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(dāng)?shù)呐浜媳?，與土體拌和均勻，使水泥與土發(fā) 生物理化學(xué)作用，經(jīng)機(jī)械壓實(shí)和養(yǎng)護(hù)后形成的具有整體性、堅(jiān)固性和水穩(wěn)定性的建筑材料m。它是一種具 有顯著經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益的建筑材料，主要用于建筑物軟弱地基處理、道路穩(wěn)定層及農(nóng)田水利 設(shè)施的防滲層等,尤其適用于沙礫料缺乏地區(qū)。但是，在水泥摻量較低時(shí)，水泥土材料表現(xiàn)出較明顯的抗拉 強(qiáng)度低、極限應(yīng)變小、脆性大、易開裂等缺點(diǎn)，在某些工程當(dāng)中應(yīng)用時(shí)無法做到兼顧經(jīng)濟(jì)實(shí)用。為此,人們開 始通過各種途徑對(duì)水泥土性能進(jìn)行改良[2’3]，希望獲得經(jīng)濟(jì)實(shí)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(jiǎn)稱PAM)，以其獨(dú)特的理化性質(zhì)，在水處 理、冶金、石油開采、食品加工等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[4]。在建筑工程中，由聚丙烯酰胺合成的建筑材料應(yīng)用相當(dāng)廣泛,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。聚丙烯酰胺對(duì)水泥土強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究，這類應(yīng)用不但提供了高性 能的建筑用基本材料，而且還解決了傳統(tǒng)材料達(dá)不到高強(qiáng)、快干等特種要求的許多難題。本試驗(yàn)擬在水泥土 中摻人適量的PAM，通過試驗(yàn)研究，探討PAM對(duì)水泥土的作用機(jī)理D

2試驗(yàn)

水泥為冀東牌P. 〇. 42.5普通硅酸鹽水泥，其性能符合規(guī)范要求，主要性能參數(shù)見表1。試驗(yàn)用土取自 呼和浩特周邊，去除表面30 cm的表土，將土樣風(fēng)干、捻散、過2 mm篩，并按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定進(jìn) 行了比重試驗(yàn)、含水量及界限含水量試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2^ PAM的主要技術(shù)指標(biāo)見表3。

表1 R O. 42. 5普通硅鰱茲水泥性能指標(biāo) 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(shí)驗(yàn)用土的主要指標(biāo)

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(shù)指標(biāo)

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(yàn)中，水泥摻量為10%，約為最優(yōu)摻量的一半左右[5];PAM的用量為水泥用量的、5%、10% ;將 試驗(yàn)前準(zhǔn)備好的土料風(fēng)干，并在試驗(yàn)前測(cè)定其風(fēng)干含水率;將PAM、土料和水,拌和均勻后裝入密封袋浸潤(rùn) 24 h后，在摻和水泥，直接裝模壓實(shí)成型,試件為<j>50 mm x50 mm的圓柱體。在恒溫恒濕箱中養(yǎng)護(hù)至設(shè)計(jì) 齡期后進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，取3個(gè)平行試驗(yàn)的抗壓強(qiáng)度的算術(shù)平均值作為該組試塊的無側(cè)限抗壓強(qiáng) 度。

無側(cè)限強(qiáng)度試驗(yàn)采用濟(jì)南試金集團(tuán)生產(chǎn)的WDW-50型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，加載速率2 mm/min，并實(shí)時(shí)記錄應(yīng) 力、應(yīng)變等參數(shù)。采用日本紫臺(tái)Hitachi S-3400N1I型掃描電子顯微鏡觀察拍攝破壞斷面微觀形貌。通過對(duì) 不同PAM摻量的水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究PAM對(duì)水泥土強(qiáng)度增長(zhǎng)的影響;并結(jié)合微觀的形貌特 征，分析PAM對(duì)水泥土微觀結(jié)構(gòu)的改善機(jī)理。

