强度明显增大。当砂子细度模数从2． 31 减小到1． 26时，聚合物水泥砂浆的抗冲磨强度约降低2 倍。因此细骨料宜选用级配较好的粗、中砂来配制。另外，砂率的确定与普通混凝土相同，应通过试验来确定最佳砂率。因砂率对水泥用量有一定的影响，故其对聚合物水泥砂浆的抗冲耐磨强度亦有一定的影响。若修补层较薄，则必须对砂过筛，将粒径超过5mm 的砂粒清除掉。

( 3) 水。水必须使用洁净的淡水。聚合物水泥砂浆的抗压强度主要决定于水泥强度等级和水灰比; 而抗冲耐磨强度主要决定于组成材料的抗冲耐磨性能及其在聚合物水泥砂浆中所占的比例。原材料相同，水灰比相同的聚合物水泥砂浆，水泥石与骨料的强度( 亦包括抗冲耐磨强度) 基本相同，但用水量不同，水泥石与骨料在聚合物水泥砂浆中所占的比例不同，故抗冲耐磨强度不同。在施工配料前，首先确定好水泥、砂和水的配合比，按水灰比为0． 21 ～ 0． 25，灰砂比为1 ∶ 2 进行配置。
1． 2 树酯材料

环氧树酯: 其本身是热塑性高分子化合物，在加固剂的作用下可交联成体型结构的巨大分子，可固化成不溶、不熔的硬质产物。其本身在未固化时具有良好的工艺性能，且具有粘结性好、收缩性小、耐腐蚀性强和机械强度高等特性，因此在聚合物水泥砂浆复合材料的配合比中，环氧树脂是一种不可缺少的组成成分。表2 为环氧树脂固化后的各项力学性能参考数据。

表2 环氧树脂固化后的力学性能( 单位: MPa)

1． 3 其它材料

( 1) 固化剂。环氧树酯在使用时，必须加入固化剂，且配制具有抗冲耐磨性能的聚合物水泥砂浆中多采用胺类固化剂，如: 乙二胺、二乙烯三胺、间苯二胺等。

( 2) 增韧剂。主要是提高环氧树酯的韧性，同时增强材料的抗冲击性能。一般采用活性增韧剂，如低分子量的聚酰胺树酯，其掺量必须达到环氧树酯的40%左右，才能在固化反应中起到共同组成体型结构的作用。
( 3) 稀释剂。一般按树酯质量的10% ～20%掺入。
( 4) 填料。其主要作用是减少树酯用量，降低成本，提高强度和耐磨性能，如填料中提高抗压强度和硬度的滑石粉，提高耐磨性能的石墨粉等。其用量不能一概而定，应由施工要求的粘度及其它技术条件来具体通过试验确定，总体要求是所有的填料都必须被树酯润湿。
2 聚合物水泥砂浆的配合比

在对混凝土结构或构件进行补强加固时，聚合物水泥砂浆配合比的确定一般要考虑修补工程所处的环境，针对干燥环境、潮湿或水下环境和冬季低温环境，其配合比会有些许差异。现就适用于低温条件下的环氧砂浆配合比举例说明，材料配合比详见表3。
表3 适于低温条件下的环氧砂浆配合比

( 注: 以上配比均以环氧值为100 的质量计算)

3 聚合物水泥砂浆的材料性能及工程用途

3． 1 聚合物水泥砂浆的材料性能

在水泥砂浆中添入聚合物后，由于无机材料和有机材料有效的结合在一起，使水泥砂浆的柔韧性能、抗变形性能、抗折强度、粘结性能、耐腐蚀性能和耐久性能均得到一定程度的提高。聚合物水泥砂浆性能的改善主要是由于聚合物直接影响了水泥砂浆中水泥的水化和砂浆的凝结硬化; 聚合物改变了水泥砂浆内部的组织结构，使水泥与骨料之间形成强有力的粘结，有效阻止了微裂缝的开展，减少了水泥砂浆硬化后内部结构的微裂缝; 聚合物属于表面活性剂，其所具有的减水性能和保水性能改善了水泥砂浆的材料特性，提高了水泥砂浆的强度。

3． 2 聚合物水泥砂浆的工程用途

目前，聚合物水泥砂浆广泛应用于房屋建筑结构工程、水利工程和道路桥梁工程中。聚合物水泥砂浆的具体工程应用主要体现为: 混凝土结构中梁、板、柱和楼梯等构件的空洞、蜂窝、破损、剥落、露筋等表面损伤部位的修复和补强; 混凝土构件之间的粘结和修补; 道路、桥梁、机场跑道、高速公路车道、混凝土地坪破损部位的修补; 混凝土结构的加固; 人防设施的防渗漏处理; 工业与民用建筑的屋面、卫生间、地下室以及水库大坝、港口工程的防渗漏处理等。特别需要阐述的是，如果在聚合物水泥砂浆的配料中适当减少石英粉、水泥和砂子，加入石子的成分就可制成环氧混凝土，此混凝土可应用于建筑物和构筑物损伤的维护和修补，特别是在混凝土结构构件的粘结和修补方面可大量应用。

3． 3 聚合物水泥砂浆的施工注意事项

聚合物水泥砂浆塌落度应控制在5—7 内，宜控制在下限．如果塌落度过大，一方面可造成其抗压强度和抗磨强度降低。另一方面，会造成离析、泌水、表面浮浆( 硬化后发白干裂) ，且均匀性大大降低，尤其使聚合物水泥砂浆表层砂浆层过厚，耐磨性降低，同时，也造成在浇筑仓内四处扩散流淌，浇筑面无法控制等问题。在整个浇筑作面的过程中，要加强对聚合物水泥砂浆表面的保湿养护，以避免出现干缩裂缝。在可能的情况下，施工期要尽量的选择在早晚或夜间蒸发量小的时段施工，这样便于施工作面和减少表面裂缝的产生。同时，施工中还考虑以下几点:

( 1) 抹面人员要架空作业。避免直接站在面上进行抹面的做法。

( 2) 聚合物水泥砂浆的浇筑入仓强度，入仓强度与混凝土的作面强度相适应。

( 3) 聚合物水泥砂浆初凝时间和终凝时间均不同，因此浇筑时特别注意及时收面，人员配置应充足。

4 结论

综上所述，配制具有抗冲耐磨性能的聚合物水泥砂浆复合材料一般途径即是“高强水泥+ 优质骨料+高性能外加剂+ 合理的配合比”。在水泥砂浆中加入不饱和树脂，在固化剂的作用下，添加不同的填料，通过不同的配合比制备，可生产出不同种类的聚合物水泥砂浆。因聚合物水泥砂浆具有较好的材料特性，在选择合适的材料组成成分和材料配合比的前提下，随着聚合物水泥砂浆材料性能研究的不断深入和完善，聚合物水泥砂浆的应用前景是广阔的。并且，随着聚合物水泥砂浆在应用的加大，会产生良好的经济效益和社会效益，会越来越多的应用于各类工程领域。

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