聚丙烯酰胺對水泥土抗裂性能影響試驗研究

侯淑鵬，朱金勇，陳禮儀，王 勝，宋佳奇

(1.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610059；2.四川西南交大土木工程設計有限公司，成都 610031)

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聚丙烯酰胺對水泥土抗裂性能影響試驗研究

侯淑鵬1，朱金勇1，陳禮儀1，王 勝1，宋佳奇2

(1.成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，成都 610059；2.四川西南交大土木工程設計有限公司，成都 610031)

研究聚丙烯酰胺對水泥土抗裂性能的影響可以為水泥土材料在工程建設中的應用提供一定的參考。配制15%水泥摻量和3%、5%、7%、10%聚丙烯酰胺摻量的水泥土試件共45組，在常溫下進行無側限抗壓強度試驗，分析得出不同摻量下的聚丙烯酰胺對水泥土強度的影響規律。在此基礎上，采用掃描電鏡分析水泥土的微觀結構變化，探討聚丙烯酰胺對水泥土抗裂性能的影響機理。結果表明，水泥土強度隨著聚丙烯酰胺摻量的增加呈現出先升后降的趨勢，在摻量為3%～5%時水泥土強度達到最優；水泥土抗裂性能的提高對聚丙烯酰胺存在一個適當摻量。

水泥土； 聚丙烯酰胺； 抗壓強度； 抗裂性能； 微觀特征

1 引 言

水泥土是水泥和土以及其他組分按照適當比例混合、拌制并經硬化而成的一種建筑材料。因本身具有經濟環保、施工簡便、材料來源廣泛等一系列優點，目前在各類工程建設當中已經廣泛使用，如作為基礎穩定加固材料被應用于邊坡加固、軟基處理、深基坑支護等土建工程中[1]；作為防滲護坡材料被應用于渠道襯砌、邊坡支護及壩體防滲等水利工程中[2]。然而，實際工程中的水泥土材料總是處在一定的環境中，經受著外界各種因素的影響，強度和耐久性等性能也會隨之發生改變，表現出抗拉強度低、脆性大、易開裂等缺點。影響水泥土抗裂性能的因素很多，包括水泥品種、水泥摻量、土質、溫度以及外加劑等[3,4]。其中，外加劑的使用是其中重要因素之一。國內外研究表明，通過在水泥土中添加適當的外加劑可以有效改善水泥土的物理力學性能及其耐久性能，較單獨使用水泥土來說性能有極大改觀。當前，國內外專家學者通過外加劑的添加使用對水泥土進行各種改性，試圖獲得既經濟實用又能滿足工程要求的新型改性水泥土。

迄今為止，國內外對在水泥土中添加外加劑已開展了廣泛研究。孔燕萍[5]結合工程實例，分別在水泥土添加外加劑和不添加外加劑兩個情況下，對水泥土進行無側限抗壓強度試驗，以此來研究外加劑對水泥土強度的影響規律。葉觀寶[6]等通過對加有幾種不同添加劑的水泥土在不同養護齡期下分別進行微觀結構分析試驗，再結合無側限抗壓強度試驗，研究添加劑對水泥土的作用機理。童小東[7]通過對多種添加劑進行深入研究，篩選出若干對水泥土強度有增強作用的添加劑，并依據試驗結果建立了一種水泥土損傷模型。賈尚華等[8]通過在水泥土中添加多種外加劑，對水泥土的性能進行對比分析，證明選擇合適的外加劑可以有效促進水泥水化、增強土粒聯結和降低土粒空隙率，進而提高水泥土的各項性能。

聚丙烯酰胺(Polyacrylamide,簡稱PAM)是一種水溶性線性高分子聚合物，具有良好的絮凝性，作為外加劑目前已在建筑工程中得到廣泛應用，如聚丙烯酰胺建筑膠黏劑與水泥混合制成各種高性能混凝土等[9-11]。本次試驗基于新疆吉木乃某邊坡治理工程，該工程擬采用水泥土作為護坡材料。針對該地區晝夜溫差大，水泥土易開裂的實際情況，通過在水泥土中摻入適量的PAM，對PAM在水泥土中的作用機理進行探討分析。

2 試 驗

2.1 水泥土的配合比

本次試驗所用的原狀土取自新疆吉木乃某邊坡工程，該土在自然狀態下呈軟塑狀態，其主要物理性質指標如表1所示，粒度分析曲線如圖1所示。

表1 試驗用土樣主要物理性質指標Tab.1 Results of physical behaviors of soil specimens

本次試驗選用西南牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，每個水泥土試塊的水泥摻量均為15%，PAM用量為水泥摻量的3%、5%、7%、10%進行討論。PAM的主要技術指標見表2。

