聚丙烯酰胺對硫鋁酸鹽水泥性能影響的試驗(yàn)研究

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(濟(jì)南市杰美菱鎂建材研究所，山東 濟(jì)南 250031)

引言

硫鋁酸鹽水泥(SAC)是以無水硫鋁酸鈣(CaO·Al2O3·SO3)和硅酸二鈣(2CaO·SiO2)為主要礦物熟料，通過外摻二水石膏(CaSO4·2H2O)而制得的早強(qiáng)、微膨脹、膨脹和自應(yīng)力水泥[1]，具有早強(qiáng)、高強(qiáng)、抗凍、抗?jié)B、耐腐蝕、堿度低(pH=10～10.5)等優(yōu)良特性[2]，廣泛應(yīng)用于海洋建筑工程、修補(bǔ)工程、防滲工程及GRC制品、自應(yīng)力水泥壓力管以及無機(jī)裝飾板材的生產(chǎn)，顯示出十分樂觀的應(yīng)用前景。但同時(shí)也存在著混凝土漿體易泌水、浮漿，與增強(qiáng)纖維粘結(jié)不牢，強(qiáng)度微倒縮等問題[3]。

近年來，利用高分子聚合物改性硫鋁酸鹽水泥的研究不斷深入。王春華等[4]研究了摻加聚合物膠粉改性硫鋁酸鹽水泥砂漿。研究結(jié)果表明，聚合物膠粉能明顯提高硫鋁酸鹽水泥砂漿的抗折強(qiáng)度和柔韌性。李云超等[5]對聚合物改性硫鋁酸鹽水泥的防腐抗?jié)B性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，摻入適量的苯丙乳液能有效提高硫鋁酸鹽水泥的抗?jié)B性和抗硫酸鹽侵蝕性。摻入聚合物后，可以在混凝土內(nèi)部形成空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并能使其微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而提高水泥混凝土的柔韌性，增強(qiáng)混凝土的抗裂性及抵抗裂紋擴(kuò)展的能力[6]。

為了進(jìn)一步提高硫鋁酸鹽水泥的使用性能，拓寬其應(yīng)用范圍，本文就高分子聚合物聚丙烯酰胺對硫鋁酸鹽水泥泌水性、凝結(jié)時(shí)間及力學(xué)性能、耐水性能的影響進(jìn)行了研究。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

(1)硫鋁酸鹽水泥：河北唐山六九水泥有限公司生產(chǎn)，其化學(xué)成分見表1，性能指標(biāo)見表2。

表1 硫鋁酸鹽水泥主要化學(xué)成分 %

表2 硫鋁酸鹽水泥主要性能指標(biāo)

(2)尾礦粉(CaCO3)：CaCO3含量≥98%，細(xì)度150～180 μm(80～100目)，密度2.85 g/cm3，含水率≤1.5%，在建材市場采購。

(3)JM-2高效減水劑：白色粉末，減水率為30%，自制。

(4)聚丙烯酰胺(PAM)：山東奇木實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)，白色粉末，細(xì)度150 μm(100目)，密度1.30 g/cm3，是一種線狀有機(jī)高分子聚合物，可以吸附水中的懸浮顆粒，在顆粒之間起到鏈接架橋作用，同時(shí)具有增稠、耐剪切、降阻及提高粘聚性等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于冶金、化工、紡織、環(huán)保、建材、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。

1.2 測試方法

(1)水泥凝結(jié)時(shí)間：按GB/T 1346—2011《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》進(jìn)行測試。

(2)泌水率：按JC/T 2153—2012《水泥泌水性能試驗(yàn)方法》進(jìn)行測試。

(3)抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度：參照GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度試驗(yàn)方法(ISO法)》進(jìn)行測試，試件規(guī)格為：40 mm×40 mm×160 mm。

(4)軟化系數(shù)：試件成型后保潮控溫養(yǎng)護(hù)24 h脫模，在自然條件下養(yǎng)護(hù)28 d，取出3條試塊測試抗折強(qiáng)度或抗壓強(qiáng)度，結(jié)果為R1；同時(shí)將另外3條試塊浸入水中，試件之間保持20 mm的距離，水面沒過試件20 mm，浸泡28 d取出，擦干表面水分進(jìn)行抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度測試，結(jié)果為R2，R2與R1的比值即為軟化系數(shù)，軟化系數(shù)的高低可以判斷試件耐水性能的優(yōu)劣。

1.3 試驗(yàn)用主要檢測儀器設(shè)備

(1)B20-S型強(qiáng)力高速三功能攪拌機(jī)，廣州粵麥機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)。

