聚丙烯酰胺水泥土（精选3篇）
聚丙烯酰胺水泥土 篇1
水泥土是水泥和土以及其他组分按照适当比例混合、拌制并经硬化而成的一种建筑材料。因本身具有节能环保、施工简便、材料来源广泛等一系列优点,目前已在各类工程建设当中被大量使用,如作为基础稳定层材料被应用于边坡加固与稳定、深基坑支护、路基垫层、软基加固处理等交通土建工程中[1];作为防渗护坡材料被应用于渠道衬砌、边坡支护及坝体防渗等水利工程之中[2],这些广泛应用为我国经济建设创造了巨大的经济效益和社会效益。
然而,实际工程中的水泥土材料总是处在一定的环境中,经受着外界各种因素的影响,强度和耐久性等性能也会随之发生改变。影响水泥土性能的因素很多,包括水泥品种、水泥掺量、土质、温度以及外加剂等[3,4]。其中,温度的变化和外加剂的使用对于水泥土性能来说具有重要影响。一方面,随着我国西部及北方寒区经济建设的快速发展,国家在这些地区投入大量建设工程,如青藏川藏铁路工程、青康公路工程以及各种水电站大坝等,处于温度交替变化条件下的建筑材料则不可避免越来越多的被触及到。因此,研究温度交替变化对水泥土的损伤破坏作用,以及在这种作用下水泥土所表现出来的力学特征,对于寒区工程建设来说将具有重要的指导意义。另一方面,外加剂的合理添加使用可以有效改善水泥土的力学性能以及耐久性。当前,国内外专家学者通过使用外加剂对水泥土进行各种改性,试图获得既经济实用又能满足工程要求的新型改性水泥土。
迄今为止,国内外对在水泥土材料中使用外加剂已开展了广泛研究。孔燕萍[5]结合工程实例,分别在水泥土添加外加剂和不添加外加剂两个情况下,对水泥土进行无侧限抗压强度试验,以此来研究外加剂对水泥土强度的影响规律。叶观宝[6]等通过对加有几种不同添加剂的水泥土在不同养护龄期下分别进行微观结构分析试验,再结合无侧限抗压强度试验,研究添加剂对水泥土的作用机理。童小东、张海燕、贾尚华等[7—9]通过在水泥土中添加多种外加剂进行试验研究,并进行对比分析,从而选出能够有效提高水泥土强度的外加剂。相比之下,对水泥土冻融损伤的研究略显不足,陈四利等[10,11]对经历不同冻融循环次数后的水泥土进行抗剪强度、抗压强度以及渗透系数试验,得到不同冻融循环次数对水泥土抗剪强度、抗压强度、及渗透系数影响的试验数据,并建立回归曲线方程。
聚丙烯酰胺(polyacrylamide,简称PAM)是一种水溶性线性高分子聚合物,作为外加剂目前已在建筑工程中得到广泛应用,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。本次试验基于新疆吉木乃某边坡治理工程,该工程拟采用水泥土作为护坡材料。针对该地区昼夜温差大、水泥土易开裂的实际情况,决定在水泥土中添加一定量的PAM来改善水泥土力学性能。通过冻融循环条件下PAM水泥土所表现出的力学特征与微观结构变化进行分析,对其损伤劣化机制进行探讨,从而为PAM水泥土在该边坡治理工程中的合理应用提供参考,另外对其他高寒地区的工程建设也具有一定参考价值。
1 试验材料与方法
1.1 试验用水泥土配合比
本次试验所用的原状土取自新疆吉木乃某边坡工程,该土在自然状态下呈软塑状态,其主要物理性质指标如表1所示。
本次试验选用西南牌P.O42.5普通硅酸盐水泥,每个水泥土试块的水泥掺量均为15%,以PAM用量为水泥掺量的3%、5%、7%、10%进行讨论。PAM的主要技术指标见表2。
1.2 水泥土试样制备
首先将取回土样风干、捻散并过2 mm孔筛,以除去未粉碎的大颗粒。按设计的水泥、PAM掺入比,分别称量适量的水泥、土样、PAM和拌合水(含水量40%),充分搅拌均匀,分层装入边长为70.7 mm的立方体试模内捣实,抹平表面并进行编号,24 h后脱模,置于标准养护箱中养护,到规定龄期后取出进行冻融循环试验。部分水泥土试样如图1所示。
1.3 水泥土试件试验过程
本次冻融循环试验参照JGJ/T 233—2011《水泥土配合比设计规程》上面的试验要求进行。本次试验主要仪器有:JB-T 17671—40A型水泥砼标准养护箱、FYL-YS—128低温保存箱、WHY—1000型微机控制压力试验机、TM—3000型扫描电镜等,具体实验步骤如下:
