聚合物改性水泥砂浆的研究进展

2023年4月21日发(作者：卫生间浴室柜装修效果图)

聚合物改性水泥砂浆的研究进展

引言早在90年前聚合物改性砂浆和混凝土的概念就已

被提出了，但直到20世纪70年代后此类材料才得到较快发

展，正值欧美发达国家在20世纪四五十年代修建的混凝土

结构进入修补加固的时期。从某种程度上说,聚合物在水泥基

材料中的应用是伴随着混凝土结构的修补加固而发展起来

的.随着近年来我国兴建的混凝土结构进入维修加固期，聚合

物改性水泥砂浆在我国的研究应用也有了较快发展.

聚合物的掺入可以提高水泥砂浆和混凝土的强度、粘结性

能、抗渗透性、耐腐蚀性等，因此聚合物被广泛用于提高建

筑材料的性能。用于修补混凝土结构表面缺陷的聚合物改性

水泥砂浆（PMCM），可分为乳液类和胶粉类。对大量应用

于PMCM中的聚合物的调查表明，通过乳液聚合的聚合物

应用最为广泛并且能够被接受。用于聚合物改性水泥砂浆中

的常用聚合物乳液主要有丁苯类乳液(SBR）、丙烯酸类乳液

（PAE)、环氧类乳液(EE）、氯丁类乳液（CR）、苯丙乳液

(SAE)、醋酸乙烯酯－乙烯共聚物乳液（VAE）、支化羟酸乙

烯酯乳液(VA－VEOVA）、聚醋酸乙烯酯乳液（PVAC）等。

一、新拌聚合物改性水泥砂浆的性能1、工作性聚合物的种

类、掺量对新拌砂浆的工作性影响显著。有研究发现，不同

种类聚合物乳液的减水率都能达到20％以上,减水效果明显，

其中SBR的减水效果更优。即使是同种聚合物，由于聚合物

乳液的性质不同，对改性砂浆流动性的影响也不相同。通常，

随着聚灰比(聚合物与水泥的质量比）的增加，乳液改性砂浆

的流动性提高，工作性改善。聚合物乳液的掺入能提高新拌

砂浆的工作性，这是因为乳液中的表面活性剂及稳定剂在改

性砂浆中引入了较多气泡，砂浆中水泥颗粒的堆积状态得到

改善，水泥颗粒的分散效果提高。乳液的憎水性和胶体特性

使新拌改性砂浆具有良好的保水性,从而降低了对其进行长

期湿养护的必要.通过在聚合物改性砂浆中掺入纤维素醚、改

性无机矿粉可以进一步提高新拌砂浆的保水率。2、含气量

已有研究表明,聚合物乳液改性砂浆的含气量高于空白普通

水泥砂浆，这是因为掺入的聚合物乳液中的表面活性剂和稳

定剂在新拌砂浆中引入了较多气泡.适当的引气有助于改善

新拌水泥砂浆的流动性，提高其抗渗性和抗冻融性，但过量

的气泡则会降低砂浆的强度。一般聚合物乳液改性砂浆的含

气量为5%～20%，有些甚至高达30％。控制改性砂浆的含

气量,常用的方法是在乳液中掺入适量的消泡剂。有研究表

明，不掺消泡剂的聚丙烯酸酯乳液改性水泥砂浆的含气量为

43。6％,而当掺入0.5％的消泡剂后含气量大幅降低至8。0%.

