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1、建筑用功能高分子材料与新技术摘 要：本文论述了建筑用功能高分子材料与新技术的发展状况，并指出其 发展方向与应用前景。土建功能高子材料给现代建筑带来了革命性的变化，它的 使用解决了许许多多的工程难题。土建功能高分子材料在工程中主要有以下3个 方面的作用：（1）增加地基基础的承载力，防治地下水渗透；（2）改善混凝土的 使用性能，如改善混凝土的可操作性、耐久性等；（3）改进建筑物的使用功能， 如保温、隔热、防水密封、防火、防腐抗蚀等。关键字：高分子材料，混凝土，灌浆材料1发展现状1.1高性能混凝土功能高分子材料是20世纪60年代发展起来的新兴领域，是高分子材料渗透 到电子、生物、能源等领域后涌现出的
2、新材料。该类材料一般指在原有力学性能 基础上，还具有化学反应活性、光敏性、导电性、催化性、生物相容性、药理性、 选择分离性、能量转换性、磁性等功能的高分子及其复合材料。光功能高分子 材料是指能够对光吸收、储存、转化的一类高分子材料。其在材料领域中占有十 分重要的地位，目前，这一类材料主要包括各种光稳定剂、感光材料、非线性光 学材料、光学用塑料、光转换系统材料、光导材料和光致变色材料等。混凝土的发展经历了3次飞跃，即钢筋混凝土、预应力混凝土及复合混凝土 技术。预应力混凝土的出现是混凝土技术的一次飞跃，它通过外部条件对混凝土 进行改性，在大跨度建筑、高层建筑以及在抗震防裂、抗内压等方面取得了卓越
3、的成效。利用膨胀水泥生产补偿收缩混凝土和自应力混凝土是混凝土技术的另一 突出成就，其本质是变混凝土的收缩本性为膨胀本性，以克服混凝土收缩裂缝的 产生，并应用其膨胀性能来张拉钢筋。这是一种内外条件相结合的改性。高效减 水剂的应用是混凝土技术的重大发展，在混凝土混合料中掺入高效减水剂，可以 大幅度减低水灰比，提高混凝土的强度。复合混凝土技术是通过不同性质的有机高分子材料与无机高分子材料的互 相复合叠加、相互取长补短，极大地改善了混凝土的性能。这方面的技术主要有： 高性能混凝土技术、聚合物混凝土技术、浸渍高分子混凝土技术、碳纤维增强材 料与混凝土复合技术等。可以这样讲，高性能混凝土即是混凝土的发展方
4、向。优 质超细矿物粉料的应用使高性能混凝土进入广泛应用阶段。世界瞩目的三峡工程 混凝土浇注量达2900多万立方米，其主体工程混凝土的抗冻标号达D300以上， 同时对混凝土的水化热也有严格的要求，而其采取的重要技术措施之一就是向混 凝土中添加优质的I级粉煤灰。从今后的发展趋势来看，混凝土将向高性能化、功能化、绿色化的方向发展。 高性能化是指要最大限度地满足实际工程需要，使混凝土能方便地施工，并实现 最优的结构性能。除了强度以外，混凝土的耐久性能和长期性能显得更加重要。 在一些发达国家约有50%的经费用于已有建筑的维护和修复，大量调查表明，这 些建筑的破坏多属于耐久性的破坏。功能化就是要使传统的混
5、凝土由结构材料向 功能材料转变，使它发挥更大的作用，例如对于墙体材料，不应单纯地强调强度， 应注意它的保温隔热性能、隔声性能及装饰性能等。对于道路混凝土，已有单位 研制荧光混凝土，用在路面的路标上。此外，也有研究者研究了自检混凝土，当 混凝土中出现裂缝时，它可以自动发出信号。绿色化是要体现混凝土是一种环保 型的建筑材料，绿色混凝土是指要大力发展能大量消耗各种工业废渣的混凝土材 料。目前，高性能混凝土在北京、上海、广州的许多大型建筑物中已得到广泛应 用，C60C80混凝土已制定了建筑规范。高效减水剂的研究与开发在国内混凝 土外加剂中占有相当大的份额，并日益受到重视。但与发达国家90%以上混凝土