(1)水泥土养护28 d后取出,检查外观,然后用拧干的湿布将试件表面多余的水分擦去;
(2)参照我国北方寒区早晚的温差变化,本文冻融循环试验设定冻结和融化温度分别为-20℃和+20℃,冻结时在-20℃的恒温冷藏箱中,融化时放入水中浸泡,水温控制在(20±2)℃,浸泡时水面保持高出试件顶面20 mm以上;
(3)试验时水泥土在恒温箱中先冻结12 h,然后再在水中融化12 h,即每个冻融循环周期为24 h,如此反复。制备试验试样共60个,共20组,每组3个平行试样,编号从N-0-0~N-10-15(N代表水泥土试块,第二个数字代表PAM掺量,第三个数字代表冻融循环次数),按PAM掺量多少分为5小组,每组又分别对应四个不同冻融循环次数,分别为0、3、9和15次。其中第一组为基准组,PAM掺量为零,其余四组分别为掺入3%、5%、7%、10%PAM的水泥土;
(4)按不同冻融循环次数依次取出试件,检查外观变化情况,之后进行质量变化测定、无侧限抗压强度试验和电镜扫描试验。
2 结果与讨论
2.1 外观和质量变化
对经历不同冻融循环次数后的水泥土进行外观检查,并对试样剩余质量进行测定。因试件过多,水泥土试块外观变化图不再一一列出,部分水泥土试块外观形貌变化如图2所示,冻融循环前后质量变化情况见表3所示。结果表明:经历冻融循环后的水泥土试块总体质量都有所下降,但不同的冻融循环次数和不同PAM掺入比对其损伤劣化影响有所差别,外观形貌和质量变化特点不尽相同。在经历3次冻融循环过程后,水泥土剩余质量基本没什么变化,此时由于冰的冻胀和融缩,水泥土内部微孔隙不断增大,试块边缘开始出现裂缝,但总体外观并未发生实质变化,只是试块表层损伤。经历9次冻融循环后,水泥土剩余质量开始出现下降,此时试块裂缝大面积扩展,表层开始出现颗粒脱落现象。而在15次冻融循环后,水泥土质量损失较大,试块表面出现软化层并开始大量酥松剥落,试块表面已失去原有形貌。总的来说,水泥土试块表面破损程度随着冻融循环次数的增加越来越大;与纯水泥土试块相比,掺入PAM的水泥土试块表面破损程度和质量变化情况要好的多,当冻融循环次数一定时,水泥土试块质量变化率随PAM掺量的增加而逐渐降低,表面完整度逐渐提高。
注:冻融前后质量变化值为三组平行试样质量平均值。
2.2 无侧限抗压强度
在水泥土经历不同冻融循环次数(0、3、9、15次)后进行无侧限抗压强度试验,试验采用轴向位移速率控制,位移速率为2 mm/min,在室温(20℃)条件下进行。图3给出了水泥土在不同PAM掺量下和经不同冻融循环次数后的强度变化规律。
由水泥土无侧限抗压强度试验结果可以看出,掺入适当的PAM可以有效提高水泥土的抗压强度;当水泥土中PAM掺量一定时,随着冻融循环次数的增加,其抗压强度几乎呈线性关系逐渐降低;当冻融循环次数一定时,水泥土抗压强度随着PAM掺量的增加而呈现出先增后降的变化趋势,且在PAM掺量为3%时,水泥土强度达到顶峰,之后又逐渐降低,说明水泥土强度的提高对PAM来说存在一个最优掺量。
2.3 水泥土内部微观结构特征
为了更直观形象地说明水泥土在不同冻融循环次数下微观结构的变化和力学特性,采用电镜扫描手段对水泥土内部微观结构变化进行分析。因水泥土强度在PAM掺量为3%时达到最大,故取PAM掺量为3%时的水泥土试样和不掺PAM的水泥土试样进行研究。图4和图5分别为未掺PAM的水泥土和掺3%PAM的水泥土在0次,3次,9次和15次冻融循环时的微观结构变化特征。
由图4可以看出,当水泥土经历3次冻融循环后,水泥土表面孔隙体积开始增大,而在9次,15次冻融循环时,水泥土表面开始出现裂纹并逐渐连通扩大。总体来看,随着冻融循环次数的增加,水泥土颗粒之间的空隙逐渐增大,内部连通的孔隙增多,结构变得疏松。这是因为,当水泥土处于冻结状态时,水泥土颗粒孔隙中的水会凝结成冰,体积有所增大,因而会对孔壁造成一定的挤压力,当这种挤压力超过水泥土的极限抗拉强度时,就会在孔隙周围产生微小裂缝等不可逆的结构变化;而当处于融解状态时,冰融解成水,水会进入到新的微孔隙中,外部的水分也会沿着孔隙通道向水泥土内部迁移,导致已有微孔隙的扩展和新微孔隙的产生,如此反复的冻融循环损伤积累,造成水泥土内部微小裂纹的持续扩展、连通,最终导致水泥土材料的严重损伤破坏。
