水泥土是以水泥为主剂，用水泥浆或水泥粉，按用途选取适当的配合比，与土体拌和均勻，使水泥与土发 生物理化学作用，经机械压实和养护后形成的具有整体性、坚固性和水稳定性的建筑材料m。它是一种具 有显著经济效益、社会效益和环境效益的建筑材料，主要用于建筑物软弱地基处理、道路稳定层及农田水利 设施的防渗层等,尤其适用于沙砾料缺乏地区。但是，在水泥掺量较低时，水泥土材料表现出较明显的抗拉 强度低、极限应变小、脆性大、易开裂等缺点，在某些工程当中应用时无法做到兼顾经济实用。为此,人们开 始通过各种途径对水泥土性能进行改良[2’3]，希望获得经济实用且能满足工程要求的新型水泥土。

一种水溶性高分子聚合物材料-聚丙烯酞胺（Polyacrylamide,简称PAM)，以其独特的理化性质，在水处 理、冶金、石油开采、食品加工等行业得到了广泛的应用[4]。在建筑工程中，由聚丙烯酰胺合成的建筑材料应用相当广泛,如聚丙烯酰胺建筑胶黏剂与水泥混合制成各种高性能混凝土等。聚丙烯酰胺对水泥土强度影响的试验研究，这类应用不但提供了高性 能的建筑用基本材料，而且还解决了传统材料达不到高强、快干等特种要求的许多难题。本试验拟在水泥土 中掺人适量的PAM，通过试验研究，探讨PAM对水泥土的作用机理D

2试验

水泥为冀东牌P. 〇. 42.5普通硅酸盐水泥，其性能符合规范要求，主要性能参数见表1。试验用土取自 呼和浩特周边，去除表面30 cm的表土，将土样风干、捻散、过2 mm筛，并按照《土工试验方法标准》规定进 行了比重试验、含水量及界限含水量试验、击实试验,实验结果见表2^ PAM的主要技术指标见表3。

表1 R O. 42. 5普通硅鰱兹水泥性能指标 Tab. 1 Performance indicators of P. O. 42.5 portland cement

Fineness/% *Setting time/raino ■ Compressive strength/MPa Flexural strength/MPa

InitialFinal3d28 d 3 d28 d

1.2120175Qualification ■ 26.654.8 5.28.3

表2实验用土的主要指标

Tab. 2 The main indicators of soil

liquid limit/%Plastic limit/%D1 i.、•」 Drying moisture Plasticity index

content/%Compaction maximum dry densily/g • cm*3Optimum water content/%

35,222.113.1 1L31‘8415-6

表3 PAM主要技术指标

Tab. 3The main characteristic indicators of PAM

NameMolecular weight/ x 106Ionic degree/% pH value Solid content/%Insolubles/ %Exterior

Polyacrylamide

(PAM)820-30 5-8 彡 90彡 0.05White granular

本试验中，水泥掺量为10%，约为最优掺量的一半左右[5];PAM的用量为水泥用量的、5%、10% ;将 试验前准备好的土料风干，并在试验前测定其风干含水率;将PAM、土料和水,拌和均勻后装入密封袋浸润 24 h后，在掺和水泥，直接装模压实成型,试件为<j>50 mm x50 mm的圆柱体。在恒温恒湿箱中养护至设计 龄期后进行无侧限抗压强度试验，取3个平行试验的抗压强度的算术平均值作为该组试块的无侧限抗压强 度。

无侧限强度试验采用济南试金集团生产的WDW-50型万能试验机，加载速率2 mm/min，并实时记录应 力、应变等参数。采用日本紫台Hitachi S-3400N1I型扫描电子显微镜观察拍摄破坏断面微观形貌。通过对 不同PAM掺量的水泥土的无侧限抗压强度试验，研究PAM对水泥土强度增长的影响;并结合微观的形貌特 征，分析PAM对水泥土微观结构的改善机理。

3试验结果与讨论

3.1无侧限抗压强度试验结果

PAM对水泥土无侧限抗压强度的影响结果见图1，由此图可知，聚丙烯酰胺对水泥土强度影响的试验研究，随着PAM掺量的增加，水泥土的强度变 化趋势是先升后降，掺量为5%的实验组的强度明高于其它组，且较基准组高出20%以上。水泥土的早期强 度增长较快，7 d龄期的强度达到60 d龄期强度是50%左右。当PAM/C为10%时，水泥土的强度却发生了 显著的降低。

1638 试验与技术桂酸盐通报和1卷

3.2微观形貌

图2是水泥土试件在放大1000倍、3000倍时的 SEM照片。图2a、b充分说明了普通水泥土的微观形 貌特征:水泥土的骨架颗粒仍以粒状为主，联结形式基 本为镶嵌接触，微观结构较致密，有些颗粒间的凝胶体 镶嵌在骨架颗粒上，形状、大小各异，排列杂乱;颗粒间 的孔隙略明显，但以小孔隙为主。沿断面破坏时，土颗 粒发生剥落,无微裂纹发育，总体上为“颗粒胶结结 构”。图2c、d是PAM/C为5%的水泥土试样，该组试 样表面的褶皱明显增多，表明土壤颗粒表面已经吸附 了一定量的PAM。此外，断面上的微裂纹较发育，且 微裂缝中间针状结构交错发育，表明土颗粒已经聚合为体积较大的土颗粒团，水泥石与周围土颗粒胶结为整 体。颗粒间的孔隙较少，表明试样的密实度较高，总体上表现为“整体胶结结构”。图2e、f中试样表面的褶 皱更加明显，这些褶皱彼此交联，已将断裂面的土颗粒层层包裹，表明土壤颗粒表面已经吸附了大量的 PAM。断面上没有了较发育的微裂纹，反而出现了没有牢固镶嵌在断面当中的土颗粒团，使得试样的密实度 略显不足，总体上为“颗团嵌固结构”。

