聚丙烯酰胺对硫铝酸盐水泥性能影响的试验研究

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(济南市杰美菱镁建材研究所，山东 济南 250031)

引言

硫铝酸盐水泥(SAC)是以无水硫铝酸钙(CaO·Al2O3·SO3)和硅酸二钙(2CaO·SiO2)为主要矿物熟料，通过外掺二水石膏(CaSO4·2H2O)而制得的早强、微膨胀、膨胀和自应力水泥[1]，具有早强、高强、抗冻、抗渗、耐腐蚀、碱度低(pH=10～10.5)等优良特性[2]，广泛应用于海洋建筑工程、修补工程、防渗工程及GRC制品、自应力水泥压力管以及无机装饰板材的生产，显示出十分乐观的应用前景。但同时也存在着混凝土浆体易泌水、浮浆，与增强纤维粘结不牢，强度微倒缩等问题[3]。

近年来，利用高分子聚合物改性硫铝酸盐水泥的研究不断深入。王春华等[4]研究了掺加聚合物胶粉改性硫铝酸盐水泥砂浆。研究结果表明，聚合物胶粉能明显提高硫铝酸盐水泥砂浆的抗折强度和柔韧性。李云超等[5]对聚合物改性硫铝酸盐水泥的防腐抗渗性能进行了研究。研究结果表明，掺入适量的苯丙乳液能有效提高硫铝酸盐水泥的抗渗性和抗硫酸盐侵蚀性。掺入聚合物后，可以在混凝土内部形成空间网状结构，并能使其微观结构发生变化，从而提高水泥混凝土的柔韧性，增强混凝土的抗裂性及抵抗裂纹扩展的能力[6]。

为了进一步提高硫铝酸盐水泥的使用性能，拓宽其应用范围，本文就高分子聚合物聚丙烯酰胺对硫铝酸盐水泥泌水性、凝结时间及力学性能、耐水性能的影响进行了研究。

1 试验

1.1 原材料

(1)硫铝酸盐水泥：河北唐山六九水泥有限公司生产，其化学成分见表1，性能指标见表2。

表1 硫铝酸盐水泥主要化学成分 %

表2 硫铝酸盐水泥主要性能指标

(2)尾矿粉(CaCO3)：CaCO3含量≥98%，细度150～180 μm(80～100目)，密度2.85 g/cm3，含水率≤1.5%，在建材市场采购。

(3)JM-2高效减水剂：白色粉末，减水率为30%，自制。

(4)聚丙烯酰胺(PAM)：山东奇木实业有限公司生产，白色粉末，细度150 μm(100目)，密度1.30 g/cm3，是一种线状有机高分子聚合物，可以吸附水中的悬浮颗粒，在颗粒之间起到链接架桥作用，同时具有增稠、耐剪切、降阻及提高粘聚性等特点，广泛应用于冶金、化工、纺织、环保、建材、农业生产等领域。

1.2 测试方法

(1)水泥凝结时间：按GB/T 1346—2011《水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法》进行测试。

(2)泌水率：按JC/T 2153—2012《水泥泌水性能试验方法》进行测试。

(3)抗折强度和抗压强度：参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度试验方法(ISO法)》进行测试，试件规格为：40 mm×40 mm×160 mm。

(4)软化系数：试件成型后保潮控温养护24 h脱模，在自然条件下养护28 d，取出3条试块测试抗折强度或抗压强度，结果为R1；同时将另外3条试块浸入水中，试件之间保持20 mm的距离，水面没过试件20 mm，浸泡28 d取出，擦干表面水分进行抗折强度和抗压强度测试，结果为R2，R2与R1的比值即为软化系数，软化系数的高低可以判断试件耐水性能的优劣。

1.3 试验用主要检测仪器设备

(1)B20-S型强力高速三功能搅拌机，广州粤麦机械设备有限公司生产。

(2)ZT-90胶砂试件成型振实台，无锡市锡鼎建工仪器厂生产。

(3)WDW-20微机控制电子万能材料试验机，济南鑫光试验机制造有限公司制造。

(4)水泥标准稠度凝结时间测定仪，江苏无锡建仪试验器材有限公司生产。

2 试验结果与分析

2.1 聚丙烯酰胺对硫铝酸盐水泥净浆泌水率的影响

泌水率是衡量水泥混凝土和易性的一个重要指标[7]，泌水率越高，水泥混凝土的和易性越差，施工难度就越大，施工质量也越差，严重的泌水还会造成混凝土分层和浮浆[8]。尤其是板材类产品，若出现泌水或浮浆现象，浆体无法将板材表面的增强纤维紧密握裹，严重影响其力学性能，因为板材类产品两表面的增强纤维对其产品的抗折强度起着至关重要的作用。

水泥混凝土中的拌和水由两部分组成，一部分是提供水泥水化作用的结合水，另一部分是提供混凝土流动性的自由水，自由水过多是造成混凝土泌水的根本原因[9]。本试验用聚丙烯酰胺水溶液代替部分拌和用水，总用水量保持不变(下同)，研究了聚丙烯酰胺溶液对硫铝酸盐水泥净浆泌水率的影响，结果见表3。

由表3可以看出，随着聚丙烯酰胺掺量的提高，泌水率呈现先降低、后提高的趋势。掺量从0%增加到0.15%时，随着掺量的提高，水化1 h、2 h泌水率降低；掺量>0.15%后，泌水率有所提高。当掺量为0.15%时，水化1 h、2 h的泌水率最低，水化1 h泌水率为1.70%，较空白试样降低了94.97%，水化24 h泌水率为1.89%，较空白试样降低了96.03%。说明聚丙烯酰胺水溶液代替部分拌和用水掺加在硫铝酸盐水泥中具有明显的增稠锁水和粘聚作用，能够较好地抑制水泥混凝土中自由水的泌出。

