聚丙烯酰胺對水泥砂漿性能影響研究

摘 要 機制砂是天然河砂替代品，受建筑業廣泛關注，然而生產過程引入的聚丙烯酰胺（PAM）對混凝土性能影響較大且研究成果不成體系，限制了機制砂的應用推廣. 本文選用市面常見十一種PAM，探究不同離子類型、分子量、摻量對水泥砂漿工作性能、力學性能影響. 研究表明，PAM摻量對膠砂流動度的干擾明顯大于分子量和離子類型，其中陰離子型聚丙烯酰胺（APAM）在0.005%摻量時對水泥膠砂流動度影響較大（-10.7%）. PAM令膠砂28天強度略有上升，其中陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）對強度提升較大，CPAM 600萬0.005%標養28 d強度提升最高為14.3%，APAM 800萬0.005%強度提高9.3%. 此外，PAM會顯著降低聚羧酸高效減水劑（PCE）減水效果，流動度最低降低15%，最高降低28.6%，強度最低降低11.6%，是因為PCE、PAM與水泥顆粒結合時存在競爭關系，PAM會干擾PCE對水泥顆粒的分散作用，抑制該干擾將成為后續探索PAM不利影響的解決方案新思路. 另外摻PAM試塊的收縮試驗數據對水分條件異常敏感，干燥收縮與化學收縮所得結論相反，因此建議選用機制砂作為細骨料的工程養護時需格外注意養護濕度.

關鍵詞 普通硅酸鹽水泥；聚丙烯酰胺；工作性能；力學性能；干燥收縮

中圖分類號 TU528.042.7 文獻標識碼 A

0 引 言

我國混凝土消耗量連續十余年位居世界首位，細骨料需求量巨大，但隨生態保護意識增強，天然河砂供應量卻大幅縮減[1-2]，在此背景下機制砂研究備受關注. 我國機制砂多以濕法工藝生產，為去除破碎過程中產生的石粉，需引入絮凝劑進行沉降，其中聚丙烯酰胺（PAM）成本低廉，沉降效果顯著，廣受機制砂企業青睞[3]. 但另一方面，企業對絮凝技術知識儲備較少，為降低石粉含量[4]，粗放投料，PAM殘留問題一直被忽視. 然而，PAM對混凝土工作性能、力學性能均有較大影響[5]，但相關研究成果尚不成體系，這一直限制著機制砂推廣使用. 機制砂PAM殘留問題作為行業熱點，近年來引發學者廣泛關注.

PAM作為水溶性聚合物、富含親水羧基，在水泥拌合過程中極易附著水泥顆粒表面，少量PAM便能顯著影響拌合物早期和硬化后性能，含PAM的水泥砂漿比普通水泥砂漿具有更高的保水性[6]. 國內外學者為研究干熱風區工程建設中水泥砂漿抗裂表現，就PAM保水性能開展相關研究，模擬大風環境，發現0.06%摻量時PAM保水抗裂效果最佳[7-8]. 為研究寒區工程建設水泥土抗凍融表現，選用3%、5%、7%、10%摻量PAM，測量一定凍融次數時質量損失與無側限抗壓強度，發現PAM可提高水泥土抗凍融強度[9]. 國外研究表明，浸泡過聚丙烯酰胺的天然河砂在凍融96次之前強度均能保持良好，強度為45.8 MPa[10]. 保水能力增強通常會導致水泥砂漿粘度升高，隨著水泥砂漿粘度升高泌水率下降，砂漿的稠度得到改善，但流動度變差[11]. 張長清等在研究自密實混凝土時，選用PAM作為增稠劑，研究表明PAM用量增加時，水泥標稠的用水量隨之增加，流動度下降，凝結時間延長，其中在0.01%摻量下水泥屈服應力最低，粘度最高[12]. PAM聚合物和水泥顆粒以及溶液中的離子存在相互作用，水溶性聚合物對新拌水泥基材料的早期性能影響巨大，PAM殘留會顯著影響水泥膠砂流動度[13]. 王傳林等[14]在研究不同分子量APAM時，發現分子量增大、摻量增加時砂漿流動度下降，解釋為鈣離子與PAM形成膠凝物質影響水泥均質化表現. 同時Bessaies-Bey等[15]研究PAM對新拌水泥流變特性影響，結果與上述觀點相同. 此外，水溶性聚合物會延緩水泥水化[16-17]，原因是APAM抑制C3S溶解，在一天后促進氫氧化鈣形成[18]. 對于如何改善PAM帶來的流動度損失以及強度變化，國內外做了研究，發現PAM受紫外線照射以及真菌菌落附著持續18個月復合影響下，喪失保水功能[19]，國內學者利用低壓汞燈照射，拌合時復配硫酸鋅進行PAM降解，并申請專利[20]. 此外，為去除水溶液中PAM，國內學者采用聚合氯化鋁混合活性炭的方式，發現pH6.5、35 ℃、聚合氯化鋁質量濃度250 mg/L、活性炭質量濃度200 mg/L條件下去除率最高為52%[21].