6、使用处加剂相比，我国混凝土使用外加剂仅占百分之几。常用的减水剂有萘磺酸 盐、甲醛缩合物、8-萘磺酸盐、芳香族树脂等，我国生产的减水剂主要有建-1、 AF、AU、DU - 3、FDN、FFT、FFS、UNF等。最近，利用聚苯乙烯废旧塑料 生产高效减水剂磺化聚苯乙烯的研制取得了可喜进展。此外，我国混凝土聚合物 的复合技术的研究与应用取得了很大进展，含有聚氨酯等树脂的聚合物混凝土已 被广泛地应用于机场跑道、高速公路快速修复、水下混凝土修复、耐蚀抗震混凝 土结构的施工。由于聚合物树脂具有耐高温、耐酸碱、不收缩、不老化、不龟裂 等特性，它可被广泛应用于混凝土修补、防漏、粘接、填缝等领域。例如国内开 发的
7、FS - 1浸透型混凝土保护液、中化-798系列高渗透型混凝土结构修复材料、 以环氧树脂为粘接剂的碳纤维混凝土补强材料等，均得到了广泛应用，并取得了 很好的效果。此外，在当代高科技的推动下，具有各种特殊功能的混凝土新材料 正在涌现。如针对普通水泥防水防潮性能差而开发的掺血混凝土；可以报告气象 的彩色混凝土；能够焊接的混凝土以及表面坚硬却可以象在木板上钉钉子的混凝 土等。1.2 土工复合材料土工复合材料是一种新型的岩土工程材料，它是以人工合成的高聚物（如塑 料、化纤、合成橡胶等）为原料制成用于岩土工程的新型材料。按照工程的要求 将这些专用的合成材料置于土体内部、表层或各层土体之间，以发挥加强保护
8、土 体的作用。土工合成材料一般指土工织物或超轻型填土材料，它们被用于土工中 的加筋技术和超轻质料填土技术并称为土工领域的2项技术革命。1.2.1 土工织物土工织物是一种多功能材料，主要功能有滤层作用、排水作用、隔离作用、 加强作用、防渗与防潮作用等。在实际工程中往往是一种功能起主导作用，其它 功能也不同程度地起作用。土工织物是以高分子合成纤维、合成橡胶与塑料为基 本原材料，这些高分子土工产品通常是以聚丙烯、聚酯为主，还有聚氯乙烯、聚 丙烯腈、聚酰胺、聚乙烯醇、聚烯烃、聚四氟乙烯以及透水性的土工材料氯橡胶、 丁腈橡胶等材料。由含有这些组分的纤维丝、绳和塑料袋、条、板所制成的土工 合成材料其主要特
9、性是：质地柔软而质量轻，整体连续性好，抗拉、抗折强度高， 耐腐蚀性和抗微生物侵蚀性好，反滤性好，防渗性好，施工非常方便。目前，国内土工织物的生产能力、应用范围、测试技术与理论研究等方面均 发展很快。土工织物在长江三峡工程、长江综合开发治理工程、防治洪涝灾害、 处理工业垃圾、保护水源以及环境保护等工程中均得到了应用。土工织物是一种 非常有生命力的新型土工材料，其经济效益、社会效益均非常显著，具有很高的 推广价值。今后，土工织物应面向大中型工程、永久性工程，并向系列化与复合 型的方向发展，同时相应的理论研究、测试技术、施工规范等方面也应不断地完 善与提高。1.2.2超轻型填土材料当前，应用较广泛的
10、轻质填土材料是聚苯乙烯泡沫塑料（EPS），它具有优 异的物理、化学性能以及随意切割成长型、逐层铺砌、搬运方便等优异的施工性 能。作为一种土建结构材料，它已广泛地应用于公路及铁路填土、桥台与挡墙填 土、机场、港口码头、地下结构等工程中，并取得了很好的效果。1995年我国 在杭甬高速公路桥头路堤采用EPS法，克服了软土地段填土的困难，将其填筑成 EPS与混凝土相结合的桥头路堤，使用情况良好。现已在沿海地区的软土工程中 得到推广应用。1.3高分子化学灌浆材料高分子化学灌浆材料是工程建设中的一项新技术，它是把由单体或低聚物等 组成的浆液灌入工程所需处理的部位，经聚合、交联等化学反应生成高聚物，使 被处
11、理的部位形成整体，达到防渗、堵漏和加固的目的。在大坝坝基基础加固和 防渗、矿山与隧道的开凿、地铁开挖、楼房纠偏、混凝土缺陷修复、文物保护等 方面得到广泛应用。1.3.1高分子化学灌浆材料分类和特点根据灌浆的目的和用途，高分子化学灌浆材料可分为两大类：一类为补强固 结灌浆材料，如环氧树脂类灌浆材料、甲基丙烯酸酯类灌浆材料等。另一类为防 渗固结灌浆材料，如丙烯酰胺类灌浆材料、木质素类灌浆材料、丙烯酸盐类灌浆 材料等。高分子化学灌浆材料的初始粘度小，浆材固结后强度大，它的固化时间 可以任意调节，可使其充填范围恰到好处，因此得到了迅猛的发展1.3.2常用的高分子化学灌浆材料（1）环氧树脂类灌浆材料它是