考虑到消泡剂可能会影响水泥与增强材料之间的粘结，有些

文献研究了其它降低含气量的方法，例如在拌合前采用恒温

水浴法提高环氧乳液的温度可以降低改性砂浆的含气量。3、

凝结时间与工作时间通常掺入聚合物乳液后，水泥砂浆的凝

结时间延长，乳液掺量的影响较为显著。对此不同学者的研

究有较大出入.有些研究发现，聚合物改性砂浆的凝结时间比

普通水泥砂浆延长且随着聚灰比的增大而增加。但有的研究

结果却刚好相反.聚合物改性砂浆的工作时间与凝结时间没

有直接的关系,主要与施工时表面的干燥条件（温度、湿度、

风速等）有关。如果改性砂浆表面干得太快,较早形成“硬皮”，

就会影响最后的修整工作。一般来说，聚合物改性砂浆拌合

完暴露于空气中后，需要有15～30min的工作时间进行表面

刮平等修整工作。4、塑性开裂新拌砂浆在凝结硬化前（塑

性阶段)由于表面水分快速蒸发容易产生塑性开裂，主要原因

是砂浆内部的泌水速度与表面水分的蒸发速度之间存在差

别。研究表明，聚合物的掺入限制了砂浆塑性收缩导致的表

面和内部微裂缝的产生。有学者认为，聚合物减缓了水泥水

化的放热速率,提高了砂浆的抗开裂性能,但收缩变形会增

大。对此有学者发现，掺加适量的聚丙烯纤维可以有效抑制

改性砂浆的塑性开裂。进一步的研究发现，纤维的种类和长

度、聚丙烯纤维的几何形态、不同的搅拌方式、砂子的粒径

对改性砂浆的早期失水都有一定的影响。考虑到乳液改性砂

浆的收缩变形较大,在现场施工时应特别注意蒸发率超过0。

5kg/(m2·h)的情况，施工完后最好对砂浆采取短期的保湿养

护措施。

二、硬化聚合物改性水泥砂浆的性能1、粘结性能聚合物改

性砂浆在各种基体上的粘结都比普通水泥砂浆好，原因是聚

合物与被粘基体材料具有良好的胶接作用.不同种类的聚合

物对改性砂浆的粘结性能影响较大。有学者研究发现,丙烯酸

砂浆对老混凝土基体的长期粘结性能优于纯丙和氯丁砂浆。

聚合物的掺量和水灰比对改性砂浆的粘结强度也有重要影

响。试验表明，添加5%~20％的聚合物乳液可以将基准砂浆

的粘结强度提高1~4倍。也有学者认为，低聚合物掺量（不

超过3.5％)下,改性砂浆的粘结强度与聚合物的掺量成正比;

而当聚合物掺量超过3。5％时，掺量增加1％会使粘结强度

降低40%。在文献的研究中，研究了不同水灰比对聚合物改

性砂浆粘结性能的影响状况,结果发现，90d龄期时,两种不同

水灰比（0.35,0.4）的改性砂浆粘结强度均大于4MPa,比水灰

比0.3时的粘结强度提高不止1倍，且远高于空白水泥砂浆。

而粘结养护制度也会影响改性砂浆的粘结性能,不同的聚合

物改性砂浆有各自适合的粘结养护制度.2、抗压强度和抗折

强度通常，聚合物的掺入会降低水泥砂浆的抗压强度，提高

其抗折强度。水胶比相同时，聚合物改性砂浆的抗压强度要

低于未改性的普通水泥砂浆。文献对比了掺入SBR乳液和

PAE乳液后改性砂浆的强度,结果表明，两种改性砂浆的抗压

强度较空白水泥砂浆均有所减小，但是聚灰比0.2时的抗压

强度高于聚灰比0.1时的抗压强度。

聚合物砂浆的配合比（聚灰比、水灰比、灰砂比等)是影响砂

浆强度的主要因素.文献研究表明，当聚灰比＜7.5%时,SBR

的掺入会显著降低砂浆的抗压强度。文献对比了3种不同类

型聚合物乳液对自流平砂浆强度的影响，研究发现,3种改性

水泥砂浆的抗压强度随着聚合物掺量的增加均有所下降.对

此有学者研究认为，纤维素醚的掺入减缓了聚合物对砂浆抗

压强度的降低趋势。文献研究发现，水灰比对改性砂浆的抗

压抗折强度略有影响。而当水泥砂浆的灰砂比不同时，聚合

物乳液对抗压抗折强度的改性效果也不同.