由此可見，國內外已有大量相關研究，但PAM種類研究相對較少，相關研究成果不成體系，不利于形成行業規范. 因此，亟需進一步開展有關PAM離子類型、分子量和更細致的摻量變化對水泥膠砂性能影響的研究. 綜上所述，PAM殘留可能引發的工程風險是阻礙機制砂廣泛應用的重要原因，完善PAM在硅酸鹽水泥領域研究勢在必行. 因此，本文研究不同離子類型、不同分子量和不同摻量PAM對水泥砂漿力學性能、工作性能、水化產物、孔隙發育的影響. 此外，研究過程中格外關注PAM與PCE關系，協調二者關系可能成為未來解決PAM殘留帶來不利影響問題的關鍵所在.

1 試驗方法與原料

1.1 原材料

采用塔牌P.O. 42.5 R水泥，選用當地自來水，河砂顆粒級配和主要技術指標見表1. 減水劑選用固含量15%，30%減水率的市售聚羧酸減水劑. 絮凝劑由上海芮鑫實業有限公司提供，陰離子型聚丙烯酰胺（Anionic polyacrylamide，APAM）分子量600萬（APAM-1）、800萬（APAM-2）、1 000萬（APAM-3）、1 200萬（APAM-4）、1 800萬（APAM-5）、2 200萬（APAM-6），陽離子型聚丙烯酰胺（Cationic polyacrylamide，CPAM）600萬（CPAM-1）、800萬（CPAM-2）、1 000萬（CPAM-3），非離子型聚丙烯酰胺（Nonionic polyacrylamide，NPAM）800萬（NPAM-1）、1 000萬（NPAM-2）、1 200萬（NPAM-3）.

1.2 試件制作

聚丙烯酰胺摻量設置為水泥質量的0%、0.005%、0.02%和0.05%. 將稱取好的PAM加到稱量好水中攪拌溶解，靜置60 ℃恒溫水浴12 h，得到絮凝劑溶液. 本試驗砂膠比為1，水膠比為0.4. 按設計稱量好相應膠凝材料與河砂一起干拌均勻，將配制好的PAM溶液倒入攪拌鍋后慢拌2 min后快拌2 min. 然后將拌制好的水泥砂漿裝入40 mm×40 mm×160 mm試模中，每組3個試樣. 試樣標準養護24 h后脫模，移入標準養護室養護至相應齡期取出加載測試. 同時配制水膠比為0.4的水泥凈漿，制作尺寸為50 mm×50 mm×50 mm試件，養護至規定齡期后進行表觀孔隙率測試.

1.3 試驗方法

1.3.1 水泥膠砂流動度試驗

參照《水泥膠砂流動度試驗方法》（GB/T2419-2005）測試聚丙烯酰胺對水泥砂漿流動度的影響.

1.3.2 砂漿抗折和抗壓強度

抗折強度、抗壓強度參考《水泥膠砂強度檢測方法》（GB/T17671-1999）進行試驗. 抗折強度采用40 mm×40 mm×160 mm的棱柱體試件，每組3個，抗折加載速率為50 N/s. 試件進行完抗折強度試，取剩余半截棱柱體進行抗壓強度試驗，抗壓加載速率為2.4 kN/s. 試驗過程如下：

1.3.3 表觀孔隙率試驗

凈漿試塊表觀孔隙率（P），采用50 mm×50 mm×50 mm尺寸的試塊，參照ASTM-C20標準進行測定. 首先將標準養護28 d試塊放入真空保水機內保水24 h，取出后測量飽水重量W，然后將試塊置于吊籃中測量懸掛重量S，最后將試塊放入烘箱中110 ℃ 烘干24 h后測量干燥重量D. 利用公示（1）進行表觀孔隙率計算. 試驗設備如圖所示.