(2)ZT-90膠砂試件成型振實(shí)臺，無錫市錫鼎建工儀器廠生產(chǎn)。

(3)WDW-20微機(jī)控制電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南鑫光試驗(yàn)機(jī)制造有限公司制造。

(4)水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度凝結(jié)時(shí)間測定儀，江蘇無錫建儀試驗(yàn)器材有限公司生產(chǎn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 聚丙烯酰胺對硫鋁酸鹽水泥凈漿泌水率的影響

泌水率是衡量水泥混凝土和易性的一個(gè)重要指標(biāo)[7]，泌水率越高，水泥混凝土的和易性越差，施工難度就越大，施工質(zhì)量也越差，嚴(yán)重的泌水還會造成混凝土分層和浮漿[8]。尤其是板材類產(chǎn)品，若出現(xiàn)泌水或浮漿現(xiàn)象，漿體無法將板材表面的增強(qiáng)纖維緊密握裹，嚴(yán)重影響其力學(xué)性能，因?yàn)榘宀念惍a(chǎn)品兩表面的增強(qiáng)纖維對其產(chǎn)品的抗折強(qiáng)度起著至關(guān)重要的作用。

水泥混凝土中的拌和水由兩部分組成，一部分是提供水泥水化作用的結(jié)合水，另一部分是提供混凝土流動性的自由水，自由水過多是造成混凝土泌水的根本原因[9]。本試驗(yàn)用聚丙烯酰胺水溶液代替部分拌和用水，總用水量保持不變(下同)，研究了聚丙烯酰胺溶液對硫鋁酸鹽水泥凈漿泌水率的影響，結(jié)果見表3。

由表3可以看出，隨著聚丙烯酰胺摻量的提高，泌水率呈現(xiàn)先降低、后提高的趨勢。摻量從0%增加到0.15%時(shí)，隨著摻量的提高，水化1 h、2 h泌水率降低；摻量>0.15%后，泌水率有所提高。當(dāng)摻量為0.15%時(shí)，水化1 h、2 h的泌水率最低，水化1 h泌水率為1.70%，較空白試樣降低了94.97%，水化24 h泌水率為1.89%，較空白試樣降低了96.03%。說明聚丙烯酰胺水溶液代替部分拌和用水摻加在硫鋁酸鹽水泥中具有明顯的增稠鎖水和粘聚作用，能夠較好地抑制水泥混凝土中自由水的泌出。

表3 聚丙烯酰胺對硫鋁酸鹽水泥泌水率的影響1)

2.2 聚丙烯酰胺對硫鋁酸鹽水泥凝結(jié)時(shí)間的影響

聚丙烯酰胺對硫鋁酸鹽水泥凝結(jié)時(shí)間的影響見表4。

表4 聚丙烯酰胺對硫鋁酸鹽水泥凝結(jié)時(shí)間的影響

由表4可以看出，聚丙烯酰胺在硫鋁酸鹽水泥中具有明顯的緩凝作用。摻量從0%增加到1.20%時(shí)，水泥初凝時(shí)間由33 min延長到107 min，延長了3.2倍；終凝時(shí)間由88 min延長到182 min，延長了2.1倍。分析其原因可能是聚合物聚丙烯酰胺在硫鋁酸鹽水泥漿體水化凝結(jié)時(shí)會經(jīng)過一個(gè)“絮凝-失水凝結(jié)”的過程，在這個(gè)過程中，聚丙烯酰胺會不斷地形成膜狀物質(zhì)，這些膜狀物質(zhì)包圍在水泥顆粒水化層表面，并不斷增加膜的厚度，阻礙了水泥顆粒與水的接觸，同時(shí)對已形成的水化產(chǎn)物的遷移造成了阻礙[10]，導(dǎo)致水泥水化速度下降，凝結(jié)時(shí)間延長。

2.3 聚丙烯酰胺對硫鋁酸鹽水泥力學(xué)性能的影響

聚丙烯酰胺對硫鋁酸鹽水泥物理力學(xué)性能的影響見表5。

表5 聚丙烯酰胺對硫鋁酸鹽水泥物理力學(xué)性能的影響

由表5可以看出：

(1)聚丙烯酰胺摻量從0%增加到0.30%時(shí)，隨著摻量的提高，1 d養(yǎng)護(hù)齡期的抗折強(qiáng)度緩慢增長；摻量>0.30%時(shí)，養(yǎng)護(hù)1 d的抗折強(qiáng)度逐漸下降。說明聚丙烯酰胺在硫鋁酸鹽水泥中摻量較低時(shí)，其緩凝效果對水泥早期強(qiáng)度影響不大；摻量>0.30%后，緩凝效果逐漸顯現(xiàn)出來，從而影響了水泥的早期硬化和抗折強(qiáng)度的發(fā)揮。

