摘 要 機(jī)制砂是天然河砂替代品，受建筑業(yè)廣泛關(guān)注，然而生產(chǎn)過程引入的聚丙烯酰胺（PAM）對(duì)混凝土性能影響較大且研究成果不成體系，限制了機(jī)制砂的應(yīng)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(duì)水泥砂漿工作性能、力學(xué)性能影響. 研究表明，PAM摻量對(duì)膠砂流動(dòng)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(shí)對(duì)水泥膠砂流動(dòng)度影響較大（-10.7%）. PAM令膠砂28天強(qiáng)度略有上升，其中陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）對(duì)強(qiáng)度提升較大，CPAM 600萬0.005%標(biāo)養(yǎng)28 d強(qiáng)度提升最高為14.3%，APAM 800萬0.005%強(qiáng)度提高9.3%. 此外，PAM會(huì)顯著降低聚羧酸高效減水劑（PCE）減水效果，流動(dòng)度最低降低15%，最高降低28.6%，強(qiáng)度最低降低11.6%，是因?yàn)镻CE、PAM與水泥顆粒結(jié)合時(shí)存在競爭關(guān)系，PAM會(huì)干擾PCE對(duì)水泥顆粒的分散作用，抑制該干擾將成為后續(xù)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(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)水分條件異常敏感，干燥收縮與化學(xué)收縮所得結(jié)論相反，因此建議選用機(jī)制砂作為細(xì)骨料的工程養(yǎng)護(hù)時(shí)需格外注意養(yǎng)護(hù)濕度.

關(guān)鍵詞 普通硅酸鹽水泥；聚丙烯酰胺；工作性能；力學(xué)性能；干燥收縮

中圖分類號(hào) TU528.042.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

0 引 言

我國混凝土消耗量連續(xù)十余年位居世界首位，細(xì)骨料需求量巨大，但隨生態(tài)保護(hù)意識(shí)增強(qiáng)，天然河砂供應(yīng)量卻大幅縮減[1-2]，在此背景下機(jī)制砂研究備受關(guān)注. 我國機(jī)制砂多以濕法工藝生產(chǎn)，為去除破碎過程中產(chǎn)生的石粉，需引入絮凝劑進(jìn)行沉降，其中聚丙烯酰胺（PAM）成本低廉，沉降效果顯著，廣受機(jī)制砂企業(yè)青睞[3]. 但另一方面，企業(yè)對(duì)絮凝技術(shù)知識(shí)儲(chǔ)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(duì)混凝土工作性能、力學(xué)性能均有較大影響[5]，但相關(guān)研究成果尚不成體系，這一直限制著機(jī)制砂推廣使用. 機(jī)制砂PAM殘留問題作為行業(yè)熱點(diǎn)，近年來引發(fā)學(xué)者廣泛關(guān)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(nèi)外學(xué)者為研究干熱風(fēng)區(qū)工程建設(shè)中水泥砂漿抗裂表現(xiàn)，就PAM保水性能開展相關(guān)研究，模擬大風(fēng)環(huán)境，發(fā)現(xiàn)0.06%摻量時(shí)PAM保水抗裂效果最佳[7-8]. 為研究寒區(qū)工程建設(shè)水泥土抗凍融表現(xiàn)，選用3%、5%、7%、10%摻量PAM，測量一定凍融次數(shù)時(shí)質(zhì)量損失與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)PAM可提高水泥土抗凍融強(qiáng)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(qiáng)度均能保持良好，強(qiáng)度為45.8 MPa[10]. 保水能力增強(qiáng)通常會(huì)導(dǎo)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(dòng)度變差[11]. 張長清等在研究自密實(shí)混凝土?xí)r，選用PAM作為增稠劑，研究表明PAM用量增加時(shí)，水泥標(biāo)稠的用水量隨之增加，流動(dòng)度下降，凝結(jié)時(shí)間延長，其中在0.01%摻量下水泥屈服應(yīng)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(duì)新拌水泥基材料的早期性能影響巨大，PAM殘留會(huì)顯著影響水泥膠砂流動(dòng)度[13]. 王傳林等[14]在研究不同分子量APAM時(shí)，發(fā)現(xiàn)分子量增大、摻量增加時(shí)砂漿流動(dòng)度下降，解釋為鈣離子與PAM形成膠凝物質(zhì)影響水泥均質(zhì)化表現(xiàn). 同時(shí)Bessaies-Bey等[15]研究PAM對(duì)新拌水泥流變特性影響，結(jié)果與上述觀點(diǎn)相同. 此外，水溶性聚合物會(huì)延緩水泥水化[16-17]，原因是APAM抑制C3S溶解，在一天后促進(jìn)氫氧化鈣形成[18]. 對(duì)于如何改善PAM帶來的流動(dòng)度損失以及強(qiáng)度變化，國內(nèi)外做了研究，發(fā)現(xiàn)PAM受紫外線照射以及真菌菌落附著持續(xù)18個(gè)月復(fù)合影響下，喪失保水功能[19]，國內(nèi)學(xué)者利用低壓汞燈照射，拌合時(shí)復(fù)配硫酸鋅進(jìn)行PAM降解，并申請(qǐng)專利[20]. 此外，為去除水溶液中PAM，國內(nèi)學(xué)者采用聚合氯化鋁混合活性炭的方式，發(fā)現(xiàn)pH6.5、35 ℃、聚合氯化鋁質(zhì)量濃度250 mg/L、活性炭質(zhì)量濃度200 mg/L條件下去除率最高為52%[21].

