聚丙烯酰胺对水泥土抗裂性能影响试验研究

侯淑鹏，朱金勇，陈礼仪，王 胜，宋佳奇

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059；2.四川西南交大土木工程设计有限公司，成都 610031)



聚丙烯酰胺对水泥土抗裂性能影响试验研究

侯淑鹏1，朱金勇1，陈礼仪1，王 胜1，宋佳奇2

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059；2.四川西南交大土木工程设计有限公司，成都 610031)

研究聚丙烯酰胺对水泥土抗裂性能的影响可以为水泥土材料在工程建设中的应用提供一定的参考。配制15%水泥掺量和3%、5%、7%、10%聚丙烯酰胺掺量的水泥土试件共45组，在常温下进行无侧限抗压强度试验，分析得出不同掺量下的聚丙烯酰胺对水泥土强度的影响规律。在此基础上，采用扫描电镜分析水泥土的微观结构变化，探讨聚丙烯酰胺对水泥土抗裂性能的影响机理。结果表明，水泥土强度随着聚丙烯酰胺掺量的增加呈现出先升后降的趋势，在掺量为3%～5%时水泥土强度达到最优；水泥土抗裂性能的提高对聚丙烯酰胺存在一个适当掺量。

水泥土； 聚丙烯酰胺； 抗压强度； 抗裂性能； 微观特征

1 引 言

水泥土是水泥和土以及其他组分按照适当比例混合、拌制并经硬化而成的一种建筑材料。因本身具有经济环保、施工简便、材料来源广泛等一系列优点，目前在各类工程建设当中已经广泛使用，如作为基础稳定加固材料被应用于边坡加固、软基处理、深基坑支护等土建工程中[1]；作为防渗护坡材料被应用于渠道衬砌、边坡支护及坝体防渗等水利工程中[2]。然而，实际工程中的水泥土材料总是处在一定的环境中，经受着外界各种因素的影响，强度和耐久性等性能也会随之发生改变，表现出抗拉强度低、脆性大、易开裂等缺点。影响水泥土抗裂性能的因素很多，包括水泥品种、水泥掺量、土质、温度以及外加剂等[3,4]。其中，外加剂的使用是其中重要因素之一。国内外研究表明，通过在水泥土中添加适当的外加剂可以有效改善水泥土的物理力学性能及其耐久性能，较单独使用水泥土来说性能有极大改观。当前，国内外专家学者通过外加剂的添加使用对水泥土进行各种改性，试图获得既经济实用又能满足工程要求的新型改性水泥土。

迄今为止，国内外对在水泥土中添加外加剂已开展了广泛研究。孔燕萍[5]结合工程实例，分别在水泥土添加外加剂和不添加外加剂两个情况下，对水泥土进行无侧限抗压强度试验，以此来研究外加剂对水泥土强度的影响规律。叶观宝[6]等通过对加有几种不同添加剂的水泥土在不同养护龄期下分别进行微观结构分析试验，再结合无侧限抗压强度试验，研究添加剂对水泥土的作用机理。童小东[7]通过对多种添加剂进行深入研究，筛选出若干对水泥土强度有增强作用的添加剂，并依据试验结果建立了一种水泥土损伤模型。贾尚华等[8]通过在水泥土中添加多种外加剂，对水泥土的性能进行对比分析，证明选择合适的外加剂可以有效促进水泥水化、增强土粒联结和降低土粒空隙率，进而提高水泥土的各项性能。

聚丙烯酰胺(Polyacrylamide,简称PAM)是一种水溶性线性高分子聚合物，具有良好的絮凝性，作为外加剂目前已在建筑工程中得到广泛应用，如聚丙烯酰胺建筑胶黏剂与水泥混合制成各种高性能混凝土等[9-11]。本次试验基于新疆吉木乃某边坡治理工程，该工程拟采用水泥土作为护坡材料。针对该地区昼夜温差大，水泥土易开裂的实际情况，通过在水泥土中掺入适量的PAM，对PAM在水泥土中的作用机理进行探讨分析。

2 试 验

2.1 水泥土的配合比

本次试验所用的原状土取自新疆吉木乃某边坡工程，该土在自然状态下呈软塑状态，其主要物理性质指标如表1所示，粒度分析曲线如图1所示。

表1 试验用土样主要物理性质指标Tab.1 Results of physical behaviors of soil specimens

本次试验选用西南牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥，每个水泥土试块的水泥掺量均为15%，PAM用量为水泥掺量的3%、5%、7%、10%进行讨论。PAM的主要技术指标见表2。