(2)隨著聚丙烯酰胺摻量的增加，3 d和28 d養(yǎng)護(hù)齡期的抗折強(qiáng)度隨之提高。摻量從0%增加到0.3%時(shí)，養(yǎng)護(hù)3 d的抗折強(qiáng)度提高75.68%，養(yǎng)護(hù)28 d的抗折強(qiáng)度提高了39.61%，強(qiáng)度提高幅度較大，說明聚丙烯酰胺能夠明顯地提高硫鋁酸鹽水泥的抗折強(qiáng)度和柔韌性。

(3)從各養(yǎng)護(hù)齡期的抗壓強(qiáng)度來看，聚丙烯酰胺在硫鋁酸鹽水泥中會降低抗壓強(qiáng)度，摻加量越高，抗壓強(qiáng)度下降越明顯，其原因是聚丙烯酰胺在硫鋁酸鹽水泥中具有粘聚、增稠、保水等特性，同時(shí)還具有穩(wěn)泡、增加氣泡壁拉伸強(qiáng)度的作用[11]，在料漿攪拌過程中引入到料漿內(nèi)部的空氣逐漸變成微小氣泡，而漿體內(nèi)部的微小氣泡在聚丙烯酰胺的保護(hù)作用下不易破滅排出，使得試件內(nèi)部孔隙率提高，密度降低，導(dǎo)致試件抗壓強(qiáng)度下降。

2.4 聚丙烯酰胺對硫鋁酸鹽水泥耐水性能的影響

聚丙烯酰胺對硫鋁酸鹽水泥耐水性能的影響見表6。

由表6可以看出，隨著聚丙烯酰胺摻量的增加，試件浸水28 d的軟化系數(shù)逐漸提高。摻量從0%增加到1.20%時(shí)，抗折軟化系數(shù)提高了11.96%，抗壓軟化系數(shù)提高了48.72%。分析其原因是：

(1)由于聚丙烯酰胺在硫鋁酸鹽水泥中具有緩凝作用，影響了水泥的早期水化反應(yīng)，延緩了硬化反應(yīng)速度，化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的不夠充分，試件浸水后得到進(jìn)一步養(yǎng)護(hù)和水化，提高了試件的抗折強(qiáng)度。

表6 聚丙烯酰胺對硫鋁酸鹽水泥耐水性能的影響

(2)摻入聚丙烯酰胺后，試件內(nèi)部產(chǎn)生較多的密閉小氣孔(孔徑<1 mm)，在小氣孔的孔壁上形成一層致密的封閉屏障層，阻礙了水對試件的浸入，從而提高了試件的耐水性，這是抗壓軟化系數(shù)提高幅度較大的主要原因。

3 結(jié)論

3.1 聚丙烯酰胺在硫鋁酸鹽水泥中具有增稠、鎖水和粘聚功能，能夠很好地抑制水泥的泌水現(xiàn)象，摻量為水泥質(zhì)量的0.15%時(shí)，水化1 h的泌水率為1.70%，較空白試件降低94.94%，水化2 h泌水率為1.89%，較空白試件降低96.03%，解決了水泥混凝土因泌水而造成的砂線、砂斑、麻面、分層、浮漿等弊病，提高了工程施工質(zhì)量，尤其解決了板材類產(chǎn)品表面增強(qiáng)纖維的握裹力問題，大大提高了板材的力學(xué)性能。

3.2 聚丙烯酰胺在硫鋁酸鹽水泥中具有很好的緩凝作用，摻量為水泥質(zhì)量的1.20%時(shí)，初凝時(shí)間延長3.2倍，終凝時(shí)間延長2.1倍，能夠滿足工程施工要求。

3.3 聚丙烯酰胺能明顯提高硫鋁酸鹽水泥的抗折強(qiáng)度，養(yǎng)護(hù)28 d的試件抗折強(qiáng)度較空白對比試件提高39.61%，但同時(shí)試件密度和抗壓強(qiáng)度有所下降。

3.4 聚丙烯酰胺對硫鋁酸鹽水泥的耐水性能有很大改善，摻量為水泥質(zhì)量的1.20%時(shí)，浸水28 d的抗折軟化系數(shù)較空白對比試件軟化系數(shù)提高11.96%，抗壓軟化系數(shù)提高48.72%，顯示了較好的耐水性能。