由此可見，國內(nèi)外已有大量相關(guān)研究，但PAM種類研究相對(duì)較少，相關(guān)研究成果不成體系，不利于形成行業(yè)規(guī)范. 因此，亟需進(jìn)一步開展有關(guān)PAM離子類型、分子量和更細(xì)致的摻量變化對(duì)水泥膠砂性能影響的研究. 綜上所述，PAM殘留可能引發(fā)的工程風(fēng)險(xiǎn)是阻礙機(jī)制砂廣泛應(yīng)用的重要原因，完善PAM在硅酸鹽水泥領(lǐng)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(duì)水泥砂漿力學(xué)性能、工作性能、水化產(chǎn)物、孔隙發(fā)育的影響. 此外，研究過程中格外關(guān)注PAM與PCE關(guān)系，協(xié)調(diào)二者關(guān)系可能成為未來解決PAM殘留帶來不利影響問題的關(guān)鍵所在.

1 試驗(yàn)方法與原料

1.1 原材料

采用塔牌P.O. 42.5 R水泥，選用當(dāng)?shù)刈詠硭?，河砂顆粒級(jí)配和主要技術(shù)指標(biāo)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(shí)業(yè)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(shè)置為水泥質(zhì)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(yàn)砂膠比為1，水膠比為0.4. 按設(shè)計(jì)稱量好相應(yīng)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(gè)試樣. 試樣標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)24 h后脫模，移入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)至相應(yīng)齡期取出加載測試. 同時(shí)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(yǎng)護(hù)至規(guī)定齡期后進(jìn)行表觀孔隙率測試.

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 水泥膠砂流動(dòng)度試驗(yàn)

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

1.3.2 砂漿抗折和抗壓強(qiáng)度

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

1.3.3 表觀孔隙率試驗(yàn)

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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測定. 首先將標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d試塊放入真空保水機(jī)內(nèi)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(jìn)行表觀孔隙率計(jì)算. 試驗(yàn)設(shè)備如圖所示.

P＝[（W-D）/（W-S）]×100%（1）

1.3.4 干燥收縮試驗(yàn)

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(yǎng)護(hù)條件為溫度（20±2） ℃，相對(duì)濕度為65%，分別在3 d、7 d、14 d、21 d、28 d進(jìn)行試件長度測量. 試塊制備及所用設(shè)備如下：

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 PAM對(duì)水泥砂漿流動(dòng)度影響

圖4為不同離子類型、分子量及摻量PAM對(duì)水泥砂漿流動(dòng)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(huì)降低水泥砂漿流動(dòng)度，且隨摻量增大，砂漿流動(dòng)度減小. 解釋為PAM具有極強(qiáng)的吸水性，會(huì)吸收砂漿水分，造成自由水減少，導(dǎo)致流動(dòng)度降低. 其次，PAM水解生成的羧基支鏈與水泥水化產(chǎn)物陽離子發(fā)生離子結(jié)合阻礙水泥顆粒分散，絡(luò)合生成的膠凝物質(zhì)還會(huì)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(dǎo)致整個(gè)體系的需水量增大. 比較（b）、（c）圖可以發(fā)現(xiàn)，APAM造成的砂漿流動(dòng)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(jī)制砂企業(yè)選用絮凝劑應(yīng)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(duì)水泥砂漿力學(xué)性能的影響

