《建筑工程材料》图文-第六章.pptx

第第6章章 工程高分子聚合物材料工程高分子聚合物材料6.1 概述概述6.2 土工布土工布6.3 高分子聚合物改性混凝土高分子聚合物改性混凝土6.4 高分子聚合物改性沥青混合料高分子聚合物改性沥青混合料6.1 概述概述6.1.1 高分子聚合物的概念高分子聚合物的概念 高分子聚合物又称高聚物，是由一种或多种低分子化合物（单体）通过化学聚合反应而形成，以共价键联结若干重复单元所形成的长链结构为基础的高分子量化合物。按材料的性质和用途通常分为塑料、橡胶和纤维三类。由能够形成结构单元的小分子所组成的化合物称为单体，是合成聚合物的原料。用n代表重复单元数，又称聚合度，聚合度是衡量高分子聚合物的重要指标。聚合度很低的（1100）的聚合物称为低聚物，只有当分子量高达104106（如塑料、橡胶、纤维等）才称为高分子聚合物。6.1.2 高分子化合物的分子结构高分子化合物的分子结构 1线型高分子化合物线型高分子化合物 线型高分子化合物是由链节连接成的一个长链高分子化合物，不带支链，如聚乙烯；有些高分子由一个个链节联接起来，成千上万链节连成长链，如淀粉和纤维素的长链是由CC键和CO键相联接的，聚乙烯和聚氯乙烯是由CC键相联接的。线型结构的高分子材料，可以带支链，也可以不带支链。线型结构的高分子材料两个链间只有分子间作用力，没有化学键，而这一分子间的作用力随相对分子质量的增大而增强。线型高分子化合物具有良好的弹性、塑性、柔顺性，还有一定的强度，但硬度小。2支链（支化）型高分子化合物支链（支化）型高分子化合物 支链型高分子化合物是主链上带有支链的高分子化合物，如聚甲基丙烯酸甲酯；线型高分子上带有侧枝，侧枝的长短和数量可不同。高分子上的支链，有的是聚合中自然形成的；有的则是人为地通过反应接枝上去的，可溶解在适当溶剂中，加热可以熔融，即可溶可熔。如低密度聚乙烯属于支链型结构，它与线型高密度聚乙烯相比，密度小，抗拉强度低，而溶解性增大。3体型高分子化合物体型高分子化合物 体型高分子化合物是线型（支链）高分子化合物互相交联形成的网状三度空间结构的高分子化合物，如酚醛树脂，可看成是线型或支链型大分子间以化学键交联而成，许多大分子键合成一个整体，已无单个大分子可言，交联程度浅的，受热可软化，适当溶剂可溶胀；交联程度深的，既不溶解，又不熔融。由于体型高分子化合物是一个巨型分子，所以塑性和弹性低，但硬度与脆性较大，耐热性较好。6.2 土工布土工布 土工布又称土工织物，是指一类以高分子聚合物为原料的透水性平面土工合成材料。成品为布状，一般宽度为46 m，长度为50100 m。土工布具有优秀的过滤、隔离、加固防护作用，抗拉强度高、渗透性好、耐高温、抗冷冻、耐老化、耐腐蚀。6.2.1 土工布的种类和特点土工布的种类和特点 1无纺土工布无纺土工布 无纺土工布具有很好的织物间隙，有很好的附着力。纤维柔软具有一定的抗撕裂能力同时具有很好的变形适应能力，还具有很好的平面排水能力。表面柔软多间隙有很好的摩擦系数，能够增加土粒等的附着能力，可以防止细小颗粒通过，阻止了颗粒物的流失，同时排除了多余水分，有很好的保护能力。根据用丝的长短分为长丝无纺土工布和短丝无纺土工布，长丝的抗拉强度高于短丝。它们都能起到很好的过滤、隔离、加筋、防护等功效，是一种应用广泛的土工合成材料。2有纺土工布有纺土工布 有纺土工布是由至少两组平行的纱线（或扁丝）组成，一组沿织机的纵向布置（织物行进的方向）称经纱，另一组横向布置称为纬纱。用不同的编织设备和工艺将经纱与纬纱交织在一起织成布状，可根据不同的使用范围编织成不同的厚度与密实度。一般有纺土工布较薄，纵横向都具有相当强的抗拉强度（经度大于纬度），具有很好的稳定性能。有纺土工布根据编织工艺和使用经纬的不同分为加筋土工布和不加筋土工布两大类，加筋土工布的经向抗拉强度远远大于普通土工布。有纺土工布一般实际应用于土工工程项目的加筋增强，主要功能是加固增强，具有平面隔离与保护功能，不具备平面排水功能，可根据具体的使用目的选用。