侯淑鵬，朱金勇，陳禮儀，王 勝，宋佳奇

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059；2.四川西南交大土木工程設(shè)計(jì)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(yàn)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(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059；2.四川西南交大土木工程設(shè)計(jì)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(shè)中的應(yīng)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(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，分析得出不同摻量下的聚丙烯酰胺對水泥土強(qiáng)度的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，采用掃描電鏡分析水泥土的微觀結(jié)構(gòu)變化，探討聚丙烯酰胺對水泥土抗裂性能的影響機(jī)理。結(jié)果表明，水泥土強(qiáng)度隨著聚丙烯酰胺摻量的增加呈現(xiàn)出先升后降的趨勢，在摻量為3%～5%時(shí)水泥土強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)；水泥土抗裂性能的提高對聚丙烯酰胺存在一個(gè)適當(dāng)摻量。

水泥土； 聚丙烯酰胺； 抗壓強(qiáng)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(dāng)比例混合、拌制并經(jīng)硬化而成的一種建筑材料。因本身具有經(jīng)濟(jì)環(huán)保、施工簡便、材料來源廣泛等一系列優(yōu)點(diǎn)，目前在各類工程建設(shè)當(dāng)中已經(jīng)廣泛使用，如作為基礎(chǔ)穩(wěn)定加固材料被應(yīng)用于邊坡加固、軟基處理、深基坑支護(hù)等土建工程中[1]；作為防滲護(hù)坡材料被應(yīng)用于渠道襯砌、邊坡支護(hù)及壩體防滲等水利工程中[2]。然而，實(shí)際工程中的水泥土材料總是處在一定的環(huán)境中，經(jīng)受著外界各種因素的影響，強(qiáng)度和耐久性等性能也會(huì)隨之發(fā)生改變，表現(xiàn)出抗拉強(qiáng)度低、脆性大、易開裂等缺點(diǎn)。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(zhì)、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(nèi)外研究表明，通過在水泥土中添加適當(dāng)?shù)耐饧觿┛梢杂行Ц纳扑嗤恋奈锢砹W(xué)性能及其耐久性能，較單獨(dú)使用水泥土來說性能有極大改觀。當(dāng)前，國內(nèi)外專家學(xué)者通過外加劑的添加使用對水泥土進(jìn)行各種改性，試圖獲得既經(jīng)濟(jì)實(shí)用又能滿足工程要求的新型改性水泥土。

迄今為止，國內(nèi)外對在水泥土中添加外加劑已開展了廣泛研究?？籽嗥糩5]結(jié)合工程實(shí)例，分別在水泥土添加外加劑和不添加外加劑兩個(gè)情況下，對水泥土進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，以此來研究外加劑對水泥土強(qiáng)度的影響規(guī)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(yǎng)護(hù)齡期下分別進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)分析試驗(yàn)，再結(jié)合無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究添加劑對水泥土的作用機(jī)理。童小東[7]通過對多種添加劑進(jìn)行深入研究，篩選出若干對水泥土強(qiáng)度有增強(qiáng)作用的添加劑，并依據(jù)試驗(yàn)結(jié)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(jìn)行對比分析，證明選擇合適的外加劑可以有效促進(jìn)水泥水化、增強(qiáng)土粒聯(lián)結(jié)和降低土?？障堵剩M(jìn)而提高水泥土的各項(xiàng)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(yīng)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(yàn)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(hù)坡材料。針對該地區(qū)晝夜溫差大，水泥土易開裂的實(shí)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(jī)理進(jìn)行探討分析。

2 試 驗(yàn)

2.1 水泥土的配合比

本次試驗(yàn)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(tài)下呈軟塑狀態(tài)，其主要物理性質(zhì)指標(biāo)如表1所示，粒度分析曲線如圖1所示。

表1 試驗(yàn)用土樣主要物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 Results of physical behaviors of soil specimens

本次試驗(yàn)選用西南牌P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，每個(gè)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(jìn)行討論。PAM的主要技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 試驗(yàn)用PAM主要技術(shù)指標(biāo)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(fēng)干、捻散并過2 mm孔篩，以除去未粉碎的大顆粒。按設(shè)計(jì)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?jǐn)嚢杈鶆颍謱友b入邊長為70.7 mm的立方體試模內(nèi)搗實(shí)，抹平表面并進(jìn)行編號(hào)，24 h后脫模，置于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，到規(guī)定齡期后取出進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。部分水泥土試樣如圖2所示。

2.3 水泥土試件試驗(yàn)過程

本次試驗(yàn)參照J(rèn)GJ/T233-2011《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》上面的試驗(yàn)要求進(jìn)行。本次試驗(yàn)主要儀器有：JB-T17671-40A型水泥砼標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱、WHY-1000型微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)、TM-3000型掃描電鏡等，具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

(1)水泥土養(yǎng)護(hù)到規(guī)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(yàn)用試樣共45個(gè)，編號(hào)從P-0-7-1～P-10-60-3(P代表水泥土試塊，第二個(gè)數(shù)字代表PAM摻量，第三個(gè)數(shù)字代表養(yǎng)護(hù)齡期，第四個(gè)數(shù)字代表試塊個(gè)數(shù)順序)，按PAM摻量多少分為5組，每組又分別對應(yīng)四個(gè)不同養(yǎng)護(hù)齡期，其中第一組為基準(zhǔn)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(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，得出水泥土抗壓強(qiáng)度在不同PAM摻量下的變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，采用掃描電鏡分析水泥土的微觀結(jié)構(gòu)變化，探討PAM對水泥土抗裂性能的影響機(jī)理。

圖3 不同摻量PAM水泥土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度Fig.3 Unconfined compression test under different volume PAM cement-soil

