新型功能吸水性高分子材料對(duì)袋裝干混料性能的影響

王成啟

（中交上海三航科學(xué)研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

水下基礎(chǔ)為承受橋梁、水利等結(jié)構(gòu)所有荷載的構(gòu)件，水下基礎(chǔ)會(huì)使此區(qū)域原來(lái)的波浪、水流等水動(dòng)力條件發(fā)生改變，打破原本已經(jīng)建立的泥沙輸運(yùn)平衡，從而使水下基礎(chǔ)的周圍發(fā)生沖刷[1-2]。沖刷是導(dǎo)致水下基礎(chǔ)淘空沉降甚至松動(dòng)的主要原因之一，淘空沉降將進(jìn)一步導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、松動(dòng)，會(huì)最終導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)垮塌。采用袋裝碎石上層壓載袋裝干混料是解決水下基礎(chǔ)抗沖刷的有效方法，其中袋裝碎石作為反濾層，防止原沖刷坑底的淤泥及粉土底質(zhì)受紊流作用而被淘刷，袋裝干混料主要起到防止表面沖刷和壓載袋裝碎石的作用[3]。袋裝干混料是由水泥和骨料經(jīng)拌制后裝入土工袋中，包括原材料選擇、配制、攪拌、包裝、存放、運(yùn)輸和沉放等施工過(guò)程。在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，砂、石等原材料很難控制到干燥狀態(tài)，均含有一定的水分，干混料在存放過(guò)程中的骨料含水率會(huì)對(duì)其抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響。

我國(guó)從20 世紀(jì)80 年代后期對(duì)高吸水性樹(shù)脂進(jìn)行了開(kāi)發(fā)研究，高分子吸水性樹(shù)脂是一類新型功能高分子材料，具有高吸水性和高保水性，同時(shí)具有良好的加工性能和使用性能[4-6]。聚丙烯酸鈉是一種新型功能高分子材料和重要化工產(chǎn)品，固態(tài)產(chǎn)品，為白色或淺黃色塊狀或粉末，液態(tài)產(chǎn)品為無(wú)色或淡黃色黏稠液體，由丙烯酸及其酯類為原料，經(jīng)水溶液聚合制得[5-6]。根據(jù)分子質(zhì)量的不同，聚丙烯酸鈉用途也不同，其中相對(duì)分子質(zhì)量在1000～5000 之間的為低分子質(zhì)量，主要用作分散劑[7]；相對(duì)分子質(zhì)量在104～106之間的為中分子質(zhì)量，主要用作增稠劑[8]；相對(duì)分子質(zhì)量在106～107之間的為高分子質(zhì)量，具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和高吸水性，主要用作絮凝劑和吸濕劑[9-12]。本文采用聚丙烯酸鈉為吸水性外加劑，研究聚丙烯酸鈉對(duì)潮濕袋裝干混料抗壓強(qiáng)度的影響，提出將吸水性外加劑用于配制干混料的方法，以解決潮濕骨料袋裝干混料的施工存放問(wèn)題。

1 試 驗(yàn)

1.1 原材料

（1）水泥

采用江蘇金峰水泥集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的P·O42.5 水泥，安定性合格，其物理力學(xué)性能如表1 所示，符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 水泥的主要技術(shù)性能

（2）細(xì)骨料

采用細(xì)度模數(shù)為2.4 的Ⅱ區(qū)中砂，其性能測(cè)試結(jié)果如表2所示，符合JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》標(biāo)準(zhǔn)要求。

表2 砂的主要技術(shù)性能

（3）粗骨料

采用5～31.5 mm 連續(xù)級(jí)配的碎石，其性能測(cè)試結(jié)果如表3 所示，符合JGJ 52—2006 標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 粗骨料的主要技術(shù)性能

（4）吸水性外加劑

采用河南省焦作市泰烽精細(xì)化工有限公司生產(chǎn)的聚丙烯酸鈉，為白色粉末，相對(duì)分子質(zhì)量在106～107之間，其基本性能如表4 所示。

表4 聚丙烯酸鈉的基本性能

1.2 干混料的配合比

為研究骨料含水率對(duì)干混料抗壓強(qiáng)度的影響，分別設(shè)計(jì)2 個(gè)系列的干混料，系列1 為不同骨料含水率的干混料，系列2 為不同聚丙烯酸鈉摻量的干混料。系列1 干混料采用水泥用量為200 kg/m3，砂的含水率分別為0、0.5%、1.0%、1.5%，碎石的含水率為0.5%；系列2 干混料采用水泥用量為200 kg/m3，砂的含水率為1.5%，碎石的含水率為0.5%，聚丙烯酸鈉摻量分別為2、3、4、6、10 kg/m3，2 個(gè)系列干混料的配合比如表5 所示。

表5 干混料的配合比設(shè)計(jì)

1.3 試驗(yàn)方法

（1）干混料拌制

不同含水率骨料干混料拌制時(shí)，直接將潮濕骨料和水泥加入混凝土攪拌機(jī)中，攪拌時(shí)間為2 min；當(dāng)摻聚丙烯酸鈉干混料拌制時(shí)，先將聚丙烯酸鈉和潮濕骨料拌制1 min，并靜置5 min，然后再將水泥加入攪拌機(jī)中拌制1 min。將拌制好的干混料存放3 d 后備用。

