高强度PMMA复合塑料混凝土材料的制备及其力学性能的研究

Study on Preparation and Mechanical Properties of High Strength PMMA Composite Plastic Concrete Materials

摘要

研究在混凝土材料中加入聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA），制备了高强度PMMA复合塑料混凝土材料，并探究不同PMMA掺杂量对复合塑料混凝土材料力学性能的影响。结果表明：在材料的力学性能方面，抗压强度、抗折强度、抗拉强度、弹性模量和劈裂抗拉强度均随着PMMA掺杂量的增加呈现先上升后下降的趋势，并在PMMA掺杂量为6%时达到最大值，同时各项性能也达到最优。复合混凝土材料在冻融前后以及高温的条件下也能够保持其优异的抗压强度和抗折强度，说明制备的复合混凝土材料具有良好的应用前景。

关键词

甲基丙烯酸甲酯 / 复合混凝土材料 / 力学性能

Key words

Methyl methacrylate / Composite concrete material / Mechanical property

随着我国城市化进程的不断加快，混凝土作为一种功能性建筑材料对城市的建设起到重要作用^[1]。桥梁、隧道、公路、城市建筑等在使用过程中承受较高的压力，且一些混凝土材料经常暴露在恶劣环境中，比如高温、寒潮、雨水侵蚀等，特别在沿海地区，这种侵蚀情况更加严重^[2]。这些外界环境均要求混凝土材料具备良好的力学性能和抗侵蚀能力，以提高各建筑的使用寿命。普通混凝土材料的耐久性与力学性能有所欠缺。近年来，为了满足各种建筑的建设要求，混凝土材料也快速发展。目前已出现由各种材料，如纤维、活性微粉等复合改性制备的新型混凝土材料，对建筑行业的持续发展起到一定的促进作用^[3-6]。姜佩弦等^[7]通过在混凝土中加入纳米二氧化硅来改善混凝土的物理力学性能以及抗氯离子的渗透性能。结果表明：掺杂适量的纳米二氧化硅后，混凝土的抗压性能、抗折性能和抗氯离子的渗透性均有所提高。许圣泽^[8]以聚丙烯纤维为增强剂，制备了不同掺杂量的多孔生态混凝土。结果表明：聚丙烯纤维的最佳添加量为3%(体积分数)，在最佳添加量下，混凝土的致密度达到最高；抗折强度达到最大值，为4.68 MPa；抗压强度为14.68 MPa。以上研究均体现掺杂材料对混凝土的性能的改善作用。

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)也叫作有机玻璃，具有高透明度、价格低廉的特点。目前，因其良好的抗拉、抗压特性常用于混凝土的复合材料^[9-10]。为了提高混凝土材料的综合性能，本实验以PMMA为改性材料，与传统混凝土复合共聚，制备形成PMMA复合塑料混凝土材料，通过比较不同PMMA掺杂量下的复合塑料混凝土材料的各项性能探究PMMA的最佳用量。

1 实验部分

1.1 主要原料

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，分析纯，阿拉丁生化科技有限公司；减水剂，KH570，南京新河试剂厂；水泥，P·O 42.5级，密度2.7 g/cm³，含水量0.01%，天津天信水泥厂；碎石，粒径5~15 mm，含水量0.9%，天津和信建设有限公司；砂，Ⅱ区中砂，细度模数2.6，广东砂石经销厂。

1.2 仪器与设备

水泥砂浆搅拌机，JJ-5，济南力领试验机有限公司；万能试验机，CMT30，深圳莱特仪器设备有限公司；马弗炉，YH-SX2-4-10，南京玉衡仪器设备有限公司；冻融试验机，TDS-300，东华实验仪器有限公司。

1.3 样品制备

水泥砂浆搅拌机的温度为常温，加入不同掺杂量的PMMA，搅拌机的转速控制在50 r/min，搅拌10 min，直至搅拌物质呈现黏稠状。再向搅拌机中加入一定比例的水泥、砂、碎石、减水剂和水，5 min后将完全搅拌均匀的混凝土倒入试模中。在20 ℃下养护24 h后拆模，再保持温度为20 ℃，继续养护至28 d后进行各项性能测试及分析。PMMA的掺杂量分别为0、2%、4%、6%、8%、10%。表1为不同PMMA掺杂量的混凝土配比。