3 結(jié)果與討論

3.1 水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

對加入不同摻量PAM的各組水泥土試樣進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)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(cè)限抗壓強(qiáng)度見圖3。

從水泥土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著PAM摻量的增加，水泥土的強(qiáng)度變化呈現(xiàn)出先升后降的趨勢，大致呈拋物線形狀。當(dāng)PAM摻量從0%～5%時(shí)水泥土抗壓強(qiáng)度逐漸提高，且在摻量為3%～5%時(shí)明顯高于基準(zhǔn)組；當(dāng)PAM摻量大于5%時(shí)，水泥土抗壓強(qiáng)度又逐漸降低。說明水泥土強(qiáng)度的提高對PAM存在一個(gè)適當(dāng)摻量。

3.2 水泥土微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的變化和力學(xué)特性，筆者還做了相應(yīng)的電鏡掃描試驗(yàn)。圖4為水泥土在不同PAM摻量下的微觀結(jié)構(gòu)變化。

從圖中可以清楚直觀地看出水泥土的微觀形態(tài)變化。圖4a、b為不摻PAM時(shí)的普通水泥土微觀形貌特征：水泥土的骨架顆?；疽粤顬橹鳎螤?、大小各異，排列雜亂無序，且顆粒間填充較多小孔隙，聯(lián)結(jié)形式基本為鑲嵌接觸，裂紋發(fā)育較為明顯；內(nèi)部破壞時(shí)，土顆粒沿接觸面處發(fā)生片狀或塊狀剝落。圖4c、f為PAM摻量3%和5%時(shí)的水泥土微觀形態(tài)：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(jié)構(gòu)較致密。此外，土層表面上裂紋基本不發(fā)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(tuán)，水泥已與周圍土顆粒膠結(jié)成為一個(gè)整體，試樣的密實(shí)度較之前明顯提高，水泥土的抗裂性能也大大增強(qiáng)。圖4g、j為PAM摻量為7%和10%時(shí)的水泥土微觀結(jié)構(gòu)：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(lián)。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(dǎo)致土顆粒之間膠結(jié)強(qiáng)度降低。土層表面微裂紋開始增多，且微裂紋中間出現(xiàn)了較多交錯(cuò)發(fā)育的針狀結(jié)構(gòu)，這樣使得試樣的密實(shí)度明顯不足，抗裂性能也隨之降低。

圖4 水泥土微觀結(jié)構(gòu)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(jī)理分析

綜合圖3和圖4的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，加入3%～5%摻量的PAM可以明顯提升水泥土的強(qiáng)度，增強(qiáng)水泥土的抗裂性能，但PAM摻量也不是越多越好，當(dāng)摻量超過5%時(shí)，水泥土強(qiáng)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(gè)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(qiáng)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(qiáng)的吸附作用，當(dāng)把PAM加入到水泥土中時(shí)，PAM與水泥顆粒和土顆粒之間相互接觸粘結(jié)，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(jìn)而使水泥基體的水化產(chǎn)物更加密實(shí)，達(dá)到增強(qiáng)水泥土強(qiáng)度的目的。另外，當(dāng)PAM分子吸附于土顆粒和水泥顆粒表面時(shí)，會(huì)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(jìn)水泥進(jìn)一步水化，進(jìn)而增強(qiáng)水泥土的強(qiáng)度以及抗裂性能。

(2)PAM分子鏈上的側(cè)基為非常活潑的酰胺基,當(dāng)PAM摻入到水泥土中后,其酰胺基水解，進(jìn)而轉(zhuǎn)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(dǎo)官能團(tuán)之一，其反應(yīng)式如下：

水解后的PAM可以和水泥水化產(chǎn)物中的多種金屬陽離子如Ca2+、Al3+等相互作用,當(dāng)它們相互作用時(shí)通常會(huì)生成結(jié)構(gòu)較為致密的凝膠體,而當(dāng)這些凝膠體填充于水泥土微孔隙之中時(shí)，會(huì)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(jié)力，有效減少微裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)散,在宏觀上就表現(xiàn)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(xué)反應(yīng)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(cuò)聯(lián)結(jié)，形成一種密實(shí)牢固的空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)能將水泥和土顆粒膠結(jié)連接在一起,形成一種貫穿于土體內(nèi)部的整體膠結(jié)加筋結(jié)構(gòu)。當(dāng)水泥土受力時(shí)，這種整體膠結(jié)加筋結(jié)構(gòu)就將所牽連的各個(gè)微顆粒緊緊連接在一起共同受力，從而增強(qiáng)了土體的抗開裂性能，其效果如圖5(a)所示。當(dāng)PAM摻量超過一定量時(shí)，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(qiáng)，這樣就大大削弱了土顆粒之間的相互作用力，故而導(dǎo)致水泥土強(qiáng)度和抗裂性能的大幅降低，效果如圖5(b)所示。

4 結(jié) 論

(1)通過水泥土的抗壓試驗(yàn)和微觀試驗(yàn)，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(jié)力，增強(qiáng)土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密性，在土體內(nèi)部形成整體膠結(jié)加筋結(jié)構(gòu)，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(qiáng)度剛開始表現(xiàn)出急劇增強(qiáng)的趨勢，但超過一定量時(shí)，強(qiáng)度又逐漸降低，呈現(xiàn)出先升后降的變化規(guī)律。說明水泥土抗壓強(qiáng)度的提高對PAM存在一個(gè)適當(dāng)摻量，摻量大致為3%～5%；

(3)本文的試驗(yàn)現(xiàn)象和相應(yīng)的結(jié)論對PAM在水泥土工程建設(shè)中的合理運(yùn)用具有一定的參考價(jià)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(xué)基金面上項(xiàng)目(41272331、51204027)；地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(SKLGP2015Z010)；四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)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