3.3试验结果分析

水泥土本身是一个多元、多相、多界面结构的复合材料，内部颗粒种类繁多、成份复杂，各集料结合面的 粘聚性较低是影响其强度的重要原因之一 [6’7]。究通过宏观力学实验和微观扫描电镜试验，综合实验结果 可以认为,PAM增强水泥土力学性能的主要原因有以下几方面：

(1)PAM是由丙烯酰胺单体聚合而成的长链状高分子，分子量在400 ~ 2_万之间，分子链上的酰胺 基团是极强的亲水基团,能与水分子形成氢键，将水分子锁定在PAM分子周围。另外,水泥土中的微颗粒对 PAM分子还真有很强的吸附作用，当这些PAM分子吸附于颗粒表面时，将大大改善这些微颗粒的表面特 性，在水泥微粒表面形成水膜，保证了水泥的充分水化；

(2)随着水泥水化产物的不断增加，PAM分子中的酰胺基团与水泥熟料水化产物之间也会发生相互的 作用。首先PAM的部分酰胺基团水解后转化为含有羧基的聚合物⑴，聚丙烯酰胺对水泥土强度影响的试验研究，而羧基正是高性能混凝土外加剂的主 导官能团之一，化学反应式为： 

-[CH2CR( CONH2) ] „- + OH /H+ ->-[ CH2CR( COOH) ]+ NH3

然后,水解得到的竣基同水泥水化析出的Ca2 +等多种阳离子发生化学反应[9]，形成稳定的络合物，通 过化学键与胶凝材料强烈地粘结在一起。Ca(OH)2在土颗粒与水泥粘结的过渡区含量高，是水泥土材料易 开裂的主要原因。PAM分子水解后产生的竣酸基团易和Ca( 0H) 2发生化学反应，形成稳定的羧酸钙盐，降 低了过渡区Ca(OH)2的浓度，导致了结晶细小且结晶度差，降低了界面过渡区晶体的取向性，增大了胶凝 材料和骨料的粘结力,这是水泥土的力学性能提高的原因之一；

(3)通过离子键化合反应及K分子链的相互缠绕,PAM分子长链将在水泥土微孔隙之间彼此交联，形 成一种贯穿于土体内部微孔隙的网状结构，将水泥石及土颗粒胶结、牵连在一起，形成结合紧密的整体胶结 加筋结构。当水泥土受力时，这种PAM分子在土体中形成的空间网状结构就起到了加筋作用，将所包裹的 各种微颗粒牵连在一起,增强了土体的抗开裂性能；

(4)虽然PAM的掺人对水泥土的强度有很大的提高，但是当PAM/C达到10%时，水泥土的强度反而 出现大幅下降，甚至较基准组还有所降低。这与高分子聚合物材料“低浓度凝聚，高浓度排斥”的性质有着 很大的关系。由于PAM可以吸附在土颗粒的表面，当浓度较低时,具有长链分子结构的PAM就可以吸附在 相邻的两个微粒上，或者吸附在相邻微粒上的PAM由于离子反应而交联在一起，将相邻的微粒牵连在一起， 形成(3)中所述的结构，增强了水泥土结构的强度；当PAM浓度较高时，土颗粒的表面就会吸附大量的 PAM，由于这些PAM分子的间距过于接近，其分子间的相互作用力开始变大，分子之间变现为斥力，使得吸 附了大量PAM的微颗粒之间也表现为斥力，这样就大大削弱了土颗粒之间的相互作用力，聚丙烯酰胺对水泥土强度影响的试验研究，对水泥土结构体 系起到了分散的作用,故而导致了水泥土强度的大幅降低。土颗粒间的相互作用关系如图3所示。图3a表 示土颗粒之间由于PAM的牵连作用而形成的空间网状结构，从图2c、d可以看出在发生破坏时，仅产生了微 裂缝而没有土颗粒的剥落;图3b表示土颗粒由于表面吸附了大量的PAM而产生相互排斥力，削弱了土颗粒之 间的结合力，从图2e、f可以看出在发生破坏时，部分土颗粒已经脱离了整体结构，明显减低了水泥土的整体性。

4结论

(1)PAM同时具有促进水泥水化和改善水泥土中微粒界面性质的双重作用，使得水泥土的整体结构更 加密实，有效地提高水泥土的强度；

(2)PAM分子通过离子化合反应在孔隙中交联成空间网状，将水泥土体的微颗粒包裹胶连在一起，形 成整体胶结加筋结构，在水泥土受力破坏时，可以有效的组织微裂缝的扩展，增强了水泥土材料的整体性；

(3)在PAM掺量合适的情况下,可以增强水泥土的无侧限抗压强度。但是，当PAM掺量过多以后，吸 附在相邻土颗粒上的PAM分子之间由于表现为斥力，不但无法通过交联作用形成空间网状结构，而且还会 削弱微粒之间的结合力，降低了水泥土的强度。