P＝[（W-D）/（W-S）]×100%（1）

1.3.4 干燥收縮試驗

砂漿收縮試件用40 mm×40 mm×160 mm模具制作，模具兩端留有圓孔，可以放入銅制測頭，試件養護條件為溫度（20±2） ℃，相對濕度為65%，分別在3 d、7 d、14 d、21 d、28 d進行試件長度測量. 試塊制備及所用設備如下：

2 試驗結果與討論

2.1 PAM對水泥砂漿流動度影響

圖4為不同離子類型、分子量及摻量PAM對水泥砂漿流動度影響折線圖. 由圖（a）觀察到，摻任意離子類型以及任意摻量均會降低水泥砂漿流動度，且隨摻量增大，砂漿流動度減小. 解釋為PAM具有極強的吸水性，會吸收砂漿水分，造成自由水減少，導致流動度降低. 其次，PAM水解生成的羧基支鏈與水泥水化產物陽離子發生離子結合阻礙水泥顆粒分散，絡合生成的膠凝物質還會附著在水泥顆粒表面[14]，增大液相中顆粒直徑分布不均勻性，導致整個體系的需水量增大. 比較（b）、（c）圖可以發現，APAM造成的砂漿流動度損失大于CPAM，但砂漿工作性能均隨兩種外加劑摻量、分子量增大逐步變差. 因此，機制砂企業選用絮凝劑應綜合考量上述因素，盡量選用低分子量水溶性聚合物.

2.2 PAM對水泥砂漿力學性能的影響

圖5為不同種類PAM對水泥砂漿7 d、28 d抗折強度影響柱狀圖. 不同PAM較對照組均能小幅度提升水泥砂漿抗折強度，在比較圖（a）、（c）時，發現CPAM對水泥砂漿抗折強度影響較弱，APAM對水泥砂漿抗折強度影響較強，呈現出隨分子量增大，抗折強度不斷增大，但隨摻量增大抗折強度先增大后縮小趨勢；通過比較圖（a）與圖（b）發現PAM對抗折強度提升主要體現在前期.

圖6為不同PAM對水泥砂漿7 d、28 d齡期抗壓強度影響柱狀圖. 由圖（b）、（d）可知水泥砂漿28 d抗壓強度隨PAM摻量增大逐漸降低，通過圖6前四幅圖可知，PAM對水泥砂漿抗壓強度與抗折強度結論相似，不同PAM均能小幅度提升水泥砂漿抗壓強度；然而以摻有高效減水劑組為對照時，見圖（e）、（f），發現7 d、28 d的抗壓強度均表現出下降規律. 這是因為PAM能減少水泥膠砂泌水率，具有保水性，在膠砂試塊內部鎖住水分，起內養護作用，有利于早期水化，因此表現為強度測試數據優于空白對照組；但隨水化進行水分不斷消耗，相較于摻PCE試驗組，實驗組需水化產物填補PAM吸水后占據的空間更大. 該點在孔隙率試驗中得到證實，摻PAM會造成凈漿試塊表觀孔隙率增大. 因此，研究PAM帶來不利影響時，應時刻關注工程實際中PCE普遍使用的客觀事實，本文著重提出需加強研究PCE與PAM共同作用具體關系的研究觀點.

2.3 PAM對水泥凈漿孔隙率的影響

圖7為水泥凈漿表觀密度、干密度、飽水密度、原樣密度以及表觀孔隙率折現圖，開展孔隙率實驗用以佐證說明強度試驗現象. 其中，由（a）圖可發現，APAM摻量增大時，試塊密度變化大于分子量增加引起的變化. 對比（b）圖可知，CPAM對水泥凈漿孔隙率影響輕微，與抗折強度試驗規律保持一致. 由（c）圖，分析不同分子量下試件表觀孔隙率曲線發現，摻高效減水劑的試件孔隙率最低28.4%，而分子量800萬APAM 0.05%摻量下試件表觀孔隙率上升至37.2%，這與強度試驗中PCE組抗壓強度較大的結論相吻合. 經水泥凈漿孔隙率試驗得到以下結論：PAM會顯著影響PCE的減水、提升強度功能，拌合物中存在PAM會提升水泥膠砂28 d孔隙率，對強度有不利影響.

