聚丙烯酰胺改性水泥混凝土

(長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　西安市　710064)

摘　要： 研究了聚丙烯酰胺對(duì)水泥混凝土橋面鋪裝層路用性能的改性效果。結(jié)果表明： 聚丙烯酰胺對(duì)提高抗折強(qiáng)度、粘結(jié)強(qiáng)度、彎曲韌性和抗磨性有顯著作用， 并可降低壓折比、滲透性和收縮性。

關(guān)鍵詞： 橋面鋪裝層；聚丙烯酰胺；粘結(jié)強(qiáng)度；彎曲韌性；壓折比

　　隨著大交通量和重載現(xiàn)象的增多， 路面和橋面鋪裝的破壞也日趨嚴(yán)重， 尤其是一些大橋橋面的早期破壞已引起交通部門的高度關(guān)注， 昂貴的維修加固費(fèi)用已讓交通管理部門不堪重負(fù)。研究和開(kāi)發(fā)性能優(yōu)異、經(jīng)久耐用的橋面鋪裝材料， 具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義。普通水泥混凝土具有抗拉強(qiáng)度低、極限應(yīng)變小、彎曲韌性差、抗?jié)B性差、脆性大和易開(kāi)裂等缺點(diǎn)， 因而無(wú)法滿足橋面鋪裝層的特殊需要。大量研究表明層間粘結(jié)不好、收縮性能和彎曲韌性差是橋面鋪裝水泥混凝土產(chǎn)生病害的主要原因[ 1， 2 ]。為克服這些缺陷， 人們一直在尋求改善水泥混凝土性能的途徑。近年來(lái)， 在水泥混凝土中加入少量有機(jī)高分子聚合物， 成為對(duì)水泥混凝土性能進(jìn)行改良的一個(gè)新動(dòng)向。因?yàn)橛袡C(jī)高分子聚合物的長(zhǎng)分子鏈結(jié)構(gòu)以及大分子中的鍵節(jié)或鏈段的自旋轉(zhuǎn)性， 決定其具有與無(wú)機(jī)非金屬材料不同的性質(zhì)——彈性和塑性， 所以水泥混凝土中加入少量有機(jī)高分子聚合物， 既可以使混凝土獲得高密實(shí)度， 又不至于使混凝土的脆性加大， 這樣， 便可制得高強(qiáng)低脆的水泥混凝土， 從而進(jìn)一步拓寬了水泥混凝土的使用領(lǐng)域。在眾多的水泥混凝土改性用聚合物中， 水溶性聚合物丙烯酰胺(Po lyacryam ide， 簡(jiǎn)稱PAM ) 因其優(yōu)異的物理化學(xué)特性， 已在各行業(yè)中受到廣泛應(yīng)用。但將PAM 應(yīng)用于水泥混凝土路面的并不多， 為了研究PAM 對(duì)混凝土路用性能的改性效果， 本文采用聊城泰豐化工有限公司生產(chǎn)的板橋牌聚丙烯酰胺和陜西產(chǎn)的HSP 高效減水劑分別配制PAM 改性混凝土和防水混凝土， 對(duì)普通防水混凝土、摻HSP 高效減水劑的防水混凝土和PAM 改性混凝土等幾種復(fù)合材料進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)研究， 并分析了PAM 改性混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、層間粘結(jié)強(qiáng)度、抗磨性、抗?jié)B性、收縮性能和彎曲韌性等性能與PAM 摻量的關(guān)系。

1　原材料配比及試驗(yàn)方法

1.1　原材料

水泥： 采用陜西耀縣水泥廠生產(chǎn)的秦嶺32.5 (R ) 硅酸鹽水泥， 其性能符合規(guī)范要求。

砂： 采用渭河水洗砂， 表觀密度2. 68 g.cm³、自然堆積密度1. 41g.cm ³、含泥量0. 8% ， 細(xì)度模數(shù)M x = 2. 7。

碎石： 采用陜西臨潼產(chǎn)的人工軋制碎石， 其中粒徑0.5～ 1cm 的碎石30% ， 粒徑1～2cm 碎石占70% ， 級(jí)配良好。

外加劑： 采用陜西恒升外加劑有限公司產(chǎn)HSP 高效減水劑。

聚丙烯酰胺： 采用聊城泰豐化工有限公司生產(chǎn)的板橋牌聚丙烯酰胺， 其相對(duì)分子質(zhì)量為6×10⁶， 為白色粉末狀干粉。

1.2　配合比方案

     按強(qiáng)度等級(jí)C45、坍落度30～ 50 mm 和砂率39% 設(shè)計(jì)普通防水混凝土作為基準(zhǔn)混凝土， HSP 高效減水劑的摻量采用水泥用量的1% ， PAM 按水泥用量的6%、8%、10% 等3 種摻量加入基準(zhǔn)混凝土中。具體配合比方案及坍落度測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1。