3复合土工布复合土工布 复合土工布是将无纺土工布、有纺土工布重叠在一起，用黏合或针刺等方法使其相互组合加工而成的土工布，大量用于公路、铁路、水利、大型建筑、电厂灰坝建设、有色金属尾矿处理、环保工程、水土保持等方面。6.2.2 土工布在公路工程中的应用土工布在公路工程中的应用土工布作用排水作用反滤作用分隔作用加强作用防护作用封闭作用 土工布不仅可以沿垂直于其平面的方向排水，也可以沿其平面方向排水。当水由细料土层流入粗料土层时，利用土工布良好的透气性和透水性使水流通过，而有效地截流土颗粒、细砂、小石料等的流失，可以保持工程结构的稳定。利用这一作用可以防治翻浆和进行软地基的处理。利用这一作用可以进行路基路面的加固、软土地基的处理、挡土墙的修筑、桥台台背回填、防止反射裂缝和车辙等方面的工程施工。有效地将集中应力扩散、传递或分解，防止土体受外力作用而破坏。土工布与其他材料（主要是沥青或塑料膜）配合，在土层中形成不透水隔层。6.3 高分子聚合物改性混凝土高分子聚合物改性混凝土6.3.1 聚合物浸渍混凝土聚合物浸渍混凝土 聚合物浸渍混凝土（PIC）是将已硬化的混凝土，经干燥后浸入有机单体，用加热或辐射等方法使孔隙内的单体聚合，从而提高其抗拉、抗渗、抗冻、抗冲、耐磨、耐蚀等能力的复合材料，其中聚合物含量为复合体质量的5%15%。其工艺为先将基材作不同程度的干燥处理，然后在不同压力下浸泡在以苯乙烯或甲基丙烯酸甲酯等有机单体为主的浸渍液中，使之渗入基材孔隙，最后用加热、辐射或化学等方法，使浸渍液在其中聚合固化。在浸渍过程中，浸渍液深入基材内部并遍及全体者，称完全浸渍工艺，一般应用于工厂预制构件，各道工序在专门设备中进行。浸渍液仅渗入基材表面层者，称表面浸渍工艺，一般应用于路面、桥面等现场施工。由于聚合物填充了水泥混凝土中的孔隙和微裂缝，可提高它的密实度，增强水泥石与集料间的黏滞力，并缓和裂缝尖端的应力集中，改变普通水泥混凝土的原有性能，使之具有高强度、抗渗、抗冻、抗冲、耐磨、耐化学腐蚀、抗射线等显著优点。可作为高效能结构材料应用于特种工程，例如腐蚀介质中的管、桩、柱、地面砖、海洋构筑物和路面、桥面板，以及水利工程中对抗冲、耐磨、抗冻要求高的部位，也可应用于现场修补构筑物的表面缺陷，以提高其使用性能。聚合物浸渍混凝土的制备技术，还可推广到不以水泥混凝土为基材和不以有机单体为浸渍液的材料，例如聚合物浸渍石膏和硫黄浸渍混凝土。6.3.2 聚合物水泥混凝土聚合物水泥混凝土 聚合物水泥混凝土（PCC）也称聚合物改性混凝土(PMC),是以聚合物（或单体）和水泥共同作为胶凝材料的聚合物混凝土。其制作工艺与普通混凝土相似，在加水搅拌时掺入一定量的有机物及其辅助剂，经成型、养护后，其中的水泥与聚合物同时固化。聚合物掺加量一般为水泥质量的5%20%。使用的聚合物一般为合成橡胶乳液，如氯丁胶乳（CR）、丁苯胶乳（SBR）、丁腈胶乳（NBR），或热塑性树脂乳液，如聚丙烯酸酯类乳液（PAE）、聚乙酸乙烯乳液（PVAC）等。此外环氧树脂及不饱和聚酯类树脂也可应用。掺入聚合物后混凝土的抗折强度及柔韧性提高，内部微观结构特别是孔结构有所改善，趋向连续密实，从而促使复合式路面上下面层层间结合紧密，PCC上面层表面功能卓越，整个路面的耐久性大大提高。聚合物水泥混凝土改进了普通混凝土的抗拉强度、耐磨、耐蚀、抗渗、抗冲击等性能，并改善混凝土的和易性，可应用于现场灌注构筑物、路面及桥面修补，混凝土储罐的耐蚀面层，新老混凝土的黏结以及其他特殊用途的预制品。1原材料组成原材料组成 （1）胶凝材料胶凝材料水泥聚合物 对水泥的要求同普通水泥混凝土，除普通硅酸盐水泥外，和可使用各种硅酸盐水泥、高铝水泥（矾土水泥）、快硬水泥等。分散体乳胶类，如橡胶乳胶、树脂乳液和混合分散体；水溶性聚合物，如甲基纤维素（MC）、聚乙烯醇、聚丙烯酸盐聚丙烯酸钙和糠醇；液体聚合物，如不饱和聚酯和环氧树脂等。聚合物具备要求 对水泥凝结硬化和胶结性能无不良影响；在水泥碱性介质中，不被水解或破坏；对钢筋无锈蚀作用。