从图5中可以清楚直观地看出水泥土在不同冻融循环次数下的微观形态变化。不掺PAM时水泥土的骨架颗粒基本以粒状为主,形状、大小各异,排列杂乱无序,且颗粒间填充较多小孔隙,联结形式基本为镶嵌接触,裂纹发育较为明显。而在掺入3%PAM后,试样的密实度明显提高,土层表面上裂纹基本不发育,偶有较小的微裂纹。在经历3次冻融循环以后,可以看到土层表面较之前光滑平整,结构变得致密。这是因为此时水泥土颗粒表面吸附了一定量的PAM,土颗粒在PAM作用下已聚合为体积较大的土颗粒团,水泥已与周围土颗粒胶结成为一个整体,试样的密实度较之前得到明显提高。而在经历9次和15次冻融循环以后,试样表面的土颗粒变的松散,大部分附着在土层表面,褶皱明显且彼此交联,土层表面微裂纹开始增多,且微裂纹中间出现了较多交错发育的针状结构。这是因为土壤颗粒表面吸附了大量PAM,已将接触面处的土颗粒层层包裹,导致土颗粒之间胶结强度降低,试样的密实度明显不足。
2.4 机理分析
综合图4和图5的试验结果可以看出,加入3%掺量的PAM可以明显提升水泥土的强度,抵抗冻融循环所引起的结构损伤,但PAM掺量也不是越多越好,当掺量超过3%时,水泥土强度不升反降,抗冻性变差。究其原因主要为[12]:
(1)PAM分子表面具有较强的活性,而水泥土中的土颗粒和水泥颗粒又对PAM分子具有较强的吸附作用,当把PAM加入到水泥土中时,PAM与水泥颗粒和土颗粒之间相互接触粘结,其表面活性可以促使水泥颗粒所包裹的水分子释放出来,促使水泥充分水化,进而使水泥基体的水化产物更加密实,达到增强水泥土强度的目的。
(2)水解后的PAM可以和水泥水化产物中的多种金属阳离子如Ca2+、Al3+等相互作用,当它们相互作用时通常会生成结构较为致密的凝胶体,而当这些凝胶体填充于水泥土微孔隙之中时,会起到柔性加筋的作用,增大了胶凝材料和土颗粒之间的粘结力,有效减少微裂纹的产生及扩散,在宏观上就表现为PAM强度和抗冻性能的大幅提高。
(3)PAM水解后离子之间会发生各种化学反应,而其本身长分子链之间又相互缠绕粘接,这使得水泥土微孔隙彼此之间相互交错联结,形成一种密实牢固的空间网状结构,这种网状结构能将水泥和土颗粒胶结连接在一起,形成一种贯穿于土体内部的整体胶结加筋结构。当水泥土受力时,这种整体胶结加筋结构就将所牵连的各个微颗粒紧紧连接在一起共同受力,从而增强了土体的抗冻性能。但当PAM掺量超过一定量时,吸附于土颗粒表面的PAM分子之间的间距过于接近,其分子间斥力增强,这样就大大削弱了土颗粒之间的相互作用力,故而导致水泥土强度和抗冻性能的大幅降低。
3 结论
(1)水泥土的冻融循环试验表明,水泥土经冻融循环后的剩余质量和单轴抗压强度随冻融循环次数的增加而逐渐降低。在前3次冻融循环内,水泥土试块只是发生表层损伤。9次冻融循环后,试块裂缝大面积扩展,表层开始出现颗粒脱落现象。而在经历15次冻融循环后,水泥土强度急剧下降,试块表面出现软化层并开始大量酥松剥落,试块已失去原有形貌。
(2)掺入适当的PAM可以有效提高水泥土的抗压强度;当水泥土中PAM掺量一定时,随着冻融循环次数的增加,其抗压强度逐渐降低;当冻融循环次数一定时,水泥土抗压强度随着PAM掺量的增加而呈现出先增后降的变化趋势,且在PAM掺量为3%时,水泥土强度达到顶峰,之后又逐渐降低,由此说明水泥土强度的提高对PAM来说存在一个最优掺量。
(3)采用扫描电镜对水泥土的微观结构特征进行分析,探讨了水泥土在掺PAM与不掺PAM两种状态下的损伤劣化机制。
(4)本文的试验现象和相应的结论对PAM水泥土在寒区工程建设中的合理运用具有重要的参考价值。
摘要：研究聚丙烯酰胺水泥土在冻融循环条件下所表现出的损伤劣化特征对于水泥土材料在寒区工程建设中的应用具有重要的参考价值。配制15%水泥掺量和3%、5%、7%、10%聚丙烯酰胺掺量的水泥土试件共20组,在冻结温度为-20℃,融解温度为20℃条件下,分别进行0,3,9和15次冻融循环试验;并在不同循环次数后对水泥土试样进行质量变化测定和无侧限抗压强度试验。在此基础上,采用扫描电镜分析水泥土内部微观结构变化,探讨冻融循环条件下聚丙烯酰胺水泥土的损伤劣化机制。结果表明,掺入适当的PAM可以有效提高水泥土的抗压强度;当聚丙烯酰胺掺量一定时,水泥土抗压强度随着冻融循环次数的增加而降低;当冻融循环次数一定时,水泥土抗压强度随着聚丙烯酰胺掺量的增加而呈现出先增后降的变化趋势,且水泥土强度的提高对聚丙烯酰胺存在一个最优掺量。