表3 聚丙烯酰胺对硫铝酸盐水泥泌水率的影响1)

2.2 聚丙烯酰胺对硫铝酸盐水泥凝结时间的影响

聚丙烯酰胺对硫铝酸盐水泥凝结时间的影响见表4。

表4 聚丙烯酰胺对硫铝酸盐水泥凝结时间的影响

由表4可以看出，聚丙烯酰胺在硫铝酸盐水泥中具有明显的缓凝作用。掺量从0%增加到1.20%时，水泥初凝时间由33 min延长到107 min，延长了3.2倍；终凝时间由88 min延长到182 min，延长了2.1倍。分析其原因可能是聚合物聚丙烯酰胺在硫铝酸盐水泥浆体水化凝结时会经过一个“絮凝-失水凝结”的过程，在这个过程中，聚丙烯酰胺会不断地形成膜状物质，这些膜状物质包围在水泥颗粒水化层表面，并不断增加膜的厚度，阻碍了水泥颗粒与水的接触，同时对已形成的水化产物的迁移造成了阻碍[10]，导致水泥水化速度下降，凝结时间延长。

2.3 聚丙烯酰胺对硫铝酸盐水泥力学性能的影响

聚丙烯酰胺对硫铝酸盐水泥物理力学性能的影响见表5。

表5 聚丙烯酰胺对硫铝酸盐水泥物理力学性能的影响

由表5可以看出：

(1)聚丙烯酰胺掺量从0%增加到0.30%时，随着掺量的提高，1 d养护龄期的抗折强度缓慢增长；掺量>0.30%时，养护1 d的抗折强度逐渐下降。说明聚丙烯酰胺在硫铝酸盐水泥中掺量较低时，其缓凝效果对水泥早期强度影响不大；掺量>0.30%后，缓凝效果逐渐显现出来，从而影响了水泥的早期硬化和抗折强度的发挥。

(2)随着聚丙烯酰胺掺量的增加，3 d和28 d养护龄期的抗折强度随之提高。掺量从0%增加到0.3%时，养护3 d的抗折强度提高75.68%，养护28 d的抗折强度提高了39.61%，强度提高幅度较大，说明聚丙烯酰胺能够明显地提高硫铝酸盐水泥的抗折强度和柔韧性。

(3)从各养护龄期的抗压强度来看，聚丙烯酰胺在硫铝酸盐水泥中会降低抗压强度，掺加量越高，抗压强度下降越明显，其原因是聚丙烯酰胺在硫铝酸盐水泥中具有粘聚、增稠、保水等特性，同时还具有稳泡、增加气泡壁拉伸强度的作用[11]，在料浆搅拌过程中引入到料浆内部的空气逐渐变成微小气泡，而浆体内部的微小气泡在聚丙烯酰胺的保护作用下不易破灭排出，使得试件内部孔隙率提高，密度降低，导致试件抗压强度下降。

2.4 聚丙烯酰胺对硫铝酸盐水泥耐水性能的影响

聚丙烯酰胺对硫铝酸盐水泥耐水性能的影响见表6。

由表6可以看出，随着聚丙烯酰胺掺量的增加，试件浸水28 d的软化系数逐渐提高。掺量从0%增加到1.20%时，抗折软化系数提高了11.96%，抗压软化系数提高了48.72%。分析其原因是：

(1)由于聚丙烯酰胺在硫铝酸盐水泥中具有缓凝作用，影响了水泥的早期水化反应，延缓了硬化反应速度，化学反应进行的不够充分，试件浸水后得到进一步养护和水化，提高了试件的抗折强度。

表6 聚丙烯酰胺对硫铝酸盐水泥耐水性能的影响

(2)掺入聚丙烯酰胺后，试件内部产生较多的密闭小气孔(孔径<1 mm)，在小气孔的孔壁上形成一层致密的封闭屏障层，阻碍了水对试件的浸入，从而提高了试件的耐水性，这是抗压软化系数提高幅度较大的主要原因。

3 结论

3.1 聚丙烯酰胺在硫铝酸盐水泥中具有增稠、锁水和粘聚功能，能够很好地抑制水泥的泌水现象，掺量为水泥质量的0.15%时，水化1 h的泌水率为1.70%，较空白试件降低94.94%，水化2 h泌水率为1.89%，较空白试件降低96.03%，解决了水泥混凝土因泌水而造成的砂线、砂斑、麻面、分层、浮浆等弊病，提高了工程施工质量，尤其解决了板材类产品表面增强纤维的握裹力问题，大大提高了板材的力学性能。

3.2 聚丙烯酰胺在硫铝酸盐水泥中具有很好的缓凝作用，掺量为水泥质量的1.20%时，初凝时间延长3.2倍，终凝时间延长2.1倍，能够满足工程施工要求。

3.3 聚丙烯酰胺能明显提高硫铝酸盐水泥的抗折强度，养护28 d的试件抗折强度较空白对比试件提高39.61%，但同时试件密度和抗压强度有所下降。

3.4 聚丙烯酰胺对硫铝酸盐水泥的耐水性能有很大改善，掺量为水泥质量的1.20%时，浸水28 d的抗折软化系数较空白对比试件软化系数提高11.96%，抗压软化系数提高48.72%，显示了较好的耐水性能。