掺入掺和料对改性砂浆的强度影响显著，不同学者的研究结

果相差较大。有学者研究发现，掺入硅灰或矿渣后,改性水泥

砂浆的强度提高，其中掺入10％硅灰的改性效果优于掺入

40％的矿渣。有研究表明,掺入超细矿渣后，聚合物改性砂浆

的28d抗压抗折强度比普通水泥砂浆高出15%～25%.在文献

的研究中，研究了不同种类的矿物掺和料对聚合物改性砂浆

性能的影响情况，结果表明，掺加粉煤灰能提高砂浆的抗折

强度,掺加矿渣粉能提高砂浆的抗压粉煤灰的加入会减小改

性砂浆的强度,同时粉煤灰的细度不同也会影响改性砂浆的

强度。

掺入聚丙烯纤维可以提高改性砂浆的抗折强度，长纤维能大

大提高水泥砂浆的抗折强度，而短纤维的提高效果则不明

显。利用一些矿物废料如铁尾矿砂来代替石英砂配制改性水

泥砂浆或掺入高炉矿渣取得了不错的效果。掺入水玻璃、偏

高岭土或煅烧膨润土也可以提高聚合物改性砂浆的抗压抗

折强度，其中掺入偏高岭土的效果优于煅烧膨润土.通过改变

减水剂与乳液的加料顺序、细集料的种类和粒径也会影响改

性水泥砂浆的强度。

养护条件也对改性砂浆的强度有一定影响。有学者研究发

现，蒸汽养护加热养护后的丁苯－环氧（无固化剂）改性砂

浆的抗压抗折强度是未改性砂浆的3倍。文献研究表明，随

着乳液掺量的增加，试件达到一定的强度所需湿养护的时间

逐渐减少。但是有学者认为短期的湿养护对于聚合物改性砂

浆仍然是必要的。一般来说，早期水中养护后期干燥养护是

较为理想的养护条件。

有学者研究发现，经冻融循环后聚合物改性砂浆的抗压强度

有所增加，其原因是冻融破坏了聚合物薄膜,被其包裹的水泥

颗粒得到释放，继续参与水化从而使强度增加。另外不同冻

融环境对聚合物砂浆强度的影响也不相同.有研究发现，空气

冻融和水冻循环两种情况下，改性砂浆的抗压强度和抗折强

度均会下降，其中“气冻”造成的影响更大。3、韧性聚合

物改性砂浆韧性的表征指标有多种，例如压折比、抗冲击性、

横向变形等,一般常用的表征指标是压折比，用于路面修补时

常用抗冲击性来表征.有研究发现，当韧性较低时改性砂浆的

压折比较明显,当韧性较高时其横向变形最明显，而其抗冲击

性在任何情况下都较明显.在相同流动度时，聚合物改性水泥

砂浆的韧性优于普通水泥砂浆。有研究表明，当聚灰比在一

定范围（＜10％）时,随着聚灰比的增大，改性砂浆的韧性提

高。具有不同性能指标的同种聚合物乳液对砂浆韧性的改善

效果也不同［。有研究发现，在改性砂浆中掺入30％～40％

的粉煤灰可以显著降低改性砂浆的压折比，提高砂浆的韧

性。进一步的研究表明，粉煤灰细度的增大可以减小改性砂

浆的压折比，提高其韧性.也可以采用掺入纤维的办法来提高

聚合物改性砂浆的韧性.有研究表明，与短聚丙烯纤维相比,

长聚丙烯纤维对改性砂浆韧性的改善效果更明显。4、干缩

聚合物改性砂浆的干缩主要受到聚合物种类和聚灰比的影

响,随时间的延长而增大，通常砂浆的28d干缩随聚灰比的增

大而减小。文献把不同掺量的丁苯乳液掺入水泥砂浆中,乳液

掺量分别为3％,6%,9%和12％，研究表明，乳液掺量为6％

时,改性砂浆的90d收缩变形降低幅度最大（9。4%)；28d龄

期前，乳液掺量＞3％时，乳液的掺入会抑制改性砂浆的收

缩变形，掺加12%的乳液时其收缩变形降幅超过20%。关于

聚合物乳液砂浆减缩的机理，有研究认为，乳液的掺入减缓

了砂浆早期水化放热的速率，减少了后期养护时砂浆内部水

分的丢失，因而产生减缩效果。为了进一步减小收缩，通常

采用的方法是掺纤维。有研究发现，掺加1.5%聚丙烯纤维的

聚合物乳液改性砂浆的收缩较空白普通水泥砂浆减少40。

5%,较同掺量乳液的改性砂浆减少28.6％。另外，利用改性

剂例如一些带有特殊基团的聚合物单体对聚合物乳液进行

改性，也能达到减缩的效果。5、耐久性聚合物改性砂浆的