（2）骨料 使用与普通水泥混凝土相同的粗骨料和细骨料，有时也可使用轻骨料。当用于防腐目的时，应使用硅质碎石和碎砂。（3）拌和水 与普通水泥混凝土用水相同。（4）主要助剂主要助剂稳定剂消泡剂 加入稳定剂是为了保证聚合物与水泥混合均匀，并能有效地结合起来。常用的稳定剂有OP型乳化剂、均染剂102、农乳600等。醇类，有异丁烯醇、3辛醇等；磷酸酯类，有磷酸三丁酯等；有机硅类，有二烷基聚硅氧烷等。2配制方法配制方法 配制聚合物水泥混凝土时，可使用与普通混凝土一样的设备。聚合物水泥混凝土应在拌和后1 h内浇注完毕。配制方法 配制工艺与普通水泥混凝土相似，只是在加水搅拌混凝土时，掺入一定量的聚合物分散体及辅助材料。可采用单体直接加入，然后聚合制得。采用聚合物粉末直接掺入水泥的方法来配制聚合物水泥混凝土。在混凝土成型和初始硬化后，加热混凝土，使聚合物溶化，这样，聚合物便浸入混凝土的孔隙中，待冷却和聚合物凝固后即可。这种聚合物水泥混凝土的抗水性能好。3聚合物水泥混凝土的应用聚合物水泥混凝土的应用应用举例 用于地面、路面、桥面等，具有较好的耐腐蚀性能，强度高，不易产生弯曲变形。用于防蚀材料和内衬材料接触化学物质的槽、罐、池等部位衬里或砌体，尤其是易洒落化学物质的楼地面更为适宜。其他用途可用于喷射混凝土和新旧混凝土接头。聚合物水泥混凝土在基组织结构内具有耐化学侵蚀性的聚合物连续薄膜，一般抵抗各种化合物侵蚀的能力比普通水泥混凝土要强。6.3.3 聚合物胶结混凝土聚合物胶结混凝土 聚合物胶结混凝土（PC）又称树脂混凝土（RC），是以聚合物（或单体）全部代替水泥作为胶结材料的聚合物混凝土。常用一种或几种有机物及其固化剂、天然或人工集料（石英粉、辉绿岩粉等）混合、成型、固化而成。常用的有机物有不饱和聚酯树脂、环氧树脂、呋喃树脂、酚醛树脂等，或甲基丙烯酸甲酯、苯乙烯等单体。聚合物在此种混凝土中的含量为质量的8%25%。与水泥混凝土相比，它具有快硬、高强和显著改善抗渗、耐蚀、耐磨、抗冻融以及黏结等性能，可现场应用于混凝土工程快速修补、地下管线工程快速修建、隧道衬里等，也可在工厂预制。树脂混凝土构件的质量和原料类型与配比，及生产工艺有很大的关系。通过加入特殊的原料可以制作人造大理石，用于制作浴盆、厨房台面等。由于树脂混凝土的抗腐蚀性能，用树脂混凝土可以制作化工车间的地板和电解槽；在建筑方面，树脂混凝土可以用于对普通混凝土进行修补，制作排水沟等建筑构件。特别要提到的是上海赛车场赛道两边的排水沟底座是用树脂混凝土制作的。6.4 高分子聚合物改性沥青混合料高分子聚合物改性沥青混合料6.4.1 高分子聚合物改性沥青高分子聚合物改性沥青 改性沥青是掺加橡胶、树脂、高分子聚合物、磨细的橡胶粉或其他填料等外掺剂（改性剂），或采取对沥青轻度氧化加工等措施，使沥青或沥青混合料的性能得以改善制成的沥青结合料。沥青改性机理有两种，一是改变沥青化学组成，二是使改性剂均匀分布于沥青中形成一定的空间网络结构。改性沥青常用高聚物如表6-1所示。改性沥青生产方法特点 耐高温，抗低温，适应性强；韧性好，抗疲劳，增大路面承载能力；抗水、油和紫外线辐射，延缓老化；性能稳定，使用寿命长，降低养护费用。蒸馏法溶剂沉淀法氧化法调和法乳化法6.4.2 高分子聚合物改性沥青混合料的性能高分子聚合物改性沥青混合料的性能 采用高分子聚合物改性沥青配置成的沥青混合料即为高分子聚合物改性沥青混合料。聚合物改性沥青可以改善沥青混合料的性能，树脂类改性沥青对提高沥青混合料的稳定性有明显的效果，橡胶类改性沥青对提高沥青混合料的低温抗裂性有一定的效果，树脂橡胶高聚物能适当兼顾高温稳定性和低温抗裂性两方面的性能。高分子聚合物改性沥青混合料用于高等级路面，有良好的耐久性、抗磨性，实现高温不软化，低温不开裂。以SBS改性沥青混合料为例，其技术性能和普通沥青混合料相比有如下几点改善：技术性能改善 SBS改性沥青混合料的黏附性较强、水稳定性好，使混合料抗水损害能力增强。SBS改性沥青混合料的高温稳定性得到了提高。SBS改性沥青混合料的低温抗裂性得到了提高。