第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意
随着我国城镇化进程的高速发展，目前混凝土已经成为国内消耗量最大的建筑材料之一，保证混凝土材料建筑物的安全性是建筑行业必须要解决的问题。在实际工程中，经常出现混凝土表面强度偏低以及易出现裂缝的问题。由于混凝土的配合比不合理、原材料中杂质过多及施工工艺不规范，导致混凝土表面产生“蜂窝麻面”，降低混凝土的表面强度[1]；混凝土凝结之前表面水分蒸发过快、水化过程中产生的水化热过大及混凝土配筋率不足导致混凝土表面易出现裂缝。在实际工程中处理上述问题的主要方式是选取优质原材料和改进施工工艺等，但效果并不显著。
本课题以高分子聚合物为基础，研究了高分子聚合物表面增强剂和高分子聚合物裂缝修复砂浆的优化配比，解决了混凝土表面强度低和表面存在裂缝的问题。本课题研究的意义是通过向混凝土表面涂抹高分子聚合物表面增强剂，提高混凝土的表面强度和耐久性，解决建筑结构的安全隐患；用裂缝修复砂浆修复混凝土裂缝，增强结构的稳定性，延长混凝土的使用寿命。本课题所选用的高分子聚合物乳液均为无毒无害的绿色试剂，在实际工程中使用高分子聚合物表面增强剂和高分子聚合物表面修复砂浆可推动建材行业向绿色环保的方向发展。
......................
1.2 国内外研究现状
近年来，国内外研究学者就高分子聚合物在混凝土表面修复中的应用做了大量的研究并取得了可观的研究成果：
（1）高分子聚合物建筑涂料的研究概况
近些年来，建筑行业中应用最多的高分子聚合物涂料主要有锂基渗透液、有机硅树脂乳液及环氧树脂乳液。锂基渗透液的主要成分是锂分子和特种胶体二氧化硅，属高分子材料，其是一种无色透明的液体，具备很高的表面活性和渗透性，且锂基渗透液是沿着混凝土的毛细孔道以及相通的细微裂纹进入混凝土内部，与水泥水化过程中产生的氢离子进行反应，生成胶凝物质，填补混凝土内部孔隙[2]；有机硅树脂乳液是由硅烷和硅酸盐组成的水基化合物，且无毒、不燃，不含挥发性物质。有机硅树脂乳液能够渗入混凝土表层，与水泥的水化产物发生水解反应并脱去醇，生成空间上互连的有机硅树脂，且在混凝土表面形成保护层，能够有效地防止水分和其他有害离子渗入混凝土，提高混凝土结构的耐腐蚀性和耐候性[3]。有机硅树脂乳液对温度的适应能力也较强，在低温条件下能够保持良好的韧性，在高温环境下具有很强的稳定性[4]；环氧树脂是指分子中存在两个或两个以上的预聚物，其具有极强的吸收水分和湿度的能力，但是尺寸稳定性差，环氧树脂属于热固性树脂的一种，其具备良好的物理特征、黏结性能以及电绝缘能力，可广泛应用于建筑涂料[5]。
国际上对于混凝土表面修复材料的研究较多，美国、法国、匈牙利、西班牙和俄罗斯等国家主要通过对高分子聚合物分子结构的研究进行高分子聚合物化学试剂的配制，在国外的一些工程中已经大量使用高分子聚合物进行路面、桥梁以及工民建的修补[6]；20 世纪八十年代，英国最先采用涂抹外部涂料方式来处理混凝土的表面实际问题，使用硅烷试剂提高混凝土桥梁的抗氯离子渗透能力[7]；中国从 1990 年开始使用有机硅树脂乳液，最初是将铁粉等硬度较高且耐热性强的物质加入有机硅树脂乳液中，并将其应用在建筑防火领域[8]；直到二十一世纪初期，我国才开始将高分子聚合物应用于水工大坝等混凝土工程[9]；我国最早大面积使用高分子聚合物混凝土表面涂料的工程是宁波的大榭跨海大桥，用有机硅树脂乳液对跨海大桥表面进行了防水处理[10-11]；武汉高速铁路采用了有机硅树脂透明涂料，涂抹之后混凝土的表观效果能够达到清水混凝土的水平，且耐久性能够大幅提高，实现延长结构寿命的要求[12]；Poon[13]等人的研究结果表明，目前工程中大量采用的表面处理剂都属于有机材料，有机材料有很好的疏水性，能在混凝土孔壁内形成憎水膜，并堵塞混凝土孔隙；周其凤[14-16]等人的研究结果表明，基于有机硅聚合物优异的化学特性、耐高温性、低表面张力和耐候性，在工程中可使用有机硅作为建筑涂料的成膜物；魏涛[17-20]等人的研究结果表明，环氧树脂涂料在实际应用中可分为水性环氧树脂乳液及溶剂型环氧树脂乳液，水性环氧树脂乳液挥发性小、成本低、冲击强度高，溶剂型环氧树脂属有毒有害物质，不符合绿色建材的要求。因此在我国工程中使用的环氧树脂种类大多为水性环氧树脂，且其在水工工程中的应用较多。
..........................