1.3　PAM 改性水泥混凝土的攪拌工藝

    由于水泥混凝土攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速與水泥凈漿攪拌機(jī)相比很慢(水泥混凝土攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)速為42 r.min， 而水泥凈漿攪拌機(jī)低速自轉(zhuǎn)為140 r.min ± 5 r.min， 高速自轉(zhuǎn)為285 r.min ±10 r.min ) ， 因此其攪拌剪切速率很低， 當(dāng)與基準(zhǔn)混凝土攪拌相同時(shí)間(3 m in) 時(shí)， PAM 改性混凝土的流動(dòng)性下降較大， 坍落度損失較快， 有假凝現(xiàn)象， 給以外力震動(dòng)或二次攪拌流動(dòng)性有所恢復(fù)， 且延長(zhǎng)攪拌時(shí)間流動(dòng)性逐漸改善。經(jīng)反復(fù)試拌發(fā)現(xiàn)， 攪拌12m inPAM 改性混凝土的流動(dòng)性最好， 外觀感覺(jué)比基準(zhǔn)混凝土還稀軟， 再繼續(xù)延長(zhǎng)攪拌時(shí)間流動(dòng)性無(wú)太大改善， 因此決定PAM 改性混凝土的攪拌時(shí)間采用12 m in。

     由于PAM 優(yōu)異的膠粘性， 導(dǎo)致水泥混凝土稠度及粘聚性顯著增加， 即便是PAM 改性混凝土的流動(dòng)性較好， 但因其粘性大， 用坍落度法也無(wú)法測(cè)定其坍落度值， 即使在坍落度筒內(nèi)側(cè)涂上潤(rùn)滑劑， 也會(huì)出現(xiàn)部分粘筒的現(xiàn)象， 從而使新拌混凝土體受到擾動(dòng)導(dǎo)致測(cè)出的坍落度值失真(表1 的坍落度值是在提筒過(guò)程中用搗棒在坍落筒兩側(cè)交替敲擊各5 下所測(cè)得的結(jié)果)。因此， 用坍落度來(lái)評(píng)定其工作性不合適。振動(dòng)法較為理想， 雖然維勃稠度儀有振動(dòng)， 但其測(cè)試有提筒的程序， 開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單實(shí)用而又經(jīng)濟(jì)可行的測(cè)試儀器是當(dāng)務(wù)之急。

1.4　試驗(yàn)方法

(1) 抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、抗磨性、抗?jié)B性和收縮性能均按照《公路工程水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ 053- 94) 規(guī)定的方法測(cè)定。

(2) 層間粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)方法。層間粘結(jié)強(qiáng)度的測(cè)定目前還沒(méi)有規(guī)定統(tǒng)一的方法， 本文參考文獻(xiàn)[ 5 ]的界面粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)試原理， 對(duì)100 mm ×100 mm ×300 mm 的混凝土試模稍做處理， 得一種不用專門加工儀器設(shè)備的簡(jiǎn)便易行之法。該方法是： 先澆注一條100 mm ×100 mm ×300 mm 的混凝土試塊(配合比1 ∶ 1115 ∶ 2195， W .C= 0.44) ， 在20℃±1℃的水中養(yǎng)護(hù)28 d 后取出擦干， 放置4 h， 用鋼刷刷凈試件表面， 然后以試件成型時(shí)的側(cè)面為粘結(jié)面豎直放入試模正中， 兩側(cè)的試模底部分別墊上100 mm ×100 mm ×5 mm 的鋼板并涂刷脫模劑(如圖1) ， 再分別澆注防水混凝土、纖維混凝土和聚合物混凝土等新材料， 養(yǎng)護(hù)28 d 后按圖2 所示墊上鋼塊， 在10 t 壓力機(jī)上進(jìn)行測(cè)試。按下式計(jì)算界面粘結(jié)強(qiáng)度：

f = F (100×95×2) (1)

式中： f 為界面粘結(jié)強(qiáng)度，M Pa；F 為壓力，N。

(3) 彎曲韌性試驗(yàn)方法。    

采用美國(guó)M TS 公司生產(chǎn)的路面材料動(dòng)態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)(M TS) 跟蹤試件的荷載～ 撓度曲線， 用Dtb= L . 150 時(shí)， 荷載～ 撓度曲線下包圍的面積來(lái)表示韌度。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1　抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度

