新型功能吸水性高分子材料对袋装干混料性能的影响

王成启

（中交上海三航科学研究院有限公司，上海 200032）

0 引言

水下基础为承受桥梁、水利等结构所有荷载的构件，水下基础会使此区域原来的波浪、水流等水动力条件发生改变，打破原本已经建立的泥沙输运平衡，从而使水下基础的周围发生冲刷[1-2]。冲刷是导致水下基础淘空沉降甚至松动的主要原因之一，淘空沉降将进一步导致结构开裂、松动，会最终导致工程结构垮塌。采用袋装碎石上层压载袋装干混料是解决水下基础抗冲刷的有效方法，其中袋装碎石作为反滤层，防止原冲刷坑底的淤泥及粉土底质受紊流作用而被淘刷，袋装干混料主要起到防止表面冲刷和压载袋装碎石的作用[3]。袋装干混料是由水泥和骨料经拌制后装入土工袋中，包括原材料选择、配制、搅拌、包装、存放、运输和沉放等施工过程。在现场施工过程中，砂、石等原材料很难控制到干燥状态，均含有一定的水分，干混料在存放过程中的骨料含水率会对其抗压强度产生显著影响。

我国从20 世纪80 年代后期对高吸水性树脂进行了开发研究，高分子吸水性树脂是一类新型功能高分子材料，具有高吸水性和高保水性，同时具有良好的加工性能和使用性能[4-6]。聚丙烯酸钠是一种新型功能高分子材料和重要化工产品，固态产品，为白色或浅黄色块状或粉末，液态产品为无色或淡黄色黏稠液体，由丙烯酸及其酯类为原料，经水溶液聚合制得[5-6]。根据分子质量的不同，聚丙烯酸钠用途也不同，其中相对分子质量在1000～5000 之间的为低分子质量，主要用作分散剂[7]；相对分子质量在104～106之间的为中分子质量，主要用作增稠剂[8]；相对分子质量在106～107之间的为高分子质量，具有三维网状结构和高吸水性，主要用作絮凝剂和吸湿剂[9-12]。本文采用聚丙烯酸钠为吸水性外加剂，研究聚丙烯酸钠对潮湿袋装干混料抗压强度的影响，提出将吸水性外加剂用于配制干混料的方法，以解决潮湿骨料袋装干混料的施工存放问题。

1 试 验

1.1 原材料

（1）水泥

采用江苏金峰水泥集团有限公司生产的P·O42.5 水泥，安定性合格，其物理力学性能如表1 所示，符合GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》标准要求。

表1 水泥的主要技术性能

（2）细骨料

采用细度模数为2.4 的Ⅱ区中砂，其性能测试结果如表2所示，符合JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》标准要求。

表2 砂的主要技术性能

（3）粗骨料

采用5～31.5 mm 连续级配的碎石，其性能测试结果如表3 所示，符合JGJ 52—2006 标准要求。

表3 粗骨料的主要技术性能

（4）吸水性外加剂

采用河南省焦作市泰烽精细化工有限公司生产的聚丙烯酸钠，为白色粉末，相对分子质量在106～107之间，其基本性能如表4 所示。

表4 聚丙烯酸钠的基本性能

1.2 干混料的配合比

为研究骨料含水率对干混料抗压强度的影响，分别设计2 个系列的干混料，系列1 为不同骨料含水率的干混料，系列2 为不同聚丙烯酸钠掺量的干混料。系列1 干混料采用水泥用量为200 kg/m3，砂的含水率分别为0、0.5%、1.0%、1.5%，碎石的含水率为0.5%；系列2 干混料采用水泥用量为200 kg/m3，砂的含水率为1.5%，碎石的含水率为0.5%，聚丙烯酸钠掺量分别为2、3、4、6、10 kg/m3，2 个系列干混料的配合比如表5 所示。

表5 干混料的配合比设计

1.3 试验方法

（1）干混料拌制

不同含水率骨料干混料拌制时，直接将潮湿骨料和水泥加入混凝土搅拌机中，搅拌时间为2 min；当掺聚丙烯酸钠干混料拌制时，先将聚丙烯酸钠和潮湿骨料拌制1 min，并静置5 min，然后再将水泥加入搅拌机中拌制1 min。将拌制好的干混料存放3 d 后备用。