第 2 章 原材料及试验方法
2.1 原材料
2.1.1 水泥
采用金隅公司生产的P · O 42.5普通硅酸盐水泥，水泥的化学组成及基本物理性能见表 2-1 和表 2-2。
..........................
2.2.1 原材料性能试验方法
2.2.1.1 水泥材性试验
依据《通用硅酸盐水泥》（GB 175 ?2007），《水泥细度检验方法（筛析法）》（GB/T 1345-2005），《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》（GB/T 1346-2011）及《水泥比表面积测定方法（勃氏法）》（GB/T 8074 ?2008），测定水泥的化学组成、凝结时间、标准稠度、细度、安定性、比表面积等基本性质。
2.2.1.2 胶凝材料材性试验
依据《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T 1596 ?2017），《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》（GB/T 18046-2017）测定粉煤灰及矿渣粉的化学组成及基本物理性能。
2.2.1.3 骨料材性试验
依据《建设用砂》（GB/T 14684-2011），测定天然细骨料的基本物理性能。依据《建设用卵石、碎石》（GB/T 14685-2011），测定粗骨料的基本物理性能。
混凝土回弹强度试验依据《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ/T 23-2011），用于研究高分子聚合物表面增强剂对混凝土表面强度的影响。
混凝土回弹仪的原理是 用一弹簧驱动弹击锤，并通过弹击杆弹击混凝土表面所产生的瞬时弹性变形的恢复力，使弹击锤带动指针弹回并指示出弹回的距离。回弹值则是弹回的距离与冲击前弹击锤与弹击杆之比。回弹值实际反应的是混凝土的表面强度，在实际工程中可以基于混凝土的回弹值和混凝土的碳化深度，根据《回弹法检测混凝土抗压强度技术规程》（JGJ/T 23-2011）中测区混凝土强度换算表，推测混凝土的整体强度。本试验通过平均回弹值mR 表征混凝土的表面强度。
.........................
3.1 高分子聚合物乳液对混凝土表面强度的影响 ................................... 21
3.1.1 锂基渗透液对混凝土表面强度的影响 ........................... 21
3.1.2 有机硅树脂乳液对混凝土表面强度的影响 ......................... 22
第 4 章 高分子聚合物表面增强剂对混凝土耐久性研究及机理分析 ..... 40
4.1 高分子聚合物表面增强剂对混凝土耐久性能的影响 ........................... 40
4.1.1 高分子聚合物表面增强剂对混凝土抗氯离子渗透性能的影响 ................ 40
4.1.2 高分子聚合物表面增强剂对混凝土抗碳化性能的影响 ............................ 42
第 5 章 高分子聚合物裂缝修复砂浆的配比研究 .................................... 57
5.1 裂缝修复砂浆试验配合比选取 ..................................... 57
5.2 基于力学性能确定基础砂浆配合比的研究 .............................. 58
5.3 基于工作性能分析高分子聚合物砂浆配合比的研究 ...................... 59