耐久性一般包括抗渗透性、抗侵蚀性、抗冻性等。国外有学

者认为绝大部分水泥基材料的耐久性均可归因为水泥基材

料的渗透性和尺寸稳定性。通常经过聚合物改性后砂浆的耐

久性会有显著提高。试验结果表明，在砂浆中掺入聚合物乳

液后，孔隙孔径明显减小，大孔减少。大孔和连通孔被聚合

物本身填充或聚合物成膜封闭，因此改性砂浆的吸水率降低,

不透水性提高。聚合物的加入使砂浆形成更致密的微观结

构，提高了氯离子的渗透阻力因而其具有优良的抗氯离子渗

透性。试验表明，与空白水泥砂浆相比,聚灰比为20％的SAE

乳液、VAE乳液、SBR乳液及PAE乳液改性砂浆的抗氯离

子渗透性分别提高了69%，27％，75%和42％,其中SBR乳

液的改善效果更为理想。有学者认为,一层10mm厚的高性能

聚合物改性砂浆可以保护钢至少25年不被海水腐蚀。进一

步的试验研究表明，在水泥基修补材料中掺入高性能纤维可

以有效地抑制氯离子的渗透和防止钢筋锈蚀。通过改变水泥

的品种可以使改性砂浆具有特殊的耐盐性能，例如聚合物乳

液改性后的硫铝酸盐水泥修补砂浆具有优异的耐硫酸盐腐

蚀性能。

有研究发现，掺加苯丙乳液的改性砂浆耐酸性比空白砂浆有

很大改善，且改善的程度与酸的种类和其浓度有关，但是总

体的改善效果仍然较差。这可能因为水泥水化产物本身并不

耐酸，所以改性砂浆并不耐酸。对此有学者认为在聚合物改

性砂浆中掺入水玻璃可以提高其耐酸性能。

已有研究报道，聚合物改性砂浆的抗冻性优于普通水泥砂浆,

这是因为掺加聚合物时的低水灰比和硬化砂浆中聚合物膜

的存在及其合理的孔结构。有研究发现，掺入聚合物乳液后，

水泥砂浆的抗冻性能得到一定的改善.有学者对比了冻融循

环对空白水泥砂浆和聚合物改性砂浆的影响，研究结果表

明，经过100次冻融循环后，改性砂浆的强度损失小于6％,

质量损失小于2％，外观破损状况也较轻微。

三、聚合物改性机理1、聚合物对水泥水化的影响聚合物对

水泥砂浆的改性作用，与聚合物对水泥水化的影响有关.有学

者利用软Ｘ射线显微镜研究了VAE乳液对纯硅酸三钙（C3A)

早期水化的影响，结果表明，VAE共聚物在含有C3A的碱

性环境中发生水解释放出CH3C00-1，在溶液中与Ca2+反应

生成了有机盐,改变了C-S—H中的Ca/Si比,减小了Ca（OH)2

的含量，同时，CH3C00—1并入C—S-H凝胶层也增加了层

间距。此外，VAE粒子吸附在C3A颗粒的表面作为水化成

核质点阻碍了C3A的水解和水化晶体的生长，加速了颗粒的

沉淀。有研究发现，SBR乳液虽然能加速石膏与铝酸钙的反

应，提高钙矾石的生成,促进水泥水化,但其并非选择吸附在

水泥颗粒表面,而是按比例分散在整个系统之中.2、聚合物改

性水泥砂浆的微观结构材料的宏观性能与其内部的微观结

构紧密相关。聚合物改性水泥砂浆的微观结构涉及聚合物的

形态结构、聚合物在水泥颗粒表面的吸附、聚合物的成膜过

程、水泥水化产物、水泥基材的形貌等。有学者研究了水灰

比为0。5时聚合物乳液和正在水化的水泥颗粒表面的相互

作用,结果表明，阴离子胶乳从水泥孔隙溶液中吸附了大量的

Ca2+ ，电子显微照片证实带电的聚合物乳液选择性地吸附

在带相反电荷的水化水泥颗粒表面，在水泥水化和干燥的过

程中通过颗粒凝聚形成连续的聚合物薄膜.有研究发现，在环

氧乳液改性系统中，聚合物膜形成了一种三维结构,提高了改

性砂浆的力学性能，而在ＶＡＥ乳液改性系统中，聚合物和

水泥之间形成的化学键会提高二者间的相互作用和粘结力，

使聚合物膜紧密地吸附在硬化水泥体的表面,增强了改性砂

浆的力学性能。而对于改性水泥砂浆微观结构更致密韧性更

高的原因,有研究认为,随着聚灰比的增加，聚合物和水泥水

化产物形成的网状结构继续发展，孔径＜20mm的孔隙也开

始增大，表明改性水泥砂浆的孔径变得更优异.

