聚丙烯酰胺對水泥土強度影響的試驗研究：
聚丙烯酰胺對水泥土強度影響的試驗研究，通過對不同聚丙烯酰胺摻量水泥土的無側限強度試驗，研究了聚丙烯酰胺對水泥土強度的影響規律，並 結合電鏡掃描試驗，從微觀上分析了聚丙烯酰胺對水泥土強度的影響機理，希望能為水泥土的工程應用提供一定 的參考。研究表明:水泥摻量為10%時，水泥土抗壓強度隨著聚丙烯醜胺摻量的增加呈先升後降的變化趨勢，摻人 適量的聚丙烯酰胺可有效提高水泥土的抗壓強度，並且存在一個最優摻量。
水泥土是以水泥為主劑，用水泥漿或水泥粉，按用途選取適當的配合比，與土體拌和均勻，使水泥與土發 生物理化學作用，經機械壓實和養護後形成的具有整體性、堅固性和水穩定性的建築材料m。它是一種具 有顯著經濟效益、社會效益和環境效益的建築材料，主要用於建築物軟弱地基處理、道路穩定層及農田水利 設施的防滲層等,尤其適用於沙礫料缺乏地區。但是，在水泥摻量較低時，水泥土材料表現出較明顯的抗拉 強度低、極限應變小、脆性大、易開裂等缺點，在某些工程當中應用時無法做到兼顧經濟實用。為此,人們開 始通過各種途徑對水泥土性能進行改良[2’3]，希望獲得經濟實用且能滿足工程要求的新型水泥土。
一種水溶性高分子聚合物材料-聚丙烯酞胺（Polyacrylamide,簡稱PAM)，以其獨特的理化性質，在水處 理、冶金、石油開采、食品加工等行業得到了廣泛的應用[4]。在建築工程中，由聚丙烯酰胺合成的建築材料應用相當廣泛,如聚丙烯酰胺建築膠黏劑與水泥混合製成各種高性能混凝土等。聚丙烯酰胺對水泥土強度影響的試驗研究，這類應用不但提供了高性 能的建築用基本材料，而且還解決了傳統材料達不到高強、快幹等特種要求的許多難題。本試驗擬在水泥土 中摻人適量的PAM，通過試驗研究，探討PAM對水泥土的作用機理D
2試驗
水泥為冀東牌P. 〇. 42.5普通矽酸鹽水泥，其性能符合規範要求，主要性能參數見表1。試驗用土取自 呼和浩特周邊，去除表麵30 cm的表土，將土樣風幹、撚散、過2 mm篩，並按照《土工試驗方法標準》規定進 行了比重試驗、含水量及界限含水量試驗、擊實試驗,實驗結果見表2^ PAM的主要技術指標見表3。
表1 R O. 42. 5普通矽鰱茲水泥性能指標 Tab. 1 Performance indicators of P. O. 42.5 portland cement
Fineness/% *Setting time/raino ■ Compressive strength/MPa Flexural strength/MPa
InitialFinal3d28 d 3 d28 d
1.2120175Qualification ■ 26.654.8 5.28.3
表2實驗用土的主要指標
Tab. 2 The main indicators of soil
liquid limit/%Plastic limit/%D1 i.、•」 Drying moisture Plasticity index
content/%Compaction maximum dry densily/g • cm*3Optimum water content/%
35,222.113.1 1L31‘8415-6
表3 PAM主要技術指標
Tab. 3The main characteristic indicators of PAM
NameMolecular weight/ x 106Ionic degree/% pH value Solid content/%Insolubles/ %Exterior