3試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

PAM對(duì)水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的影響結(jié)果見圖1，由此圖可知，聚丙烯酰胺對(duì)水泥土強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究，隨著PAM摻量的增加，水泥土的強(qiáng)度變 化趨勢(shì)是先升后降，摻量為5%的實(shí)驗(yàn)組的強(qiáng)度明高于其它組，且較基準(zhǔn)組高出20%以上。水泥土的早期強(qiáng) 度增長(zhǎng)較快，7 d齡期的強(qiáng)度達(dá)到60 d齡期強(qiáng)度是50%左右。當(dāng)PAM/C為10%時(shí)，水泥土的強(qiáng)度卻發(fā)生了 顯著的降低。

1638 試驗(yàn)與技術(shù)桂酸鹽通報(bào)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(shí)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(lián)結(jié)形式基 本為鑲嵌接觸，微觀結(jié)構(gòu)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?cái)嗝嫫茐臅r(shí)，土顆 粒發(fā)生剝落,無微裂紋發(fā)育，總體上為“顆粒膠結(jié)結(jié) 構(gòu)”。圖2c、d是PAM/C為5%的水泥土試樣，該組試 樣表面的褶皺明顯增多，表明土壤顆粒表面已經(jīng)吸附 了一定量的PAM。此外，斷面上的微裂紋較發(fā)育，且 微裂縫中間針狀結(jié)構(gòu)交錯(cuò)發(fā)育，表明土顆粒已經(jīng)聚合為體積較大的土顆粒團(tuán)，水泥石與周圍土顆粒膠結(jié)為整 體。顆粒間的孔隙較少，表明試樣的密實(shí)度較高，總體上表現(xiàn)為“整體膠結(jié)結(jié)構(gòu)”。圖2e、f中試樣表面的褶 皺更加明顯，這些褶皺彼此交聯(lián)，已將斷裂面的土顆粒層層包裹，表明土壤顆粒表面已經(jīng)吸附了大量的 PAM。斷面上沒有了較發(fā)育的微裂紋，反而出現(xiàn)了沒有牢固鑲嵌在斷面當(dāng)中的土顆粒團(tuán)，使得試樣的密實(shí)度 略顯不足，總體上為“顆團(tuán)嵌固結(jié)構(gòu)”。

3.3試驗(yàn)結(jié)果分析

水泥土本身是一個(gè)多元、多相、多界面結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，內(nèi)部顆粒種類繁多、成份復(fù)雜，各集料結(jié)合面的 粘聚性較低是影響其強(qiáng)度的重要原因之一 [6’7]。究通過宏觀力學(xué)實(shí)驗(yàn)和微觀掃描電鏡試驗(yàn)，綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果 可以認(rèn)為,PAM增強(qiáng)水泥土力學(xué)性能的主要原因有以下幾方面：

(1)PAM是由丙烯酰胺單體聚合而成的長(zhǎng)鏈狀高分子，分子量在400 ~ 2_萬(wàn)之間，分子鏈上的酰胺 基團(tuán)是極強(qiáng)的親水基團(tuán),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(duì) PAM分子還真有很強(qiáng)的吸附作用，當(dāng)這些PAM分子吸附于顆粒表面時(shí)，將大大改善這些微顆粒的表面特 性，在水泥微粒表面形成水膜，保證了水泥的充分水化；

(2)隨著水泥水化產(chǎn)物的不斷增加，PAM分子中的酰胺基團(tuán)與水泥熟料水化產(chǎn)物之間也會(huì)發(fā)生相互的 作用。首先PAM的部分酰胺基團(tuán)水解后轉(zhuǎn)化為含有羧基的聚合物⑴，聚丙烯酰胺對(duì)水泥土強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究，而羧基正是高性能混凝土外加劑的主 導(dǎo)官能團(tuán)之一，化學(xué)反應(yīng)式為： 