关键词：聚丙烯酰胺水泥土,冻融循环,损伤劣化,力学特性,微观特征
参考文献
[1]张诚厚,袁文明,戴济群.高速公路路基处理.北京:中国建筑工业出版社,1997Zhang C H,Yuan W M,Dai J Q.Highway subgrade treatment.Beijing:China Building Industry Press,1997
[2]甘肃省水利科学研究院.水泥土灰土作为过水土坝坡面材料试验研究.兰州:甘肃省水利科学研究所,1990:1-16Gansu Research Institute for Water Conservancy.A experimental study on the soil-dust as a soil and water conservation dam slope materials.Langzhou:Gansu Research Institute for Water Conservancy,1990:1-16
[3]龚小南.深层搅拌法设计与施工.北京:中国铁道出版社,1993Gong X N.Design and construction of deep mixing method.Beijing:China Railway Press,1993
[4] Kongsukprasert L,Tatsuoka F,Takahashi H.Effects of curing period and stress condition on the strength and deformation characteristics of cement-mixed soil.Soils and Foundations,2007;47(3):577-596
[5]孔燕萍.外加剂对水泥土强度的影响.土工基础,2005;19(3):71-72Kong Y P.The influence of additive on the strength of cement soil.Soil Eng and Foundation,2005;19(3):71-72
[6]叶观宝,陈望春,徐超,等.水泥土添加剂的室内试验.中国公路学报,2006;19(5):12-17Ye G B,Chen W C,Xu C,et al.Test on additive of cement-soil in laboratory.China Journal of Highway and Transport,2006;19(5):12-17
[7]童小东,徐敏,戴国亮,等.某添加剂在水泥土搅拌法中的应用.东南大学学报;(自然科学版),2007;27(2):345-349Tong X D,Xu M,Dai G L,et al.Application of an additive in cement deep mixing method.Journal of Southeast University;(Natural Science),2007;27(2):345-349
[8]张海燕,张传森,李元婷,等.采用土壤固化剂改善渠道基本性能初探.水泥与建筑工程学报,2003;1(2):38-40Zhang H Y,Zhang C S,Li Y T,et al.Elementary study on consolidator used to improve capability of channel bed-soil.Journal of Water Resources and Architectural Engineering,2003;1(2):38-40
[9]贾尚华,申向东,解国梁,等.石灰-水泥复合土增强机制研究.岩土力学,2011;32(s1):382-387Jia S H,Shen X D,Jie G L,et al.Reinforcement mechanism of lime-cement soil.Rock and Soil Mechanics,2001,32(s1):382-387