第 5 章 高分子聚合物裂缝修复砂浆的配比研究
5.1 裂缝修复砂浆试验配合比选取
目前在实际工程中，混凝土裂缝的修复仅采用水泥砂浆作为唯一修复材料，原因是水泥中不含有机化合物，与混凝土的相容性好、价格低廉，但是水泥也存在早期收缩大、养护时间长等缺点，这会导致灌入裂缝的水泥砂浆与原裂缝的接触面产生分离，影响混凝土结构的耐久性[127]。由于矿渣粉中含有活性二氧化硅和三氧化二铝，能生成有助于硬化的混合料，保证砂浆的后期强度，且矿渣粉的成本也远远低于水泥，使用矿渣粉替代一部分水泥既能防止废渣乱排乱放，也能提高修补砂浆的应用性能[128]。因此本节试验通过加入矿渣粉替代部分水泥，提高裂缝修复砂浆的性能。
高分子聚合物乳液能够提高裂缝修复砂浆的粘结性和耐久性，也能加快砂浆的硬化速度，且可在室温和潮湿或过湿的环境中固化，能与水泥、石灰、石膏等物质胶结，可提高砂浆早期强度、韧性以及防水性能[131-132]。因此将含固量为 10%和 15%的锂基渗透液、有机硅树脂乳液及环氧树脂乳液完全替代配合比中的水，基于高分子聚合物净浆的工作性能对高分子聚合物砂浆配合比做进一步研究。
将含固量为 10%和 15%的锂基渗透液、有机硅树脂乳液及环氧树脂乳液与水泥和矿渣粉混合进行净浆试验，测定净浆的流动度，观察净浆的状态，根据净浆的状态与流动度筛选出工作性能优异的组别。
.......................
结论
本课题以锂基渗透液、有机硅树脂乳液及环氧树脂乳液为基础，外掺硫酸钠、乳胶粉、滑石粉、成膜助剂和消泡剂，通过混凝土回弹强度试验研究添料的最佳掺量，确定高分子聚合物表面增强剂的配比，同时研究该配比下高分子聚合物表面增强剂的增强效果及对混凝土孔结构、微观形貌以及耐久性的影响；以锂基渗透液、有机硅树脂乳液及环氧树脂乳液为基础，通过工作性能试验及力学性能试验确定高分子聚合物裂缝修复砂浆的配比以及修复砂浆的裂缝修复能力。主要结论如下：
（1）在混凝土表面涂抹锂基渗透液、有机硅树脂乳液及环氧树脂乳液均可提高混凝土的表面强度。其中，涂抹环氧树脂乳液对混凝土表面强度的提升最为明显；外掺硫酸钠、乳胶粉、滑石粉、成膜助剂和消泡剂均可提高高分子聚合物乳液的表面增强能力，其中，掺入成膜助剂和消泡剂的高分子聚合物乳液对混凝土早期的表面强度提升最为明显。
（2）通过回弹强度试验研究高分子聚合物表面增强剂的最优配比，最优配比下，锂基渗透液表面增强剂的含固量为 10%，硫酸钠、乳胶粉、滑石粉、成膜助剂和消泡剂的掺量分别为 5%、3%、3%、0.6%和 0.6%，56 天的表面强度增长率接近 14.0%；有机硅树脂乳液表面增强剂的含固量为 10%，硫酸钠、乳胶粉、滑石粉、成膜助剂和消泡剂的掺量分别为 3%、3%、3%、0.6%和 0.6%，56 天的表面强度增长率约为 15.5%；环氧树脂乳液表面增强剂的含固量约为 15%，硫酸钠、乳胶粉、滑石粉、成膜助剂和消泡剂的掺量分别为 3%、3%、3%、0.6%和 0.6%，56 天的表面强度增长率约为 18.0%。
（3）高分子聚合物表面增强剂在温度为 20±2℃，湿度为 50%的养护条件下，渗入混凝土内部的最大深度为 6±0.5mm；在温度为 20±2℃、湿度为 90%的养护条件下，环氧树脂乳液表面增强剂的渗透效果最好；在温度为 30±2℃、湿度为 90%的养护条件下，锂基渗透液和有机硅树脂乳液表面增强剂的渗透效果最好。
（4）在混凝土表面涂抹高分子聚合物表面增强剂能够使混凝土表面的微观结构更加致密，其中环氧树脂乳液表面增强剂对混凝土微观结构的优化效果最好；在混凝土表面涂抹高分子聚合物表面增强剂能够改善混凝土的孔结构，其中环氧树脂乳液表面增强剂的改善效果最好。
参考文献（略）