表2 试验用PAM主要技术指标Tab.2 The main characteristic indicators of PAM on trail

图1 原状土粒度分析曲线图Fig.1 The experimental soil particle size distribution curve

图2 水泥土试样Fig.2 Cement-soil samples

2.2 水泥土试样制备

首先将取回土样风干、捻散并过2 mm孔筛，以除去未粉碎的大颗粒。按设计的水泥、PAM掺入比，分别称量适量的水泥、土样、PAM和拌合水(含水量40%)，充分搅拌均匀，分层装入边长为70.7 mm的立方体试模内捣实，抹平表面并进行编号，24 h后脱模，置于标准养护箱中养护，到规定龄期后取出进行无侧限抗压强度试验。部分水泥土试样如图2所示。

2.3 水泥土试件试验过程

本次试验参照JGJ/T233-2011《水泥土配合比设计规程》上面的试验要求进行。本次试验主要仪器有：JB-T17671-40A型水泥砼标准养护箱、WHY-1000型微机控制压力试验机、TM-3000型扫描电镜等，具体实验步骤如下：

(1)水泥土养护到规定龄期后取出，检查外观，然后用拧干的湿布将试件表面多余的水分擦去；

(2)试验用试样共45个，编号从P-0-7-1～P-10-60-3(P代表水泥土试块，第二个数字代表PAM掺量，第三个数字代表养护龄期，第四个数字代表试块个数顺序)，按PAM掺量多少分为5组，每组又分别对应四个不同养护龄期，其中第一组为基准组，PAM掺量为零，其余四组分别为掺入3%、5%、7%、10%PAM的水泥土；

(3)对PAM水泥土试样进行无侧限抗压强度试验，得出水泥土抗压强度在不同PAM掺量下的变化规律。在此基础上，采用扫描电镜分析水泥土的微观结构变化，探讨PAM对水泥土抗裂性能的影响机理。

图3 不同掺量PAM水泥土的无侧限抗压强度Fig.3 Unconfined compression test under different volume PAM cement-soil

3 结果与讨论

3.1 水泥土无侧限抗压强度试验

对加入不同掺量PAM的各组水泥土试样进行无侧限抗压强度试验，试验采用轴向位移速率控制，位移速率为2 mm/min。不同掺量的PAM水泥土无侧限抗压强度见图3。

从水泥土无侧限抗压强度试验结果可以看出，随着PAM掺量的增加，水泥土的强度变化呈现出先升后降的趋势，大致呈抛物线形状。当PAM掺量从0%～5%时水泥土抗压强度逐渐提高，且在掺量为3%～5%时明显高于基准组；当PAM掺量大于5%时，水泥土抗压强度又逐渐降低。说明水泥土强度的提高对PAM存在一个适当掺量。

3.2 水泥土微观结构特征

为了更直观形象地说明水泥土在不同PAM掺量下微观结构的变化和力学特性，笔者还做了相应的电镜扫描试验。图4为水泥土在不同PAM掺量下的微观结构变化。

从图中可以清楚直观地看出水泥土的微观形态变化。图4a、b为不掺PAM时的普通水泥土微观形貌特征：水泥土的骨架颗粒基本以粒状为主，形状、大小各异，排列杂乱无序，且颗粒间填充较多小孔隙，联结形式基本为镶嵌接触，裂纹发育较为明显；内部破坏时，土颗粒沿接触面处发生片状或块状剥落。图4c、f为PAM掺量3%和5%时的水泥土微观形态：该组水泥土颗粒表面吸附了一定量的PAM，可以看到土层表面较为光滑平整，结构较致密。此外，土层表面上裂纹基本不发育，偶有较小的微裂纹，土颗粒在PAM作用下已聚合为体积较大的土颗粒团，水泥已与周围土颗粒胶结成为一个整体，试样的密实度较之前明显提高，水泥土的抗裂性能也大大增强。图4g、j为PAM掺量为7%和10%时的水泥土微观结构：从图中可以看到试样表面的土颗粒较松散，大部分附着在土层表面，褶皱明显且彼此交联。说明土壤颗粒表面吸附了大量PAM，已将接触面处的土颗粒层层包裹，导致土颗粒之间胶结强度降低。土层表面微裂纹开始增多，且微裂纹中间出现了较多交错发育的针状结构，这样使得试样的密实度明显不足，抗裂性能也随之降低。