2.4 PAM對水泥砂漿收縮的影響

為實現表觀孔隙率測量數據的準確、閉環，本文開展水泥砂漿干燥收縮與水泥凈漿化學收縮試驗，所得數據如圖8所示. 其中，通過對比（a）圖、（b）圖可知，水泥砂漿干燥收縮幅度隨時間變化趨勢相同，表現為7 d收縮幅度較小，7 d后收縮幅度加劇；收縮速率隨PAM分子量增大表現出先增大后減小趨勢，其中摻APAM試件收縮幅度明顯大于摻CPAM組，此外干燥收縮幅度最大出現在APAM-3組，達0.009 7%. 這與上述表觀孔隙率試驗結果一致，表觀孔隙率最大，直接表明水泥水化產物填補空隙結果不佳. 在（c）、（d）圖中，化學收縮結果表現出，浸泡環境下APAM引起的收縮小于CPAM，因養護條件差別，試驗結論并不一致. 由此可知，摻PAM的試塊在收縮方面對水分條件異常敏感，選用機制砂的工程需格外關注養護時濕度情況.

3 結 論

（1） PAM會顯著影響水泥膠砂流動度，摻量0.005%時造成-10.7%流動度損失，且隨PAM摻量增大、分子量增大影響逐步擴大. 機制砂企業選用絮凝劑時，應綜合考量上述因素，盡可能避開陰離子型絮凝劑，且選用低分子量的水溶性聚合物.

（2） 研究表明PAM具有保水劑功能，能小幅提升水泥強度，但會阻礙PCE發揮功能. 在研究PAM帶來不利影響時，應時刻關注工程實際中PCE普遍使用的客觀事實，加強PCE與PAM共同作用時具體關系研究.

（3） 干燥收縮試驗發現拌合物中存在PAM會提升水泥膠砂28 d孔隙率，降低強度；化學收縮所得結論與之相反. 摻PAM的試塊收縮數據受水分條件影響較大，選用機制砂的工程需格外關注養護時濕度情況.

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Study on the Properties of Cement Mortar Under

the Influence of Polyacrylamide

CUI Fei， WANG Chuanlin， ZHENG Yuequn， GUAN Jiaqi， CHEN Hongda

（Department of Civil and Environmental Engineering， Shantou University， Shantou 515063， Guangdong， China）

Abstract" Manufactured sand is a substitute for natural river sand and has attracted widespread attention in the construction industry. However， the polyacrylamide （PAM） introduced during the production process has a great impact on the performance of concrete， limiting the promotion and application of manufactured sand in projects. Eleven common PAMs on the market are used to explore the effects of different molecular weights and concentrations on the working performance and mechanical properties of cement mortar. Research shows that the interference of concentration on the fluidity of mortar is significantly greater than the impact of molecular weight and ion type. Among them， anionic polyacrylamide （APAM） degrades the fluidity of mortar the most （-10.7%） at a concentration of 0.005%. In terms of strength， research shows that adding PAM can slightly improve the 28-day strength of mortar. Among them， cationic polyacrylamide （CPAM） has a greater improvement in strength. The 28-day strength improvement at the dosage of CPAM 6 million and 0.005% is the highest by 14.3%， and APAM 8 million. The strength increased by 9.3% at a dosage of 0.005%. In addition， research shows that PAM will significantly reduce the effectiveness of polycarboxylic acid superplasticizer （PCE）， with a minimum reduction of 15% in fluidity and a minimum reduction of 11.6% in strength. PCE and PAM have a competitive relationship， and it is necessary to find solutions to the adverse effects of PAM for subsequent scientific research. The program provides new perspectives for thinking. At the same time， the test blocks mixed with PAM are extremely sensitive to moisture conditions in terms of shrinkage. When selecting machine-made sand， special attention must be paid to the maintenance humidity.

Keywords" ordinary Portland cement; polyacrylamide; working performance; mechanical properties; drying shrinkage

收稿日期：2023 － 06 － 13

通訊作者：王傳林（1987—），男（漢族），江西玉山人，講師，博士. 研究方向：混凝土材料.

E-mail：clwang@stu.edu.cn

基金項目：廣東省自然科學基金資助項目（2023A1515012727）；廣東省普通高校青年創新人才資助項目

（2021KQNCX021）