表2 試驗用PAM主要技術指標Tab.2 The main characteristic indicators of PAM on trail

圖1 原狀土粒度分析曲線圖Fig.1 The experimental soil particle size distribution curve

圖2 水泥土試樣Fig.2 Cement-soil samples

2.2 水泥土試樣制備

首先將取回土樣風干、捻散并過2 mm孔篩，以除去未粉碎的大顆粒。按設計的水泥、PAM摻入比，分別稱量適量的水泥、土樣、PAM和拌合水(含水量40%)，充分攪拌均勻，分層裝入邊長為70.7 mm的立方體試模內搗實，抹平表面并進行編號，24 h后脫模，置于標準養護箱中養護，到規定齡期后取出進行無側限抗壓強度試驗。部分水泥土試樣如圖2所示。

2.3 水泥土試件試驗過程

本次試驗參照JGJ/T233-2011《水泥土配合比設計規程》上面的試驗要求進行。本次試驗主要儀器有：JB-T17671-40A型水泥砼標準養護箱、WHY-1000型微機控制壓力試驗機、TM-3000型掃描電鏡等，具體實驗步驟如下：

(1)水泥土養護到規定齡期后取出，檢查外觀，然后用擰干的濕布將試件表面多余的水分擦去；

(2)試驗用試樣共45個，編號從P-0-7-1～P-10-60-3(P代表水泥土試塊，第二個數字代表PAM摻量，第三個數字代表養護齡期，第四個數字代表試塊個數順序)，按PAM摻量多少分為5組，每組又分別對應四個不同養護齡期，其中第一組為基準組，PAM摻量為零，其余四組分別為摻入3%、5%、7%、10%PAM的水泥土；

(3)對PAM水泥土試樣進行無側限抗壓強度試驗，得出水泥土抗壓強度在不同PAM摻量下的變化規律。在此基礎上，采用掃描電鏡分析水泥土的微觀結構變化，探討PAM對水泥土抗裂性能的影響機理。

圖3 不同摻量PAM水泥土的無側限抗壓強度Fig.3 Unconfined compression test under different volume PAM cement-soil

3 結果與討論

3.1 水泥土無側限抗壓強度試驗

對加入不同摻量PAM的各組水泥土試樣進行無側限抗壓強度試驗，試驗采用軸向位移速率控制，位移速率為2 mm/min。不同摻量的PAM水泥土無側限抗壓強度見圖3。

從水泥土無側限抗壓強度試驗結果可以看出，隨著PAM摻量的增加，水泥土的強度變化呈現出先升后降的趨勢，大致呈拋物線形狀。當PAM摻量從0%～5%時水泥土抗壓強度逐漸提高，且在摻量為3%～5%時明顯高于基準組；當PAM摻量大于5%時，水泥土抗壓強度又逐漸降低。說明水泥土強度的提高對PAM存在一個適當摻量。

3.2 水泥土微觀結構特征

為了更直觀形象地說明水泥土在不同PAM摻量下微觀結構的變化和力學特性，筆者還做了相應的電鏡掃描試驗。圖4為水泥土在不同PAM摻量下的微觀結構變化。

從圖中可以清楚直觀地看出水泥土的微觀形態變化。圖4a、b為不摻PAM時的普通水泥土微觀形貌特征：水泥土的骨架顆粒基本以粒狀為主，形狀、大小各異，排列雜亂無序，且顆粒間填充較多小孔隙，聯結形式基本為鑲嵌接觸，裂紋發育較為明顯；內部破壞時，土顆粒沿接觸面處發生片狀或塊狀剝落。圖4c、f為PAM摻量3%和5%時的水泥土微觀形態：該組水泥土顆粒表面吸附了一定量的PAM，可以看到土層表面較為光滑平整，結構較致密。此外，土層表面上裂紋基本不發育，偶有較小的微裂紋，土顆粒在PAM作用下已聚合為體積較大的土顆粒團，水泥已與周圍土顆粒膠結成為一個整體，試樣的密實度較之前明顯提高，水泥土的抗裂性能也大大增強。圖4g、j為PAM摻量為7%和10%時的水泥土微觀結構：從圖中可以看到試樣表面的土顆粒較松散，大部分附著在土層表面，褶皺明顯且彼此交聯。說明土壤顆粒表面吸附了大量PAM，已將接觸面處的土顆粒層層包裹，導致土顆粒之間膠結強度降低。土層表面微裂紋開始增多，且微裂紋中間出現了較多交錯發育的針狀結構，這樣使得試樣的密實度明顯不足，抗裂性能也隨之降低。

圖4 水泥土微觀結構變化(注： (a)、(b)：PAM摻量=0%；(c)、(d):PAM摻量=3%；(e)、(f):PAM摻量=5%；(g)、(h):PAM摻量=7%；(i)、(j)：PAM摻量=10%)Fig.4 Microscopic structural changes of cement-soil

3.3 機理分析

綜合圖3和圖4的試驗結果可以看出，加入3%～5%摻量的PAM可以明顯提升水泥土的強度，增強水泥土的抗裂性能，但PAM摻量也不是越多越好，當摻量超過5%時，水泥土強度不升反降，抗裂性能逐漸變差，究其原因主要可以分為以下幾個方面：