12、由糠醛和酮类化合物或其缩合物与环氧树脂、 固化剂等组成。中国科学院广州化学研究所开辟了环氧一糠醛一丙酮一胺体系作 为补强灌浆材料应用的新领域。该体系浆液放热大，固化速度慢，早期强度差， 对潮湿裂缝的粘结强度降低，后来又发展为糠叉丙酮树脂改性环氧浆液，克服了 浆液放热大的缺点，提高了固结体强度。为了提高浆液的可灌性，通过加入碱性 增渗剂和硅烷类增强剂降低接触角，可获得优异渗透性和良好力学性能的环氧呋 喃系列浆材。黄应辉等用环己酮代替丙酮研制出低粘度高强度弹性环氧糠酮浆 材。（2）聚氨酯类灌浆材料大多数化学浆液固结体弹性韧性差，低温反应活性 小，只限于灌浆稳定裂纹。聚氨酯类化学浆材活性大，固结体具
13、有良好的弹性和 强度，是解决此问题的最理想材料。目前，聚氨酯浆液分为油溶性聚氨酯（PM型 浆液）和水溶性类聚氨酯（SPM型浆液）灌浆材料。聚氨酯浆液是聚氨酯预聚 体为主体加上溶剂、催化剂、缓凝剂、表面活性剂、增塑剂及其它改性剂等组成， 研究的重点是如何改变聚氨酯预聚体、催化剂和缓凝剂三方面来提高浆液渗透 性，增大固结体强度，实现浆液固化的可控性。中国科学院广州化学研究所研制 出弹性蓖麻油性聚氨酯浆材，浆材可灌时间长，弹性较好，经葛洲坝新丰水电站 灌注，效果良好。聚氨酯浆材的缺点是耐久性差，大下俊元等已研制出可耐20年 的聚异氤酸酯灌浆材料。（3）甲基丙烯酸酯类灌浆材料由于应用丙烯酰胺化学灌浆造
14、成了环境污染， 促进了甲基丙烯酸酯类灌浆材料的研究及其在土木工程中的应用。甲基丙烯酸酯 类灌浆材料是以甲基丙烯酸酯为主剂，配以油溶性引发剂、促进剂、增韧剂等助 剂。AC400是美国在1980年推出的低毒丙烯酸盐水溶液为主剂的丙烯酰胺替 代浆液。我国也研制了ACMS等低毒、微毒或无毒的丙烯酸盐类化学灌浆材 料。为了提高浆材固化后的机械性能和粘结力，Couiter和Copeiand发明了丙烯 酸环氧灌浆材料，并用于封堵地层里岩石结构的缝。现代高分子化学灌浆技术在 理论研究、材料、工艺和施工机具、应用范围等方面都取得了重大的进展，并日 趋成熟。这方面的主要成就有：！低渗透介质灌浆理论的研究与工程实践
15、取得突 破性进展，被视为渗透禁区的泥化夹层被中化-798浆材所渗透；断层破碎带用 MMA灌浆处理，使弱风化岩的各种物理力学指标提高到新鲜岩石的水平；#对流 塑粘土大突泥进行化学固结，强度提高了1040倍。随着材料科学、灌浆技术的发展，研究和应用低毒甚至无毒、高性能的化学 灌浆已成为必然。丙烯酰胺类浆液由于丙烯酰胺单体具有一定的毒性，日本、美 国现已不使用，我国由于种种原因仍在大量使用。高分子化学灌浆技术的发展方 向为：灌浆技术与其它工艺相结合；材料的粘度向两极方向发展，即向低粘度、 高渗透以及高深度、易流动的稠浆方向发展；灌浆材料系列化、商品化，力求无 毒、无污染；灌浆工艺与方法规范化；灌浆机
16、具系列化、自动化。2结语土建功能高分子材料是继钢材、木材、水泥之后的第四种建筑材料。在要求 其高强度和高功能性的同时，如何与环境相协调已成为人类面临的重大课题。随 着高分子化学工业的发展，各种性能更加优异、功能奇特、设计精巧、使用方便 的土建功能高分子材料将会得到更大的发展。参考文献1 王远亮，潘君，蔡绍皙.组织工程研究的进展J.生物化学与生物物理进 展，2000，27 (4)： 365-367.2 O. Bostman， H. Pihlajmaki. Clinical biocompatibility of biodegradable orthopaedic implants for internal fixation: a review J. Biomaterials， 2000，21： 2615-26213 何天白等.功能高分子新技术，北京：化学工业出版社，2000.4 徐同文等.知识创新21世纪高新技术.北