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

圖6為不同PAM對(duì)水泥砂漿7 d、28 d齡期抗壓強(qiáng)度影響柱狀圖. 由圖（b）、（d）可知水泥砂漿28 d抗壓強(qiáng)度隨PAM摻量增大逐漸降低，通過圖6前四幅圖可知，PAM對(duì)水泥砂漿抗壓強(qiáng)度與抗折強(qiáng)度結(jié)論相似，不同PAM均能小幅度提升水泥砂漿抗壓強(qiáng)度；然而以摻有高效減水劑組為對(duì)照時(shí)，見圖（e）、（f），發(fā)現(xiàn)7 d、28 d的抗壓強(qiáng)度均表現(xiàn)出下降規(guī)律. 這是因?yàn)镻AM能減少水泥膠砂泌水率，具有保水性，在膠砂試塊內(nèi)部鎖住水分，起內(nèi)養(yǎng)護(hù)作用，有利于早期水化，因此表現(xiàn)為強(qiáng)度測試數(shù)據(jù)優(yōu)于空白對(duì)照組；但隨水化進(jìn)行水分不斷消耗，相較于摻PCE試驗(yàn)組，實(shí)驗(yàn)組需水化產(chǎn)物填補(bǔ)PAM吸水后占據(jù)的空間更大. 該點(diǎn)在孔隙率試驗(yàn)中得到證實(shí)，摻PAM會(huì)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(shí)，應(yīng)時(shí)刻關(guān)注工程實(shí)際中PCE普遍使用的客觀事實(shí)，本文著重提出需加強(qiáng)研究PCE與PAM共同作用具體關(guān)系的研究觀點(diǎn).

2.3 PAM對(duì)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(xiàn)圖，開展孔隙率實(shí)驗(yàn)用以佐證說明強(qiáng)度試驗(yàn)現(xiàn)象. 其中，由（a）圖可發(fā)現(xiàn)，APAM摻量增大時(shí)，試塊密度變化大于分子量增加引起的變化. 對(duì)比（b）圖可知，CPAM對(duì)水泥凈漿孔隙率影響輕微，與抗折強(qiáng)度試驗(yàn)規(guī)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(fā)現(xiàn)，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(qiáng)度試驗(yàn)中PCE組抗壓強(qiáng)度較大的結(jié)論相吻合. 經(jīng)水泥凈漿孔隙率試驗(yàn)得到以下結(jié)論：PAM會(huì)顯著影響PCE的減水、提升強(qiáng)度功能，拌合物中存在PAM會(huì)提升水泥膠砂28 d孔隙率，對(duì)強(qiáng)度有不利影響.

2.4 PAM對(duì)水泥砂漿收縮的影響

為實(shí)現(xiàn)表觀孔隙率測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、閉環(huán)，本文開展水泥砂漿干燥收縮與水泥凈漿化學(xué)收縮試驗(yàn)，所得數(shù)據(jù)如圖8所示. 其中，通過對(duì)比（a）圖、（b）圖可知，水泥砂漿干燥收縮幅度隨時(shí)間變化趨勢相同，表現(xiàn)為7 d收縮幅度較小，7 d后收縮幅度加?。皇湛s速率隨PAM分子量增大表現(xiàn)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(xiàn)在APAM-3組，達(dá)0.009 7%. 這與上述表觀孔隙率試驗(yàn)結(jié)果一致，表觀孔隙率最大，直接表明水泥水化產(chǎn)物填補(bǔ)空隙結(jié)果不佳. 在（c）、（d）圖中，化學(xué)收縮結(jié)果表現(xiàn)出，浸泡環(huán)境下APAM引起的收縮小于CPAM，因養(yǎng)護(hù)條件差別，試驗(yàn)結(jié)論并不一致. 由此可知，摻PAM的試塊在收縮方面對(duì)水分條件異常敏感，選用機(jī)制砂的工程需格外關(guān)注養(yǎng)護(hù)時(shí)濕度情況.

3 結(jié) 論

（1） PAM會(huì)顯著影響水泥膠砂流動(dòng)度，摻量0.005%時(shí)造成-10.7%流動(dòng)度損失，且隨PAM摻量增大、分子量增大影響逐步擴(kuò)大. 機(jī)制砂企業(yè)選用絮凝劑時(shí)，應(yīng)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(qiáng)度，但會(huì)阻礙PCE發(fā)揮功能. 在研究PAM帶來不利影響時(shí)，應(yīng)時(shí)刻關(guān)注工程實(shí)際中PCE普遍使用的客觀事實(shí)，加強(qiáng)PCE與PAM共同作用時(shí)具體關(guān)系研究.

（3） 干燥收縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)拌合物中存在PAM會(huì)提升水泥膠砂28 d孔隙率，降低強(qiáng)度；化學(xué)收縮所得結(jié)論與之相反. 摻PAM的試塊收縮數(shù)據(jù)受水分條件影響較大，選用機(jī)制砂的工程需格外關(guān)注養(yǎng)護(hù)時(shí)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(xiàng)目：廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2023A1515012727）；廣東省普通高校青年創(chuàng)新人才資助項(xiàng)目

（2021KQNCX021）