圖5 PAM水泥土顆粒間相互影響效果圖Fig.5 Mutual effect diagram of PAM cement-soil interparticles

(1)PAM分子表面具有較強的活性，而水泥土中的土顆粒和水泥顆粒又對PAM分子具有較強的吸附作用，當把PAM加入到水泥土中時，PAM與水泥顆粒和土顆粒之間相互接觸粘結，其表面活性可以促使水泥顆粒所包裹的水分子釋放出來，促使水泥充分水化，進而使水泥基體的水化產物更加密實，達到增強水泥土強度的目的。另外，當PAM分子吸附于土顆粒和水泥顆粒表面時，會在這些微顆粒表面形成一層PAM分子薄膜，反過來又將大大改善這些微顆粒的表面特性，促進水泥進一步水化，進而增強水泥土的強度以及抗裂性能。

(2)PAM分子鏈上的側基為非常活潑的酰胺基,當PAM摻入到水泥土中后,其酰胺基水解，進而轉化為含有羧基的聚合物,而羧基正是高性能混凝土外加劑的主導官能團之一，其反應式如下：

水解后的PAM可以和水泥水化產物中的多種金屬陽離子如Ca2+、Al3+等相互作用,當它們相互作用時通常會生成結構較為致密的凝膠體,而當這些凝膠體填充于水泥土微孔隙之中時，會起到柔性加筋的作用,增大了膠凝材料和土顆粒之間的粘結力，有效減少微裂紋的產生及擴散,在宏觀上就表現為PAM改性水泥土的耐久性和抗裂性能的大幅提高。

(3)通過上述PAM水解后離子之間的化學反應及其本身長分子鏈之間的相互纏繞粘接，使得水泥土微孔隙彼此之間相互交錯聯結，形成一種密實牢固的空間網狀結構，這種網狀結構能將水泥和土顆粒膠結連接在一起,形成一種貫穿于土體內部的整體膠結加筋結構。當水泥土受力時，這種整體膠結加筋結構就將所牽連的各個微顆粒緊緊連接在一起共同受力，從而增強了土體的抗開裂性能，其效果如圖5(a)所示。當PAM摻量超過一定量時，吸附于土顆粒表面的PAM分子之間的間距過于接近，其分子間斥力增強，這樣就大大削弱了土顆粒之間的相互作用力，故而導致水泥土強度和抗裂性能的大幅降低，效果如圖5(b)所示。

4 結 論

(1)通過水泥土的抗壓試驗和微觀試驗，可以得出，PAM可以改善水泥顆粒與土顆粒的表面活性，增大凝膠材料與土顆粒之間的粘結力，增強土體內部結構致密性，在土體內部形成整體膠結加筋結構，從宏觀上提高水泥土的耐久性和抗開裂性能；

(2)隨著PAM摻量的增加，水泥土的強度剛開始表現出急劇增強的趨勢，但超過一定量時，強度又逐漸降低，呈現出先升后降的變化規律。說明水泥土抗壓強度的提高對PAM存在一個適當摻量，摻量大致為3%～5%；

(3)本文的試驗現象和相應的結論對PAM在水泥土工程建設中的合理運用具有一定的參考價值。

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Experimental Study on the Influence of PAM on Cemented Soil Anti-crack Performance

HOUShu-peng1,ZHUJin-yong1,CHENLi-yi1,WANGSheng1,SONGJia-qi2

(1.State Key Laboratory of Geohazard Prevention & Geoenvionment Protection,Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China;2.Southwest Jiaoda Civil Engineering Design Co.Ltd,Chengdu 610031,China)

This experimental study the influence of PAM on cement-soil anti-crack performance can provide certain references to cement-soil engineering applications in similar projects.The reinforced cement-soil at 15% cement content and 3%,5%,7% and 10% PAM content,forty-five groups of samples were prepared and subjected to unconfined compression test at normal temperature,we can see the influence rule of PAM under different content on cement-soil strength.On this basis,using scanning electron microscopy (SEM) to analyze the microscopic structural changes of cemented soil,investigate the influence mechanism of PAM on cemented soil anti-crack performance.The results show that the strength change tendency of cemented soil is first rose and then decreased with the increase of PAM content,and there is a suitable content to PAM on the increase of cemented soil anti-crack performance.

cemented soil;PAM;compressive strength;anti-crack performance;microscopic characteristic

國家自然科學基金面上項目(41272331、51204027)；地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室基金(SKLGP2015Z010)；四川省教育廳重點項目(16ZA0099)

侯淑鵬(1992-)，男，碩士研究生.主要從事巖土體加固及巖土鉆掘工程方面的研究.

陳禮儀，博士，教授.

TU411

A

1001-1625(2016)10-3314-05