1.4 性能测试与表征

抗压强度测试：按GB/T 50081—2019进行测试，样品尺寸为10 cm×10 cm×10 cm，加载速率设置为30 MPa/min。

抗折强度、抗拉强度以及弹性模量测试：与抗压强度的测试条件、标准相同。

劈裂抗拉强度测试：按GB/T 50081—2019进行测试，样品尺寸为10 cm×10 cm×10 cm，加载速率为6 MPa/min。

冻融强度测试：样品尺寸为10 cm×10 cm×10 cm，采用快速冷冻法进行冻融实验，经过20次循环冻融后，测试冻融前后样品的抗压强度、抗折强度等力学性能。

抗高温性能测试：采用马弗炉进行升温实验，样品尺寸为10 cm×10 cm×10 cm，测试高温环境下样品的抗压强度、抗折强度等力学性能。

以上测试实验均进行3次，取平均值。

2 结果与讨论

2.1 不同PMMA掺杂量对复合混凝土材料的性能影响

通过改变聚合物PMMA的掺杂量探究复合塑料混凝土材料的力学性能。图1为不同PMMA掺杂量的复合塑料混凝土材料的抗压强度和抗折强度。

从图1可以看出，随着PMMA掺杂量的增加，复合塑料混凝土材料的抗压强度和抗折强度均呈现先上升后下降的趋势。当PMMA的掺杂量为6%时，复合塑料混凝土材料的抗压强度和抗折强度均达到最大值，分别为75.6 MPa和11.3 MPa。在此之后，当PMMA的掺杂量进一步提高时，复合塑料混凝土材料的抗压强度和抗折强度都存在一定程度的降低。这主要是由于PMMA是一种黏度很高的高分子聚合物，再加上与水泥、碎石、砂之间的结合能够进一步起到联结的作用，在混凝土材料中形成网络结构，增强各骨料之间的结合强度^[11-13]。不仅如此，复合塑料混凝土材料中PMMA的存在能够让材料在承受各应力时，承受吸收大部分的形变，因此当PMMA的掺杂量增加时，复合塑料混凝土的整体强度增大，抗压强度和抗折强度增强。但当PMMA的添加量超过一定值时，过量的聚合物在搅拌过程中发生黏结缠绕，会导致水泥、砂石等材料无法均匀分布在合成的复合塑料混凝土材料中，因此当承受应力时，混凝土材料的受力分布不均，更容易发生断裂或者弯曲，即表现为抗压强度和抗折强度的降低^[14-17]。

图2为不同PMMA掺杂量的复合塑料混凝土材料的抗拉强度和弹性模量。

从图2可以看出，随着PMMA的掺杂量的增加，复合塑料混凝土材料的抗拉强度和弹性模量变化趋势相近，均先显著增加后缓慢下降，在PMMA掺杂量为6%时达到最大值，分别为16.6 MPa和54.6 GPa。与未添加PMAA的混凝土相比，抗拉强度和弹性模量分别增加了29.7%和19.8%。由于PMMA强度较高，抗拉伸能力较强，适当的添加量能够加强混凝土内部各部分之间的结合能力。但PMMA的掺杂量过高会导致混凝土材料之间的结合程度减弱，内部致密程度有所下降^[18-23]，因此材料的抗拉强度和弹性模量均有一定比例的下降。

图3为不同PMMA掺杂量的复合塑料混凝土材料的劈裂抗拉强度。

从图3可以看出，当PMMA掺杂进混凝土材料中时，随着PMMA掺杂量的增加，混凝土的劈裂抗拉强度呈现先上升后下降的趋势。与未改性的混凝土相比，当PMMA掺杂量为2%、4%、6%、8%和10%时，掺有PMMA的混凝土材料的劈裂抗拉强度分别上升了13.8%、16.9%、30.8%、20.0%和6.2%。可以发现，添加了PMMA之后，混凝土材料的劈裂抗拉强度均有不同程度的上升，但当PMMA掺杂量为6%时，材料的劈裂抗拉强度达到最大值。这也进一步说明适量的PMMA的加入有利于改善混凝土材料的劈裂抗拉强度。

上述复合塑料混凝土材料的力学性能实验结果表明，PMMA的加入能够显著提高混凝土材料的力学性能。当PMMA添加量为6%时，PMMA复合塑料混凝土材料各项力学性能指标达到最优。