[10]宁宝宽,陈四利,刘斌,等.冻融循环对水泥土力学性质影响的研究.低温建筑技术,2004;(5):10-12Ning B K,Chen S L,Liu B,et al.Influence of freezing and thawing cycles on mechanical properties of cemented soil.Low Temperature Architecture Technology,2004;(5):10-12
[11]陈四利,史建军,于涛,等.冻融循环对水泥土力学特性的影响.应用基础与工程科学学报,2014;22(2):343-349Chen S L,Shi J J,Yu T,et al.Effect of freezing-thawing cycle on the mechanical behaviors of cemented soil.Journal of Basic Science and Engineering,2014;22(2):343-349
[12]张玉佩,申向东.聚丙烯酰胺对水泥土强度影响的试验研究.硅酸盐通报,2012;31(6):1636-1640Zhang Y P,Shen X D.Experimental study the impacts of PAM on cement soil strength.Bulletin of the Chinese Ceramic Society,2012;31(6):1636-1640
聚丙烯酰胺水泥土 篇2
丙烯酰胺(AM)分子中含有—C=C—和—CONH2两种基团,很容易打开双键进行自聚或与其它烯类单体共聚,得到丙烯酰胺聚合物(PAM),用途极广,广泛应用于水处理、造纸、采油、矿冶等领域[12]。
我国有盐碱地面积3.5×107hm2,相当于耕地面积的1/3,对于土地资源较匮乏的我国来讲,盐渍土的改良和利用是涉及土地资源可持续发展的重要问题[13]。本文通过在天津滨海盐渍土中加入小分子有机单体丙烯酰胺(AM),采用过硫酸铵与亚硫酸氢钠氧化还原体系在常温下聚合,实现盐渍土和聚合物结合成一体的生态胶凝材料,提高其强度与耐水性,为广大农村提供高性能生土建筑材料,同时为盐渍土的利用探索一条新途径。
1 试验
1.1 原材料
盐渍土:取自天津滨海新区临港经济开发区临海公路旁,经110℃烘干后磨细,平均粒径为13μm,每100 g盐渍土中Cl-和SO42-的含量分别为1566.2 mg和554.9 mg,塑限19.5%,液限39.1%,塑性指数19.6,矿物以石英、蒙脱石、伊利石、方解石、钠长石为主,含有少量的高岭石,其化学成分见表1;丙烯酰胺(AM),分析纯,天津市光复精细化工研究所;过硫酸铵(APS),分析纯,天津市大茂化学试剂厂;亚硫酸氢钠,化学纯,天津市科威化学试剂有限公司,N-N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA),分析纯,天津市化学研究所;高岭土,工业纯,天津市科威化学试剂有限公司;自来水。
表1 滨海盐渍土的化学成分
%
1.2 试验方法
将不同比例的AM、APS与亚硫酸氢钠、MBA、高岭土、盐渍土,按0.35的水固比(水与高岭土、盐渍土总质量的比值),采用砂浆搅拌机搅拌,将拌合料浇注后振动成型,试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm,在温度20~30℃、相对湿度70%~90%的室内空气中养护。采用JYE-300A型全自动恒压力试验机和DKZ-000型电动抗折试验机,参照GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》测试7、14、28 d抗折强度和抗压强度;软化系数以试件养护28 d,然后在水中浸泡1 d的抗压强度与未浸泡试件的抗压强度之比计算得到,并对样品进行红外光谱与超景深电镜分析。
2 结果与讨论
2.1 改性盐渍土生态胶凝材料的力学性能(见表2)
表2 改性盐渍土生态胶凝材料的正交试验配合比、试件强度及分析
注:AM和高岭土的用量均基于盐渍土质量的百分比;(APS+亚硫酸钠)和MBA的用量均基于AM质量的百分比。
