新型功能吸水性高分子材料對袋裝干混料性能的影響

王成啟

（中交上海三航科學研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

水下基礎為承受橋梁、水利等結構所有荷載的構件，水下基礎會使此區域原來的波浪、水流等水動力條件發生改變，打破原本已經建立的泥沙輸運平衡，從而使水下基礎的周圍發生沖刷[1-2]。沖刷是導致水下基礎淘空沉降甚至松動的主要原因之一，淘空沉降將進一步導致結構開裂、松動，會最終導致工程結構垮塌。采用袋裝碎石上層壓載袋裝干混料是解決水下基礎抗沖刷的有效方法，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、運輸和沉放等施工過程。在現場施工過程中，砂、石等原材料很難控制到干燥狀態，均含有一定的水分，干混料在存放過程中的骨料含水率會對其抗壓強度產生顯著影響。

我國從20 世紀80 年代后期對高吸水性樹脂進行了開發研究，高分子吸水性樹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品，固態產品，為白色或淺黃色塊狀或粉末，液態產品為無色或淡黃色黏稠液體，由丙烯酸及其酯類為原料，經水溶液聚合制得[5-6]。根據分子質量的不同，聚丙烯酸鈉用途也不同，其中相對分子質量在1000～5000 之間的為低分子質量，主要用作分散劑[7]；相對分子質量在104～106之間的為中分子質量，主要用作增稠劑[8]；相對分子質量在106～107之間的為高分子質量，具有三維網狀結構和高吸水性，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，研究聚丙烯酸鈉對潮濕袋裝干混料抗壓強度的影響，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題。

1 試 驗

1.1 原材料

（1）水泥

采用江蘇金峰水泥集團有限公司生產的P·O42.5 水泥，安定性合格，其物理力學性能如表1 所示，符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》標準要求。

表1 水泥的主要技術性能

（2）細骨料

采用細度模數為2.4 的Ⅱ區中砂，其性能測試結果如表2所示，符合JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》標準要求。

表2 砂的主要技術性能

（3）粗骨料

采用5～31.5 mm 連續級配的碎石，其性能測試結果如表3 所示，符合JGJ 52—2006 標準要求。

表3 粗骨料的主要技術性能

（4）吸水性外加劑

采用河南省焦作市泰烽精細化工有限公司生產的聚丙烯酸鈉，為白色粉末，相對分子質量在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干混料抗壓強度的影響，分別設計2 個系列的干混料，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 個系列干混料的配合比如表5 所示。

表5 干混料的配合比設計

1.3 試驗方法

（1）干混料拌制

不同含水率骨料干混料拌制時，直接將潮濕骨料和水泥加入混凝土攪拌機中，攪拌時間為2 min；當摻聚丙烯酸鈉干混料拌制時，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，在混凝土振動臺上振動一定時間后抹平。成型后將試模放入盛有海水的水池中進行浸泡，液面高出試模100 mm，浸泡7 d 后取出、脫模。

（3）抗壓強度測試

將養護到規定齡期的干混料試塊，按照JTS/T 236—2019《水運工程混凝土試驗檢測技術規范》進行抗壓強度測試。

2 試驗結果與分析

2.1 骨料含水率對干混料抗壓強度的影響（見表6）

表6 不同含水率骨料的干混料抗壓強度測試結果

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

由于在干混料生產過程中需要進行拌制、包裝和運輸等施工，很難做到及時沉放到水里，一般從干混料拌制加工包裝到沉放到水中至少需要3 d。干混料在存放和運輸過程中，砂和碎石所含的水會使干混料中的部分水泥發生水化反應，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，從而對干混料的抗壓強度產生顯著影響。因此，應開展降低潮濕骨料對干混料存放中抗壓強度影響的研究。

2.2 吸水性外加劑摻量對干混料抗壓強度的影響（見表7）

表7 聚丙烯酸鈉摻量對干混料抗壓強度的影響

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 抗壓強度均不斷提高。當聚丙烯酸鈉摻量為6 kg/m3時，干混料的7、14、28 d 抗壓強度分別比干燥細骨料干混料的抗壓強度提高了2.0%、3.3%、2.5%，潮濕骨料干混料的抗壓強度與干燥骨料干混料抗壓強度相近；當聚丙烯酸鈉摻量為10 kg/m3時，干混料的7、14、28 d 抗壓強度較為平穩。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效果，可保證潮濕骨料干混料的抗壓強度。

聚丙烯酸鈉的分子結構是輕度交聯的高分子空間網絡，具有許多離解基團（—COONa+），其網絡結構是由化學交聯和大分子鏈間的相互纏繞的物理交聯構成的。當聚合物遇水時，立即離解為帶正電荷的低分子Na+和帶負電的高分子離子。低分子Na+與水接觸而運動，離開了高分子離子鏈，由于帶負電荷的高分子離子問相互電排斥力，使高分子網束由相互纏繞狀態逐漸伸展或溶脹開來，從而造成網絡結構內外產生滲透壓，水分子以滲透方式向網絡結構擴散，形成溶膠。因此，聚丙烯酸鈉有很強的吸水性。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程中水泥的膠凝作用不下降，可有效保證干混料的抗壓強度。

3 結語

（1）水下基礎抗沖刷袋裝干混料中骨料的含水率會對干混料存放過程中的抗壓強度產生顯著影響。隨著骨料含水率的增大，存放3 d 的干混料抗壓強度明顯下降，當粗骨料含水率為0.5%、細骨料含水率為1.5%時，干混料的7、14、28 d 抗壓強度分別下降81.6%、82.0%、77.5%。

（2）當粗骨料含水率為0.5%、細骨料含水率為1.5%時，摻入6 kg/m3聚丙烯酸鈉的干混料7、14、28 d 抗壓強度分別比干燥細骨料干混料提高了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程中的抗壓強度。