（2）干混料成型

采用100 mm×100 mm×100 mm 立方體試模進(jìn)行干混料成型，將存放3 d 后的干混料一次裝入試模中，高出試模10 mm，在混凝土振動(dòng)臺(tái)上振動(dòng)一定時(shí)間后抹平。成型后將試模放入盛有海水的水池中進(jìn)行浸泡，液面高出試模100 mm，浸泡7 d 后取出、脫模。

（3）抗壓強(qiáng)度測(cè)試

將養(yǎng)護(hù)到規(guī)定齡期的干混料試塊，按照J(rèn)TS/T 236—2019《水運(yùn)工程混凝土試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 骨料含水率對(duì)干混料抗壓強(qiáng)度的影響（見(jiàn)表6）

表6 不同含水率骨料的干混料抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

從表6 可以看出，拌制好的干混料存放3 d 后，隨著細(xì)骨料含水率的增大，干混料的7 d 抗壓強(qiáng)度明顯下降，其中砂含水率為1.5%的干混料可脫模，但抗壓強(qiáng)度較低，其值低于1 MPa，比干燥細(xì)骨料干混料下降了81.6%；當(dāng)齡期為14、28 d時(shí)，隨著齡期的延長(zhǎng)，不同含水率骨料的干混料抗壓強(qiáng)度均有一定提高，但均明顯低于干燥細(xì)骨料的干混料抗壓強(qiáng)度，且隨著砂含水率的增大，干混料的抗壓強(qiáng)度不斷降低，砂含水率為1.5%時(shí)，干混料的14、28 d 抗壓強(qiáng)度分別比干燥細(xì)骨料干混料下降了82.0%和77.5%。

由于在干混料生產(chǎn)過(guò)程中需要進(jìn)行拌制、包裝和運(yùn)輸?shù)仁┕?，很難做到及時(shí)沉放到水里，一般從干混料拌制加工包裝到沉放到水中至少需要3 d。干混料在存放和運(yùn)輸過(guò)程中，砂和碎石所含的水會(huì)使干混料中的部分水泥發(fā)生水化反應(yīng)，失去了膠凝作用，影響干混料后期浸入水中的水泥水化反應(yīng)，從而對(duì)干混料的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響。因此，應(yīng)開(kāi)展降低潮濕骨料對(duì)干混料存放中抗壓強(qiáng)度影響的研究。

2.2 吸水性外加劑摻量對(duì)干混料抗壓強(qiáng)度的影響（見(jiàn)表7）

表7 聚丙烯酸鈉摻量對(duì)干混料抗壓強(qiáng)度的影響

從表7 可以看出，隨著聚丙烯酸鈉摻量增加，干混料的7、14、28 d 抗壓強(qiáng)度均不斷提高。當(dāng)聚丙烯酸鈉摻量為6 kg/m3時(shí)，干混料的7、14、28 d 抗壓強(qiáng)度分別比干燥細(xì)骨料干混料的抗壓強(qiáng)度提高了2.0%、3.3%、2.5%，潮濕骨料干混料的抗壓強(qiáng)度與干燥骨料干混料抗壓強(qiáng)度相近；當(dāng)聚丙烯酸鈉摻量為10 kg/m3時(shí)，干混料的7、14、28 d 抗壓強(qiáng)度較為平穩(wěn)。因此，聚丙烯酸鈉的最佳摻量為6 kg/m3。

吸水性外加劑聚丙烯酸鈉具有明顯的吸水增強(qiáng)效果，可保證潮濕骨料干混料的抗壓強(qiáng)度。

聚丙烯酸鈉的分子結(jié)構(gòu)是輕度交聯(lián)的高分子空間網(wǎng)絡(luò)，具有許多離解基團(tuán)（—COONa+），其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是由化學(xué)交聯(lián)和大分子鏈間的相互纏繞的物理交聯(lián)構(gòu)成的。當(dāng)聚合物遇水時(shí)，立即離解為帶正電荷的低分子Na+和帶負(fù)電的高分子離子。低分子Na+與水接觸而運(yùn)動(dòng)，離開(kāi)了高分子離子鏈，由于帶負(fù)電荷的高分子離子問(wèn)相互電排斥力，使高分子網(wǎng)束由相互纏繞狀態(tài)逐漸伸展或溶脹開(kāi)來(lái)，從而造成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)外產(chǎn)生滲透壓，水分子以滲透方式向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)擴(kuò)散，形成溶膠。因此，聚丙烯酸鈉有很強(qiáng)的吸水性。摻入適量聚丙烯酸鈉的干混料中，聚丙烯酸鈉可有效吸收干混料中的水分，從而使干混料存放過(guò)程中水泥的膠凝作用不下降，可有效保證干混料的抗壓強(qiáng)度。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）水下基礎(chǔ)抗沖刷袋裝干混料中骨料的含水率會(huì)對(duì)干混料存放過(guò)程中的抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響。隨著骨料含水率的增大，存放3 d 的干混料抗壓強(qiáng)度明顯下降，當(dāng)粗骨料含水率為0.5%、細(xì)骨料含水率為1.5%時(shí)，干混料的7、14、28 d 抗壓強(qiáng)度分別下降81.6%、82.0%、77.5%。

（2）當(dāng)粗骨料含水率為0.5%、細(xì)骨料含水率為1.5%時(shí)，摻入6 kg/m3聚丙烯酸鈉的干混料7、14、28 d 抗壓強(qiáng)度分別比干燥細(xì)骨料干混料提高了2.0%、3.3%、2.5%，表明摻入適量的吸水性外加劑聚丙烯酸鈉可有效保證潮濕骨料干混料在存放過(guò)程中的抗壓強(qiáng)度。