由表2可见:
(1)AM常温原位聚合改性盐渍土生态胶凝材料的力学性能比盐渍土大幅度提高,28 d抗折强度和抗压强度分别从1.43 MPa和3.9 MPa最高提高到5.59 MPa和15.0 MPa,分别提高了291%和285%。
(2)AM用量对盐渍土生态胶凝材料的力学性能的影响最大,其次交联剂MBA用量对生态胶凝材料的28 d强度影响较大,其余的影响不显著。原因是AM用量较少时,生成的聚酰胺少,不能完全填充整个盐渍土样,形成的氢键少,胶结范围小,所以力学性能低;随着反应体系中AM反应物的增加,生成的聚酰胺多,胶结程度增大,所以力学性能提高。PAM的交联程度随交联剂用量的增大而增大,适度的交联有利于力学性能提高,但过大的交联程度反而不利于聚酰胺分子链上的活性基团与盐渍土中的活性基团进行键合,进而导致强度有所降低。
2.2 改性盐渍土生态胶凝材料的耐水性
为了研究改性后盐渍土生态胶凝材料的耐水性能,将0#空白试件和13#改性试件进行浸水试验,观察其形态变化,结果见图1。
图1 0#空白试件和13#改性试件浸水后的形态
从图1可以看出,空白试件在浸入水中0.5 h内完全融为泥浆,改性盐渍土试件浸水24 h后,只出现少许表层掉渣现象,完整保存原形态,取出后测得的软化系数见表3。
表3 改性盐渍土生态胶凝材料的耐水性
由表3可见,AM常温原位聚合改性后大大提高了盐渍土生态胶凝材料的耐水性。
2.3 微观结构和机理分析
0#空白试件和13#改性试件的红外光谱分析见图2。
图2 0#空白试件和13#改性试件的红外光谱
由图2可以看出,13#改性试件在1600 cm-1左右即丙烯酰胺C=C双键峰附近无吸收,且在1675 cm-1处出现酰胺特征吸收峰,这表明AM在盐渍土中聚合生成大分子聚酰胺(PAM)。
用超景深电镜对0#空白试件和13#聚合改性试件显微结构进行了测试分析,结果见图3和图4。
图3 0#空白试件的显微照片
图4 13#改性试件的显微照片
由图3、图4可以看出,AM聚合改性后的土颗粒之间产生胶结物,颗粒团聚现象明显,使原先小颗粒演变成较大的颗粒,且胶结物质填充孔隙,从而使之强度提高。
结合红外光谱与显微照片的分析可知,AM原位聚合改性盐渍土生态胶凝材料的机理[12]为:聚合得到的PAM大分子链侧基带有的酰氨基具有高极性和高反应性,易与含有—OH基团的黏土矿物形成氢键,产生很强的吸附作用,可吸附多个黏土颗粒,把黏土颗粒拉在一起,使原先小颗粒演变成较大的颗粒,在土颗粒之间形成由大分子链桥连的稳定网络结构,加强了颗粒之间胶结作用,抑制黏土颗粒的分散运移,从而使强度提高,同时多点吸附的PAM大分子链很难被其它的低价离子取代和被水冲走,可以长期稳定黏土,提高其耐水性。
3 结语
(1)AM聚合改性盐渍土生态胶凝材料在AM占盐渍土质量的4%,高岭土占盐渍土质量的10%,氧化还原剂过硫酸铵与亚硫酸氢钠的质量比为1∶2,APS+亚硫酸氢钠总质量占AM用量的3%,交联剂占AM用量的1%时,其28 d抗压和抗折强度分别可达15.0 MPa和5.59 MPa,较改性前分别提高了285%和291%,软化系数可达0.50。
(2)AM在盐渍土中聚合得到的PAM与盐渍土之间形成氢键,产生强的吸附作用,加强了颗粒之间的胶结作用,抑制黏土颗粒的分散运移,从而使之强度增加。
(3)AM聚合改性盐渍土生态胶凝材料具有简单、节能、易操作、环保、强度较高和耐水性较好等优点,且AM用量较小,有利于提高经济效益,可为广大农村提供高性能生土建筑材料,同时为盐渍土的利用探索一条新途径。
摘要：研究了丙烯酰胺(AM)常温原位聚合对盐渍土生态胶凝材料力学性能的影响及增强机理。通过正交试验考察了聚合条件对盐渍土生态胶凝材料力学性能的影响,确定了力学性能较佳的工艺条件。并采用超景深电镜、红外光谱对盐渍土生态胶凝材料的微观结构进行分析。结果表明:丙烯酰胺常温原位聚合改性后的盐渍土生态胶凝材料的28 d抗折、抗压强度分别可达5.59、15.0MPa,较改性前分别提高了291%和285%,软化系数为0.50;超景深电镜与红外光谱分析表明,AM在盐渍土中聚合得到的PAM与盐渍土之间形成氢键,产生强的吸附作用,加强颗粒之间胶结作用,抑制黏土颗粒的分散运移,从而使其强度和耐水性提高。