抗折強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表2， 由表1、表2、圖3 和圖4 試驗(yàn)結(jié)果表明： (1) 摻入1%HSP 高效減水劑后， 混凝土的和易性明顯變好， 減水率達(dá)15% ， 這是由于HSP 摻入混凝土后， 產(chǎn)生了吸附、分散、潤(rùn)濕和潤(rùn)滑的作用之故；(2) 摻HSP 高效減水劑的防水混凝土的強(qiáng)度均比普通防水混凝土有明顯提高， 抗折強(qiáng)度28 d 提高6. 1% ， 抗壓強(qiáng)度7 d 提高9. 7% ， 28 d 提高8. 1%。這是由于HSP 高效減水劑的加入， 使混凝土的水灰比下降， 從而使水泥石內(nèi)部孔隙率明顯減少， 結(jié)構(gòu)更為致密， 因而強(qiáng)度和耐磨性顯著提高。同時(shí)， HSP 高效減水劑也使混凝土脆性降低， 其壓折比比普通防水混凝土降低5. 8% ， 說(shuō)明HSP 高效減水劑具有一定的降脆效果；(3) PAM 的加入導(dǎo)致新拌混凝土坍落度明顯減少， 且有隨著PAM 摻量的增加流動(dòng)性下降的趨勢(shì)。這主要是由于PAM 優(yōu)異的膠粘性， 導(dǎo)致混凝土稠度及粘聚性顯著增加的結(jié)果；(4) PAM 的加入導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度明顯下降， 但抗折強(qiáng)度均比普通防水混凝土顯著提高， 且隨著PAM 摻量的增加而先增加后減少， 其中P 2 組提高幅度最大， 提高幅度達(dá)22. 6%。PAM 改性混凝土的脆性系數(shù)(壓折比) 均比普通防水混凝土降低， 且隨著PAM 摻量的增加而減少。這些都表明PAM 的降脆增柔效果很好。

2.2　層間粘結(jié)性能

      層間粘結(jié)強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3 和圖5， 顯然摻HSP 高效減水劑的防水混凝土和PAM 改性混凝土的層間粘結(jié)強(qiáng)度均比普通防水混凝土明顯提高， 其中摻HSP 高效減水劑的防水混凝土提高幅度達(dá)17. 1% ， 其中P 3 組提高幅度最大， 提高近4 倍。而且PAM 改性混凝土的層間粘結(jié)強(qiáng)度有隨著PAM 摻量的增加而增加的發(fā)展趨勢(shì)。這是由于PAM 超凡的膠粘性能和絮凝性能， 導(dǎo)致混凝土的層間粘結(jié)強(qiáng)度提高的結(jié)果。

2.3　抗磨性與抗?jié)B性

      抗磨性與抗?jié)B性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4、圖6 和圖7， 試驗(yàn)結(jié)果表明： (1) 摻HSP 高效減水劑的防水混凝土的抗磨性與抗?jié)B性均比普通防水混凝土有所提高， 其單位面積磨損量比普通防水混凝土減少7.6% ， 滲水高度比普通防水混凝土減少26. 5%。這進(jìn)一步證明HSP 高效減水劑的加入， 使混凝土的結(jié)構(gòu)更為致密， 從而使混凝土的抗磨性與抗?jié)B性提高；(2) PAM 改性混凝土的抗?jié)B性均比普通防水混凝土顯著提高， 且隨著PAM 摻量的增加而先增強(qiáng)后降低。其中P 2 組提高幅度最大， 其滲水高度降低91. 2%。這充分表明， PAM 改性混凝土的抗?jié)B性的提高， 是由PAM 在混凝土中生成的橡膠狀固體密實(shí)填充于混凝土孔隙之中， 從而增強(qiáng)了PAM 改性混凝土的致密性。耐磨性試驗(yàn)也進(jìn)一步證明了這一點(diǎn)， PAM 改性混凝土的耐磨性均比普通防水混凝土有明顯提高， 其中P 1 組提高幅度最大， 其單位面積磨損量降低21. 4%。但PAM 改性混凝土單位面積磨損量卻隨著PAM 摻量的增加而增加。由此可見(jiàn)， 從抗磨性與抗?jié)B性綜合考察聚丙烯酰胺的最佳摻量為0. 9 kg.m³。

2.4　彎曲韌性

     彎曲韌性試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5 與圖8， 結(jié)果表明： 摻HSP 高效減水劑的防水混凝土的彎曲韌性比普通防水混凝土有所提高， 其韌度增加34. 6% ， PAM 改性混凝土的彎曲韌性比普通防水混凝土明顯提高， 且隨著PAM 摻量的增加而先增加后減少。其中P 2 組提高幅度最大， 其韌性提高169%。這充分說(shuō)明PAM 的加入， 使混凝土的柔韌性得到明顯改善。