Polyacrylamide
(PAM)820-30 5-8 彡 90彡 0.05White granular
本試驗中，水泥摻量為10%，約為最優摻量的一半左右[5];PAM的用量為水泥用量的、5%、10% ;將 試驗前準備好的土料風幹，並在試驗前測定其風幹含水率;將PAM、土料和水,拌和均勻後裝入密封袋浸潤 24 h後，在摻和水泥，直接裝模壓實成型,試件為<j>50 mm x50 mm的圓柱體。在恒溫恒濕箱中養護至設計 齡期後進行無側限抗壓強度試驗，取3個平行試驗的抗壓強度的算術平均值作為該組試塊的無側限抗壓強 度。
無側限強度試驗采用濟南試金集團生產的WDW-50型萬能試驗機，加載速率2 mm/min，並實時記錄應 力、應變等參數。采用日本紫台Hitachi S-3400N1I型掃描電子顯微鏡觀察拍攝破壞斷麵微觀形貌。通過對 不同PAM摻量的水泥土的無側限抗壓強度試驗，研究PAM對水泥土強度增長的影響;並結合微觀的形貌特 征，分析PAM對水泥土微觀結構的改善機理。
3試驗結果與討論
3.1無側限抗壓強度試驗結果
PAM對水泥土無側限抗壓強度的影響結果見圖1，由此圖可知，聚丙烯酰胺對水泥土強度影響的試驗研究，隨著PAM摻量的增加，水泥土的強度變 化趨勢是先升後降，摻量為5%的實驗組的強度明高於其它組，且較基準組高出20%以上。水泥土的早期強 度增長較快，7 d齡期的強度達到60 d齡期強度是50%左右。當PAM/C為10%時，水泥土的強度卻發生了 顯著的降低。
1638 試驗與技術桂酸鹽通報和1卷
3.2微觀形貌
圖2是水泥土試件在放大1000倍、3000倍時的 SEM照片。圖2a、b充分說明了普通水泥土的微觀形 貌特征:水泥土的骨架顆粒仍以粒狀為主，聯結形式基 本為鑲嵌接觸，微觀結構較致密，有些顆粒間的凝膠體 鑲嵌在骨架顆粒上，形狀、大小各異，排列雜亂;顆粒間 的孔隙略明顯，但以小孔隙為主。沿斷麵破壞時，土顆 粒發生剝落,無微裂紋發育，總體上為“顆粒膠結結 構”。圖2c、d是PAM/C為5%的水泥土試樣，該組試 樣表麵的褶皺明顯增多，表明土壤顆粒表麵已經吸附 了一定量的PAM。此外，斷麵上的微裂紋較發育，且 微裂縫中間針狀結構交錯發育，表明土顆粒已經聚合為體積較大的土顆粒團，水泥石與周圍土顆粒膠結為整 體。顆粒間的孔隙較少，表明試樣的密實度較高，總體上表現為“整體膠結結構”。圖2e、f中試樣表麵的褶 皺更加明顯，這些褶皺彼此交聯，已將斷裂麵的土顆粒層層包裹，表明土壤顆粒表麵已經吸附了大量的 PAM。斷麵上沒有了較發育的微裂紋，反而出現了沒有牢固鑲嵌在斷麵當中的土顆粒團，使得試樣的密實度 略顯不足，總體上為“顆團嵌固結構”。
3.3試驗結果分析
水泥土本身是一個多元、多相、多界麵結構的複合材料，內部顆粒種類繁多、成份複雜，各集料結合麵的 粘聚性較低是影響其強度的重要原因之一 [6’7]。究通過宏觀力學實驗和微觀掃描電鏡試驗，綜合實驗結果 可以認為,PAM增強水泥土力學性能的主要原因有以下幾方麵：
(1)PAM是由丙烯酰胺單體聚合而成的長鏈狀高分子，分子量在400 ~ 2_萬之間，分子鏈上的酰胺 基團是極強的親水基團,能與水分子形成氫鍵，將水分子鎖定在PAM分子周圍。另外,水泥土中的微顆粒對 PAM分子還真有很強的吸附作用，當這些PAM分子吸附於顆粒表麵時，將大大改善這些微顆粒的表麵特 性，在水泥微粒表麵形成水膜，保證了水泥的充分水化；