聚丙烯酰胺水泥土 篇3
本研究通过玉米芯 (CC) 和钠基蒙脱土 (Na-MMT) 与丙烯酸 (AA) 和丙烯酰胺 (AM) 进行接枝共聚制备了CC-g-poly (AA-co-AM) /Na-MMT复合高吸水性树脂, 采用FT-IR、SEM、XRD、TGA对其进行了表征。重点研究了单体总质量与玉米芯的质量比、AA的中和度、交联剂、引发剂和钠基蒙脱土用量等因素对复合高吸水性树脂吸液性能的影响。
1 实验部分
1.1 试剂及主要仪器
玉米芯 (CC) :当地农户购买;丙烯酸 (AA, 化学纯) 、丙烯酰胺 (AM, 化学纯) , 上海凌峰化学试剂有限公司;过硫酸钾 (KPS, 分析纯) , 上海凌峰化学试剂有限公司;N, N′-亚甲基双丙烯酰胺 (MBA, 分析纯) , 上海楷洋生物技术有限公司;钠基蒙脱土 (Na-MMT) :浙江丰虹粘土化工有限公司;其它试剂均为分析纯。
傅立叶变换红外光谱仪 (Nicolet Avatar37型) , 美国Thermo公司;电子扫描显微镜 (JSM-6360LA型) , 日本电子公司;X-光衍射仪 (D/max 2500PC型) , 日本理学公司;热重分析仪 (TG 209F3型) , 德国耐驰公司。
1.2 CC-g-Poly (AA-co-AM) /Na-MMT复合高吸水性树脂的制备
1.2.1 玉米芯预处理
取CC使用粉碎机粉碎, 过200目筛, 用蒸馏水洗涤去除CC中可溶性杂质后将其置于70℃的烘箱中烘干, 放置于干燥器中待用。
1.2.2 复合高吸水性树脂的制备
在装有温度计、回流冷凝管的100mL三口烧瓶内, 加入一定量Na-MMT和去离子水, 磁力搅拌升温至60℃, 搅拌均匀后, 加入一定量的CC糊化后, 加入KPS水溶液, 10min后, 加入AA (一定中和度) 、AM和MBA的混合溶液, 缓慢升温至80℃, 待体系出现凝胶后, 保温30min后, 取出产品, 剪碎后置于70℃烘箱中烘至恒重, 然后使用粉碎机粉碎, 过30~40目筛, 放入干燥器中待用。
1.3 吸水倍率的测定
称取0.1g SAR于茶叶袋中, 然后置于500mL的烧杯中, 加入400mL蒸馏水, 放置2h达到溶胀平衡, 将茶叶袋取出至无水滴滴出后称重。吸水倍率按下式计算。
式中:Q:SAR的吸水倍率;W2:吸水后SAR和茶叶袋的重量;W1:吸水后茶叶袋的重量;W0:吸水前SAR的重量。
2 结果与讨论
2.1 单体 (AA、AM) 总质量与玉米芯质量比对复合SAR吸水倍率的影响
从图1可知, 随着单体总质量与CC质量比从5∶1增加到10∶1, 复合SAR在3种液体里的吸水倍率均逐渐增加。这是由于随着CC浓度减小, 骨架上的活性接枝点密度增大, 导致接枝聚合引发点为交联点的交联网络密度增大, 从而整个交联网络密度增大, 因此吸水倍率增加。从图中可看出单体总质量与CC质量比从6∶1增加到10∶1, 吸水倍率的变化不大, 在对产品性能影响不大的前提下, 从降低成本, 充分利用天然高分子出发, 选取m (AA、AM) ∶m (CC) =6∶1为宜。
2.2 MBA用量对复合SAR吸水倍率的影响
由图2可知, 交联剂用量对复合SAR吸水倍率的影响符合Flory溶胀理论。随着MBA用量的增加, 复合SAR树脂的吸水倍率是先增加而后减小, 当MBA用量为0.1%时, 树脂的吸水率达到最大值。这是由于MBA的用量过低, 形成的交联点较少, 树脂可溶性部分较多, 聚合物未能形成理想的网络结构, 导致吸水倍率不高;随着MBA用量增大, 由于CC接枝聚合和MBA的双重交联作用, 吸水倍率在MBA用量为0.1%就达到最大;当交联剂用量超过0.1%时, 树脂整体交联密度过大, 所形成的三维网络空间较小, 水很难进入树脂内部, 吸水倍率显著下降[11]。因此交联剂用量为0.1%较适宜。
2.3 KPS用量对复合SAR吸水倍率的影响
由图3可知, 当KPS用量为1.5%时, 树脂的吸水率达到最大值。当KPS浓度过小时, 引发剂分解较慢, 再加上“笼蔽效应[12]”的影响, 链引发反应缓慢, 交联反应不能有效进行, 导致交联密度过低, 吸水率不高;当KPS浓度过高时, 链转移速率过大, 交联点间分子量过小, 交联密度过大, 此外, 过量的引发剂使玉米芯骨架上的活性接枝点增多, 也导致交联密度过大, 致使吸水倍率下降。因此KPS用量为1.5%较佳。