图4 水泥土微观结构变化(注： (a)、(b)：PAM掺量=0%；(c)、(d):PAM掺量=3%；(e)、(f):PAM掺量=5%；(g)、(h):PAM掺量=7%；(i)、(j)：PAM掺量=10%)Fig.4 Microscopic structural changes of cement-soil

3.3 机理分析

综合图3和图4的试验结果可以看出，加入3%～5%掺量的PAM可以明显提升水泥土的强度，增强水泥土的抗裂性能，但PAM掺量也不是越多越好，当掺量超过5%时，水泥土强度不升反降，抗裂性能逐渐变差，究其原因主要可以分为以下几个方面：

图5 PAM水泥土颗粒间相互影响效果图Fig.5 Mutual effect diagram of PAM cement-soil interparticles

(1)PAM分子表面具有较强的活性，而水泥土中的土颗粒和水泥颗粒又对PAM分子具有较强的吸附作用，当把PAM加入到水泥土中时，PAM与水泥颗粒和土颗粒之间相互接触粘结，其表面活性可以促使水泥颗粒所包裹的水分子释放出来，促使水泥充分水化，进而使水泥基体的水化产物更加密实，达到增强水泥土强度的目的。另外，当PAM分子吸附于土颗粒和水泥颗粒表面时，会在这些微颗粒表面形成一层PAM分子薄膜，反过来又将大大改善这些微颗粒的表面特性，促进水泥进一步水化，进而增强水泥土的强度以及抗裂性能。

(2)PAM分子链上的侧基为非常活泼的酰胺基,当PAM掺入到水泥土中后,其酰胺基水解，进而转化为含有羧基的聚合物,而羧基正是高性能混凝土外加剂的主导官能团之一，其反应式如下：

水解后的PAM可以和水泥水化产物中的多种金属阳离子如Ca2+、Al3+等相互作用,当它们相互作用时通常会生成结构较为致密的凝胶体,而当这些凝胶体填充于水泥土微孔隙之中时，会起到柔性加筋的作用,增大了胶凝材料和土颗粒之间的粘结力，有效减少微裂纹的产生及扩散,在宏观上就表现为PAM改性水泥土的耐久性和抗裂性能的大幅提高。

(3)通过上述PAM水解后离子之间的化学反应及其本身长分子链之间的相互缠绕粘接，使得水泥土微孔隙彼此之间相互交错联结，形成一种密实牢固的空间网状结构，这种网状结构能将水泥和土颗粒胶结连接在一起,形成一种贯穿于土体内部的整体胶结加筋结构。当水泥土受力时，这种整体胶结加筋结构就将所牵连的各个微颗粒紧紧连接在一起共同受力，从而增强了土体的抗开裂性能，其效果如图5(a)所示。当PAM掺量超过一定量时，吸附于土颗粒表面的PAM分子之间的间距过于接近，其分子间斥力增强，这样就大大削弱了土颗粒之间的相互作用力，故而导致水泥土强度和抗裂性能的大幅降低，效果如图5(b)所示。

4 结 论

(1)通过水泥土的抗压试验和微观试验，可以得出，PAM可以改善水泥颗粒与土颗粒的表面活性，增大凝胶材料与土颗粒之间的粘结力，增强土体内部结构致密性，在土体内部形成整体胶结加筋结构，从宏观上提高水泥土的耐久性和抗开裂性能；

(2)随着PAM掺量的增加，水泥土的强度刚开始表现出急剧增强的趋势，但超过一定量时，强度又逐渐降低，呈现出先升后降的变化规律。说明水泥土抗压强度的提高对PAM存在一个适当掺量，掺量大致为3%～5%；

(3)本文的试验现象和相应的结论对PAM在水泥土工程建设中的合理运用具有一定的参考价值。

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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

国家自然科学基金面上项目(41272331、51204027)；地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室基金(SKLGP2015Z010)；四川省教育厅重点项目(16ZA0099)

侯淑鹏(1992-)，男，硕士研究生.主要从事岩土体加固及岩土钻掘工程方面的研究.

陈礼仪，博士，教授.

TU411

A

1001-1625(2016)10-3314-05