2.2 外界环境对PMMA复合塑料混凝土材料性能的影响

2.2.1 冻融对复合混凝土材料力学性能的影响

图4为不同PMMA掺杂量的复合塑料混凝土材料冻融前后的抗压强度和抗折强度。

从图4可以看出，随着PMMA掺杂量的增加，冻融后混凝土样品的抗压强度和抗折强度也遵循先上升后下降的趋势。但相比于冻融前，性能均有一定程度的下降，抗压强度的下降趋势分别为5.7%、5.5%、4.8%、4.4%、4.5%和4.6%；抗折强度的下降趋势分别为28.6%、32.6%、21.9%、12.4%、23.3%和25.9%。当PMMA掺杂量为6%时，冻融前后的抗压强度和抗折强度下降的程度最低。这是由于当PMMA的掺杂量低于6%时，PMMA的掺杂可以提高混凝土材料的强度，当外部环境的水冻结成冰，体积膨胀，混凝土材料的内部结构将会受到挤压，而混凝土材料内的聚合物能够分散一定的应力，减轻冻融情况对混凝土材料结构的影响，使力学性能相对保持。一旦PMMA的掺杂量超过一定值时，由于PMMA自身性质的原因使制备过程中搅拌不均等情况，在外部温度过低时，混凝土中的水分结冰体积膨胀，会导致本就不均匀的混凝土内部更容易出现孔洞和裂缝，冻融产生的破坏更大，使复合混凝土材料的力学性能下降明显^[24-28]。

2.2.2 温度对复合混凝土材料性能的影响

图5为不同PMMA掺杂量的复合塑料混凝土材料的导热系数和保温性能。

从图5a可以看出，随着PMMA掺杂量的增加，复合混凝土材料的导热系数先下降后上升。这是因为PMMA作为一种聚合物，其导热系数低，掺杂进混凝土进行改性后，混凝土具有较好的保温效果，其导热系数下降。但当PMMA掺杂量过高时，在混凝土中形成的聚合物网络造成空气在其中的对流，其导热系数产生一定程度的上升。在PMMA掺杂量为6%时，复合混凝土材料的导热系数最低，说明其保温性能较好。从图5b可以看出，当外界环境温度升高时，混凝土内部温度呈现先上升后持平再下降的趋势，其稳定温度均能够保持在43 ℃左右。并且在4 h关闭外加热源后，纯PP管材的内部温度很快下降，而在添加了PMMA之后，复合混凝土材料的温度下降较慢，可以说明PMMA的加入延长了内部材料升温时间，并且在6%掺杂量的PMMA复合混凝土材料中下降最慢，在8 h后也能够保持在32 ℃左右，内部温度的保持时间较长，说明材料的储存热量能力良好，证明其具有良好的保温性能。

图6为不同温度下不同PMMA掺杂量的复合塑料混凝土材料的抗压强度和抗折强度。

从图6可以看出，加入PMMA能够减少高温对混凝土材料力学性能的削弱作用。当PMMA掺杂量为6%时，对高温下复合混凝土材料的力学性能影响最小。这是由于PMMA的加入能够很好地吸收一部分热应力，而过量的PMMA则会导致材料内部受热不均，从而出现力学性能下降的情况^[29-32]。因此，以上实验结果证明，适量添加PMMA能够令混凝土材料具有优秀的保温效果，并且在外界恶劣环境下也能够保持其优良的力学性能。

3 结论

向混凝土材料当中掺杂PMMA，材料的力学性能，如抗压强度、抗折强度、抗拉强度、弹性模量和劈裂抗拉强度均随着PMMA掺杂量的增加呈现先上升后下降的趋势。PMMA的加入也能够使复合混凝土材料的保温性能得到改善。由于混凝土材料中引入了PMMA，在混凝土内部形成了聚合物网络，复合材料具有良好的力学性能，在PMMA掺杂量为6%时，各项性能也达到最优。综合以上的测试，PMMA掺杂量为6%的高强度复合塑料混凝土材料具有最佳性能。经过环境条件测试，在冻融前后以及高温的条件下，该材料也能够保持其优异的抗压强度和抗折强度，说明本研究制备的复合混凝土材料具有良好的应用前景。

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