2.5　收縮性能

     收縮測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表6與圖9， 結(jié)果表明： PAM 改性混凝土和摻HSP 高效減水劑的防水混凝土在各齡期的收縮率均比普通防水混凝土減小。普通防水混凝土6 個(gè)月齡期的收縮率分別是其14 d 齡期的2. 02 倍、28 d 齡期的1. 41 倍、45 d 齡期的1. 09 倍。摻HSP 高效減水劑的防水混凝土6 個(gè)月齡期的收縮率分別是其14 d 齡期的1. 86 倍、28 d 齡期的1. 36 倍、45 d 齡期的1. 11 倍， 說(shuō)明HSP 高效減水劑的加入， 使混凝土結(jié)構(gòu)更為致密， 因而收縮性能得到改善。P 1 組PAM 改性混凝土6 個(gè)月齡期的收縮率分別是其14 d 齡期的1. 39 倍、28 d 齡期的1. 09 倍、45 d 齡期的1. 01 倍。P 2 組PAM 改性混凝土6 個(gè)月齡期的收縮率分別是其14 d 齡期的1. 33 倍、28 d 齡期的0. 91 倍、45 d 齡期的1. 01 倍。P 3 組PAM 改性混凝土6 個(gè)月齡期的收縮率分別是其14 d 齡期的1. 66 倍、28 d 齡期的1. 10 倍、45 d 齡期的1. 10 倍。可見(jiàn)PAM 的加入， 使混凝土的收縮性能得到較大改善。

3　機(jī)理分析

     通過(guò)對(duì)PAM 改性混凝土路用性能的試驗(yàn)研究表明， PAM 的摻入雖然導(dǎo)致混凝土抗壓強(qiáng)度下降， 但其他性能均有顯著改善， 其中抗折強(qiáng)度提高22. 6%， 壓折比降低24% ， 單位面積磨損量減少17. 8% ， 抗沖擊能力提高3 倍多。各齡期收縮均大幅減少， 尤其是抗?jié)B性、彎曲韌性和層間粘結(jié)強(qiáng)度提高顯著。滲水高度只有基準(zhǔn)混凝土的1.1， 彎曲韌性提高169%、層間粘結(jié)強(qiáng)度提高150%。這與PAM 超凡的膠粘性能和絮凝性能是分不開(kāi)的。PAM 分子鏈上的側(cè)基為活潑的酰氨基， 它能發(fā)生多種化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)PAM 摻入混凝土中后， 其酰氨基水解而轉(zhuǎn)化為含有羧基的聚合物。這種聚合物和丙烯酰胺—丙烯酸納共聚物的結(jié)構(gòu)相似。所得產(chǎn)品叫部分水解的聚丙烯酰胺。其反應(yīng)式如下：

　　水解PAM 會(huì)同溶液中的多種金屬陽(yáng)離子相互作用， 如在含多價(jià)離子Ca2+ 和A l3+ 的水泥漿體系中， 這些相互作用通常導(dǎo)致生成粘稠的凝膠， 從膠狀顆粒到均勻橡膠狀固體， 橡膠狀固體密實(shí)填充于混凝土孔隙之中起到一個(gè)柔性填充和柔性加筋的作用， 改善了水泥混凝土硬化體的物理組織結(jié)構(gòu)， 緩解內(nèi)應(yīng)力， 減少微裂紋的產(chǎn)生， 從而增強(qiáng)了PAM 改性混凝土的致密性， 在宏觀上就表現(xiàn)為PAM 改性混凝土的柔韌性、抗?jié)B性、粘結(jié)強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度和收縮性能的大幅提高。

4　結(jié)語(yǔ)

( 1) PAM 的加入， 使混凝土抗壓強(qiáng)度有所下降， 擔(dān)抗折強(qiáng)度、層間粘結(jié)強(qiáng)度、耐久性和彎曲韌性均比基準(zhǔn)混凝土有大幅增強(qiáng)， 說(shuō)明混凝土的抗彎拉能力、粘結(jié)性能、耐久性和彎曲韌性均得到大幅改善。綜合各性能測(cè)定結(jié)果可得PAM 最佳摻量為水泥用量的8%。

(2) PAM 改性混凝土的脆性系數(shù)(壓折比) 和收縮率均被基準(zhǔn)混凝土降低， 且隨著PAM 摻量的增加而減少。說(shuō)明混凝土的脆性減小， 柔性增大， PAM 的降脆限縮效果良好。

(3) 更為突出的是摻PAM 的混凝土， 其抗?jié)B性和層間粘結(jié)強(qiáng)度成倍增長(zhǎng)， 抗?jié)B性提高幅度高達(dá)91. 2% ， 層間粘結(jié)強(qiáng)度比普通防水混凝土提高近4 倍。

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