（2）干混料成型

采用100 mm×100 mm×100 mm 立方体试模进行干混料成型，将存放3 d 后的干混料一次装入试模中，高出试模10 mm，在混凝土振动台上振动一定时间后抹平。成型后将试模放入盛有海水的水池中进行浸泡，液面高出试模100 mm，浸泡7 d 后取出、脱模。

（3）抗压强度测试

将养护到规定龄期的干混料试块，按照JTS/T 236—2019《水运工程混凝土试验检测技术规范》进行抗压强度测试。

2 试验结果与分析

2.1 骨料含水率对干混料抗压强度的影响（见表6）

表6 不同含水率骨料的干混料抗压强度测试结果

从表6 可以看出，拌制好的干混料存放3 d 后，随着细骨料含水率的增大，干混料的7 d 抗压强度明显下降，其中砂含水率为1.5%的干混料可脱模，但抗压强度较低，其值低于1 MPa，比干燥细骨料干混料下降了81.6%；当龄期为14、28 d时，随着龄期的延长，不同含水率骨料的干混料抗压强度均有一定提高，但均明显低于干燥细骨料的干混料抗压强度，且随着砂含水率的增大，干混料的抗压强度不断降低，砂含水率为1.5%时，干混料的14、28 d 抗压强度分别比干燥细骨料干混料下降了82.0%和77.5%。

由于在干混料生产过程中需要进行拌制、包装和运输等施工，很难做到及时沉放到水里，一般从干混料拌制加工包装到沉放到水中至少需要3 d。干混料在存放和运输过程中，砂和碎石所含的水会使干混料中的部分水泥发生水化反应，失去了胶凝作用，影响干混料后期浸入水中的水泥水化反应，从而对干混料的抗压强度产生显著影响。因此，应开展降低潮湿骨料对干混料存放中抗压强度影响的研究。

2.2 吸水性外加剂掺量对干混料抗压强度的影响（见表7）

表7 聚丙烯酸钠掺量对干混料抗压强度的影响

从表7 可以看出，随着聚丙烯酸钠掺量增加，干混料的7、14、28 d 抗压强度均不断提高。当聚丙烯酸钠掺量为6 kg/m3时，干混料的7、14、28 d 抗压强度分别比干燥细骨料干混料的抗压强度提高了2.0%、3.3%、2.5%，潮湿骨料干混料的抗压强度与干燥骨料干混料抗压强度相近；当聚丙烯酸钠掺量为10 kg/m3时，干混料的7、14、28 d 抗压强度较为平稳。因此，聚丙烯酸钠的最佳掺量为6 kg/m3。

吸水性外加剂聚丙烯酸钠具有明显的吸水增强效果，可保证潮湿骨料干混料的抗压强度。

聚丙烯酸钠的分子结构是轻度交联的高分子空间网络，具有许多离解基团（—COONa+），其网络结构是由化学交联和大分子链间的相互缠绕的物理交联构成的。当聚合物遇水时，立即离解为带正电荷的低分子Na+和带负电的高分子离子。低分子Na+与水接触而运动，离开了高分子离子链，由于带负电荷的高分子离子问相互电排斥力，使高分子网束由相互缠绕状态逐渐伸展或溶胀开来，从而造成网络结构内外产生渗透压，水分子以渗透方式向网络结构扩散，形成溶胶。因此，聚丙烯酸钠有很强的吸水性。掺入适量聚丙烯酸钠的干混料中，聚丙烯酸钠可有效吸收干混料中的水分，从而使干混料存放过程中水泥的胶凝作用不下降，可有效保证干混料的抗压强度。

3 结语

（1）水下基础抗冲刷袋装干混料中骨料的含水率会对干混料存放过程中的抗压强度产生显著影响。随着骨料含水率的增大，存放3 d 的干混料抗压强度明显下降，当粗骨料含水率为0.5%、细骨料含水率为1.5%时，干混料的7、14、28 d 抗压强度分别下降81.6%、82.0%、77.5%。

（2）当粗骨料含水率为0.5%、细骨料含水率为1.5%时，掺入6 kg/m3聚丙烯酸钠的干混料7、14、28 d 抗压强度分别比干燥细骨料干混料提高了2.0%、3.3%、2.5%，表明掺入适量的吸水性外加剂聚丙烯酸钠可有效保证潮湿骨料干混料在存放过程中的抗压强度。