-[CH2CR( CONH2) ] „- + OH /H+ ->-[ CH2CR( COOH) ]+ NH3

然后,水解得到的竣基同水泥水化析出的Ca2 +等多種陽(yáng)離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[9]，形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，通 過化學(xué)鍵與膠凝材料強(qiáng)烈地粘結(jié)在一起。Ca(OH)2在土顆粒與水泥粘結(jié)的過渡區(qū)含量高，是水泥土材料易 開裂的主要原因。PAM分子水解后產(chǎn)生的竣酸基團(tuán)易和Ca( 0H) 2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的羧酸鈣鹽，降 低了過渡區(qū)Ca(OH)2的濃度，導(dǎo)致了結(jié)晶細(xì)小且結(jié)晶度差，降低了界面過渡區(qū)晶體的取向性，增大了膠凝 材料和骨料的粘結(jié)力,這是水泥土的力學(xué)性能提高的原因之一；

(3)通過離子鍵化合反應(yīng)及K分子鏈的相互纏繞,PAM分子長(zhǎng)鏈將在水泥土微孔隙之間彼此交聯(lián)，形 成一種貫穿于土體內(nèi)部微孔隙的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，將水泥石及土顆粒膠結(jié)、牽連在一起，形成結(jié)合緊密的整體膠結(jié) 加筋結(jié)構(gòu)。當(dāng)水泥土受力時(shí)，這種PAM分子在土體中形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(qiáng)了土體的抗開裂性能；

(4)雖然PAM的摻人對(duì)水泥土的強(qiáng)度有很大的提高，但是當(dāng)PAM/C達(dá)到10%時(shí)，水泥土的強(qiáng)度反而 出現(xiàn)大幅下降，甚至較基準(zhǔn)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(zhì)有著 很大的關(guān)系。由于PAM可以吸附在土顆粒的表面，當(dāng)濃度較低時(shí),具有長(zhǎng)鏈分子結(jié)構(gòu)的PAM就可以吸附在 相鄰的兩個(gè)微粒上，或者吸附在相鄰微粒上的PAM由于離子反應(yīng)而交聯(lián)在一起，將相鄰的微粒牽連在一起， 形成(3)中所述的結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了水泥土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度；當(dāng)PAM濃度較高時(shí)，土顆粒的表面就會(huì)吸附大量的 PAM，由于這些PAM分子的間距過于接近，其分子間的相互作用力開始變大，分子之間變現(xiàn)為斥力，使得吸 附了大量PAM的微顆粒之間也表現(xiàn)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(duì)水泥土強(qiáng)度影響的試驗(yàn)研究，對(duì)水泥土結(jié)構(gòu)體 系起到了分散的作用,故而導(dǎo)致了水泥土強(qiáng)度的大幅降低。土顆粒間的相互作用關(guān)系如圖3所示。圖3a表 示土顆粒之間由于PAM的牽連作用而形成的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從圖2c、d可以看出在發(fā)生破壞時(shí)，僅產(chǎn)生了微 裂縫而沒有土顆粒的剝落;圖3b表示土顆粒由于表面吸附了大量的PAM而產(chǎn)生相互排斥力，削弱了土顆粒之 間的結(jié)合力，從圖2e、f可以看出在發(fā)生破壞時(shí)，部分土顆粒已經(jīng)脫離了整體結(jié)構(gòu)，明顯減低了水泥土的整體性。

4結(jié)論

(1)PAM同時(shí)具有促進(jìn)水泥水化和改善水泥土中微粒界面性質(zhì)的雙重作用，使得水泥土的整體結(jié)構(gòu)更 加密實(shí)，有效地提高水泥土的強(qiáng)度；

(2)PAM分子通過離子化合反應(yīng)在孔隙中交聯(lián)成空間網(wǎng)狀，將水泥土體的微顆粒包裹膠連在一起，形 成整體膠結(jié)加筋結(jié)構(gòu)，在水泥土受力破壞時(shí)，可以有效的組織微裂縫的擴(kuò)展，增強(qiáng)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(qiáng)水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。但是，當(dāng)PAM摻量過多以后，吸 附在相鄰?fù)令w粒上的PAM分子之間由于表現(xiàn)為斥力，不但無法通過交聯(lián)作用形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而且還會(huì) 削弱微粒之間的結(jié)合力，降低了水泥土的強(qiáng)度。