(2)隨著水泥水化產物的不斷增加，PAM分子中的酰胺基團與水泥熟料水化產物之間也會發生相互的 作用。首先PAM的部分酰胺基團水解後轉化為含有羧基的聚合物⑴，聚丙烯酰胺對水泥土強度影響的試驗研究，而羧基正是高性能混凝土外加劑的主 導官能團之一，化學反應式為：
-[CH2CR( CONH2) ] „- + OH /H+ ->-[ CH2CR( COOH) ]+ NH3
然後,水解得到的竣基同水泥水化析出的Ca2 +等多種陽離子發生化學反應[9]，形成穩定的絡合物，通 過化學鍵與膠凝材料強烈地粘結在一起。Ca(OH)2在土顆粒與水泥粘結的過渡區含量高，是水泥土材料易 開裂的主要原因。PAM分子水解後產生的竣酸基團易和Ca( 0H) 2發生化學反應，形成穩定的羧酸鈣鹽，降 低了過渡區Ca(OH)2的濃度，導致了結晶細小且結晶度差，降低了界麵過渡區晶體的取向性，增大了膠凝 材料和骨料的粘結力,這是水泥土的力學性能提高的原因之一；
(3)通過離子鍵化合反應及K分子鏈的相互纏繞,PAM分子長鏈將在水泥土微孔隙之間彼此交聯，形 成一種貫穿於土體內部微孔隙的網狀結構，將水泥石及土顆粒膠結、牽連在一起，形成結合緊密的整體膠結 加筋結構。當水泥土受力時，這種PAM分子在土體中形成的空間網狀結構就起到了加筋作用，將所包裹的 各種微顆粒牽連在一起,增強了土體的抗開裂性能；
(4)雖然PAM的摻人對水泥土的強度有很大的提高，但是當PAM/C達到10%時，水泥土的強度反而 出現大幅下降，甚至較基準組還有所降低。這與高分子聚合物材料“低濃度凝聚，高濃度排斥”的性質有著 很大的關係。由於PAM可以吸附在土顆粒的表麵，當濃度較低時,具有長鏈分子結構的PAM就可以吸附在 相鄰的兩個微粒上，或者吸附在相鄰微粒上的PAM由於離子反應而交聯在一起，將相鄰的微粒牽連在一起， 形成(3)中所述的結構，增強了水泥土結構的強度；當PAM濃度較高時，土顆粒的表麵就會吸附大量的 PAM，由於這些PAM分子的間距過於接近，其分子間的相互作用力開始變大，分子之間變現為斥力，使得吸 附了大量PAM的微顆粒之間也表現為斥力，這樣就大大削弱了土顆粒之間的相互作用力，聚丙烯酰胺對水泥土強度影響的試驗研究，對水泥土結構體 係起到了分散的作用,故而導致了水泥土強度的大幅降低。土顆粒間的相互作用關係如圖3所示。圖3a表 示土顆粒之間由於PAM的牽連作用而形成的空間網狀結構，從圖2c、d可以看出在發生破壞時，僅產生了微 裂縫而沒有土顆粒的剝落;圖3b表示土顆粒由於表麵吸附了大量的PAM而產生相互排斥力，削弱了土顆粒之 間的結合力，從圖2e、f可以看出在發生破壞時，部分土顆粒已經脫離了整體結構，明顯減低了水泥土的整體性。
4結論
(1)PAM同時具有促進水泥水化和改善水泥土中微粒界麵性質的雙重作用，使得水泥土的整體結構更 加密實，有效地提高水泥土的強度；
(2)PAM分子通過離子化合反應在孔隙中交聯成空間網狀，將水泥土體的微顆粒包裹膠連在一起，形 成整體膠結加筋結構，在水泥土受力破壞時，可以有效的組織微裂縫的擴展，增強了水泥土材料的整體性；
(3)在PAM摻量合適的情況下,可以增強水泥土的無側限抗壓強度。但是，當PAM摻量過多以後，吸 附在相鄰土顆粒上的PAM分子之間由於表現為斥力，不但無法通過交聯作用形成空間網狀結構，而且還會 削弱微粒之間的結合力，降低了水泥土的強度。
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