聚丙烯酰胺改性水泥混凝土

(長安大學特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室　西安市　710064)

摘　要：研究了聚丙烯酰胺對水泥混凝土橋面鋪裝層路用性能的改性效果。結(jié)果表明：聚丙烯酰胺對提高抗折強度、粘結(jié)強度、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，昂貴的維修加固費用已讓交通管理部門不堪重負。研究和開發(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)實意義。普通水泥混凝土具有抗拉強度低、極限應變小、彎曲韌性差、抗?jié)B性差、脆性大和易開裂等缺點，因而無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，在水泥混凝土中加入少量有機高分子聚合物，成為對水泥混凝土性能進行改良的一個新動向。因為有機高分子聚合物的長分子鏈結(jié)構(gòu)以及大分子中的鍵節(jié)或鏈段的自旋轉(zhuǎn)性，決定其具有與無機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高分子聚合物，既可以使混凝土獲得高密實度，又不至于使混凝土的脆性加大，這樣，便可制得高強低脆的水泥混凝土，從而進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，簡稱PAM ) 因其優(yōu)異的物理化學特性，已在各行業(yè)中受到廣泛應用。但將PAM 應用于水泥混凝土路面的并不多，為了研究PAM 對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合材料進行了一系列的試驗研究，并分析了PAM 改性混凝土的抗壓強度、抗折強度、層間粘結(jié)強度、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

按強度等級C45、坍落度30～ 50 mm 和砂率39% 設計普通防水混凝土作為基準混凝土， 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 種摻量加入基準混凝土中。具體配合比方案及坍落度測定結(jié)果見表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的轉(zhuǎn)速與水泥凈漿攪拌機相比很慢(水泥混凝土攪拌機的轉(zhuǎn)速為42 r.min，而水泥凈漿攪拌機低速自轉(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，當與基準混凝土攪拌相同時間(3 m in) 時， PAM 改性混凝土的流動性下降較大，坍落度損失較快，有假凝現(xiàn)象，給以外力震動或二次攪拌流動性有所恢復，且延長攪拌時間流動性逐漸改善。經(jīng)反復試拌發(fā)現(xiàn)，攪拌12m inPAM 改性混凝土的流動性最好，外觀感覺比基準混凝土還稀軟，再繼續(xù)延長攪拌時間流動性無太大改善，因此決定PAM 改性混凝土的攪拌時間采用12 m in。

由于PAM 優(yōu)異的膠粘性，導致水泥混凝土稠度及粘聚性顯著增加，即便是PAM 改性混凝土的流動性較好，但因其粘性大，用坍落度法也無法測定其坍落度值，即使在坍落度筒內(nèi)側(cè)涂上潤滑劑，也會出現(xiàn)部分粘筒的現(xiàn)象，從而使新拌混凝土體受到擾動導致測出的坍落度值失真(表1 的坍落度值是在提筒過程中用搗棒在坍落筒兩側(cè)交替敲擊各5 下所測得的結(jié)果)。因此，用坍落度來評定其工作性不合適。振動法較為理想，雖然維勃稠度儀有振動，但其測試有提筒的程序，開發(fā)簡單實用而又經(jīng)濟可行的測試儀器是當務之急。

1.4　試驗方法

(1) 抗壓強度、抗折強度、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規(guī)程》(JTJ 053- 94) 規(guī)定的方法測定。

(2) 層間粘結(jié)強度試驗方法。層間粘結(jié)強度的測定目前還沒有規(guī)定統(tǒng)一的方法，本文參考文獻[ 5 ]的界面粘結(jié)強度測試原理，對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備的簡便易行之法。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28 d 后按圖2 所示墊上鋼塊，在10 t 壓力機上進行測試。按下式計算界面粘結(jié)強度：

f = F (100×95×2) (1)

式中： f 為界面粘結(jié)強度，M Pa；F 為壓力，N。

(3) 彎曲韌性試驗方法。

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

2　試驗結(jié)果與分析

2.1　抗折強度與抗壓強度

抗折強度與抗壓強度測定結(jié)果見表2，由表1、表2、圖3 和圖4 試驗結(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15% ，這是由于HSP 摻入混凝土后，產(chǎn)生了吸附、分散、潤濕和潤滑的作用之故；(2) 摻HSP 高效減水劑的防水混凝土的強度均比普通防水混凝土有明顯提高，抗折強度28 d 提高6. 1% ，抗壓強度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，因而強度和耐磨性顯著提高。同時， 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% ，說明HSP 高效減水劑具有一定的降脆效果；(3) PAM 的加入導致新拌混凝土坍落度明顯減少，且有隨著PAM 摻量的增加流動性下降的趨勢。這主要是由于PAM 優(yōu)異的膠粘性，導致混凝土稠度及粘聚性顯著增加的結(jié)果；(4) PAM 的加入導致混凝土抗壓強度明顯下降，但抗折強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)強度試驗結(jié)果見表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)強度有隨著PAM 摻量的增加而增加的發(fā)展趨勢。這是由于PAM 超凡的膠粘性能和絮凝性能，導致混凝土的層間粘結(jié)強度提高的結(jié)果。

2.3　抗磨性與抗?jié)B性

抗磨性與抗?jié)B性試驗結(jié)果見表4、圖6 和圖7，試驗結(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填充于混凝土孔隙之中，從而增強了PAM 改性混凝土的致密性。耐磨性試驗也進一步證明了這一點， 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，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

彎曲韌性試驗結(jié)果見表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

收縮測定結(jié)果見表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?？梢奝AM 的加入，使混凝土的收縮性能得到較大改善。

3　機理分析

通過對PAM 改性混凝土路用性能的試驗研究表明， PAM 的摻入雖然導致混凝土抗壓強度下降，但其他性能均有顯著改善，其中抗折強度提高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)強度提高顯著。滲水高度只有基準混凝土的1.1，彎曲韌性提高169%、層間粘結(jié)強度提高150%。這與PAM 超凡的膠粘性能和絮凝性能是分不開的。PAM 分子鏈上的側(cè)基為活潑的酰氨基，它能發(fā)生多種化學反應。當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。其反應式如下：

水解PAM 會同溶液中的多種金屬陽離子相互作用，如在含多價離子Ca2+ 和A l3+ 的水泥漿體系中，這些相互作用通常導致生成粘稠的凝膠，從膠狀顆粒到均勻橡膠狀固體，橡膠狀固體密實填充于混凝土孔隙之中起到一個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)應力，減少微裂紋的產(chǎn)生，從而增強了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)強度、抗折強度和收縮性能的大幅提高。

4　結(jié)語

( 1) PAM 的加入，使混凝土抗壓強度有所下降，擔抗折強度、層間粘結(jié)強度、耐久性和彎曲韌性均比基準混凝土有大幅增強，說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) 和收縮率均被基準混凝土降低，且隨著PAM 摻量的增加而減少。說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)強度成倍增長，抗?jié)B性提高幅度高達91. 2% ，層間粘結(jié)強度比普通防水混凝土提高近4 倍。

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