四、修补用聚合物乳液的选择在实际工程中,应根据具体的技

术要求及性价比来选用合适的聚合物乳液改性水泥砂浆。下

面从几个方面对各种聚合物砂浆进行性能比较.

（1)成本的控制在修补加固工程中是一个非常重要的环节，

而聚合物乳液的成本又占修补材料的很大部分，引言中所提

到的几种聚合物乳液，价格高低顺序一般为EE＞PAE ＞

SAE＞CR＞SBR＞VAVEOEA＞VAE＞PVAC。

（2)如果工程对抗渗性和粘结强度要求较高，但对颜色要求

不高时，选用SBR较好。对以上3项都有较高要求，特别是

保持颜色重要且外部使用白水泥的场合则选用PAE。对粘结

强度要求较高，抗渗性和颜色保持要求一般时，可选用VAE。

只对粘结强度有要求，对耐水性没有要求的场合,可选用

PVAC，此类乳液最常用来修补桥梁面板、停车场面板及楼

板。对潮湿环境或外部暴露而非暴露在紫外线下的场合，可

选用苯乙烯丁二烯乳液(SB）;对暴露在紫外线下的场合，应

当使用PAE。对耐腐蚀性有较高要求的化工场合，应选用

GB50046-2008《工业建筑防腐设计规范》中所列入的氯丁乳

液水泥砂浆、聚丙烯酸酯乳液水泥砂浆、环氧乳液水泥砂浆。

（3)因为聚合物乳液改性后的砂浆性能较胶粉改性后的砂浆

更稳定，所以相关规范中规定，对重要结构进行修补加固，

应选用乳液类。乳胶粉的价格比相应乳液的成本高很多，相

同聚灰比时性能也不如相应乳液改性砂浆，因此，乳胶粉仅

仅用在对操作要求高而对材料成本要求不高的场合。五、结

语聚合物改性水泥砂浆具有强度高、韧性高、粘结性能好、

耐久性好等优点，目前已经广泛应用于工业与民用建筑、道

路桥梁、地下建筑、海港建筑等修补加固中.但其也存在一定

不足，一是性价比问题,聚合物的成本是水泥的10倍甚至100

倍以上,因此考虑到成本问题,应尽量使此类材料用量最小

化；二是不耐老化、高温和火灾,因此在制备聚合物乳液时应

增加聚合物高分子链的刚性及交联程度，同时避免乳液中出

现不饱和键；三是部分聚合物有毒、有异味，因此在施工时

应采取必要的防护措施，并且注意使用环境。对于今后此类

修补材料的研究与应用，本文建议从以下几方面去深入研

究：

(1）提高性价比：聚合物水泥砂浆价格是普通水泥砂浆的数

倍，因此在降低成本的同时保证其性能将是一大难题。因此，

有必要系统深入地研究优化材料组成中乳液、高效减水剂、

纤维、超细矿粉掺和料、水玻璃、水溶性聚合物等材料组成

与配比,进一步改善水泥砂浆的性能。并根据各种聚合物的性

能特点和具体的工程应用要求来选择性价比更合理的修补

材料。

（2）延长使用寿命：聚合物水泥砂浆常常用于混凝土表面

的薄层修补，如何保证修补材料及结构的耐久性还应进行深

入研究，特别是抗裂性、抗疲劳性能、耐老化性能等。特别

是国内外聚合物砂浆抗冻性的研究较少，尤其是砂浆修补混

凝土结构后的抗冻性的研究报道较少，所以该研究很有必要.

（3）特种聚合物改性砂浆的研究开发：除用于修补外,聚合

物改性砂浆也可用于混凝土表面的耐久性防护，根据不同的

环境条件和耐久性损伤类型研究开发具有不同性能（如抗碳

化、抗渗透、抗氯盐、抗硫酸盐等）的特种聚合物改性砂浆

是未来研究的热点。

（4)聚合物改性砂浆的水化成膜机理：除聚合物的种类外,

聚合物改性水泥砂浆的性能还受到聚合物成膜的形状、厚

度、空间交联形态及其与水泥水化产物的相互作用等的影响,

这方面的研究还不深入。