2.4 Na-MMT用量对复合SAR吸水倍率的影响
由图4知, 随着Na-MMT用量的增加复合SAR的吸水倍率先增加而后减少。这是由于Na-MMT具有一定的吸水能力且可以充当物理交联点, 增大了交联密度, 从而提高复合树脂的吸水倍率, 但过多的钠基蒙脱土使体系的交联密度过大, Na-MMT发生团聚, 吸收有效水分减少, 这些综合因素降低了树脂的吸水倍率。因此Na-MMT用量为7%吸水倍率最大。
2.5 AA中和度对复合SAR吸水倍率的影响
由图5可知, 随着中和度的增加复合SAR吸水倍率先增加而后减少。当中和度为85%时, 吸水倍率达到最大值。根据渗透压理论, 过低的中和度会导致树脂结构中的离子浓度较低, 网络内外的渗透压小, 因而树脂的吸水率不高。随着中和度的提高, 可电离-COONa的含量增加, 树脂结构中离子浓度增大, 网络内外的渗透压差增大促使树脂吸水倍率增大;当中和度过大时, 根据交联网络密度对平衡吸水率Q的影响, 树脂的自交联过程中存在如图6所示的亚酰胺化反应[13], 中和度过大使体系碱性过高, 在碱性环境下, -COO-浓度较大, 体系中-COOH间形成的氢键数量的减少, 亚酰胺化反应受阻, 此外较高浓度的-COO—之间的静电斥力使得交联反应无法有效进行, 导致体系交联密度过小而不稳定, 水分不能很好保持, 故吸水倍率Q减小。综上所述, 中和度为85%较佳。
2.6 FT-IR分析
图7为CC、Na-MMT、CC-g-Poly (AA-co-AM) 、CC-g-Poly (AA-co-AM) /Na-MMT复合SAR的红外光谱图。在图7 (d) 中, 3417cm-1为CC纤维素骨架上的-OH伸缩振动频率吸收峰。在图7 (a) 中, 3629cm-1处为缔合态硅羟基以及纳米管道吸附水的特征吸收峰, 1089cm-1和1038cm-1处为Si-O的特征吸收峰。图7 (c) 中1713cm-1处与1664cm-1出现变宽且较强的特征峰, 主要是酰胺上的N-H与羟基形成了氢键缔合以及CC中木聚糖在此处的特征峰和树脂的特征峰相互交叠导致的, 1100cm-1附近较宽的特征吸收峰主要由于玉米芯参与接枝聚合形成了大量C-O和树脂在此处的C-N特征吸收峰叠加。图7 (b) 中400cm-1~800cm-1的特征都有所增强, 是由于蒙脱土中硅氧四面体和铝氧八面体在此范围的特征吸收峰叠加所致, 1038cm-1处的Si-O特征吸收峰较Na-MMT有所减弱, 说明Na-MMT的Si-OH参与了接枝聚合。以上分析表明, 单体 (AA、AM) 与CC以及Na-MMT共同参与了接枝聚合。
2.7 XRD分析
图8分别是Na-MMT (a) , CC-g-Poly (AA-co-AM) /NaMMT (b) 复合SAR的XRD谱图。由Na-MMT的X-射线谱图可看出, 5.90°处为Na-MMT的特征衍射峰。Na-MMT在与CC、AA和AM发生复合聚合后, Na-MMT的特征衍射峰消失, 则说明其片层发生了剥离, 在聚合物中达到了纳米级分散。这可能是因为插层到Na-MMT层间的单体在引发剂的作用下产生自由基, 引发单体进行聚合, Na-MMT的片层被“撑开”, 从而使Na-MMT在材料中达到纳米级分散。
2.8 SEM分析
图9是CC-g-Poly (AA-co-AM) 和CC-g-Poly (AA-coAM) /Na-MMT的SEM照片。从图9中可看出, Na-MMT的引入对树脂的表面形貌产生了较大的影响。CC-g-Poly (AA-co-AM) 具有不连续而又紧致光滑的表面结构, 添加7%NaMMT后, 表面十分粗糙, 增加了树脂的比表面积, 更有利于水进入树脂内部, 从而对复合SAR树脂的吸水倍率有所提高。
2.9 热失重分析
图10、图11分别是CC-g-Poly (AA-co-AM) 和Na-MMT质量分数为7%的CC-g-Poly (AA-co-AM) /Na-MMT复合吸水树脂的TG、DTG曲线。由图可知, 整个失重过程中 (b) 的残余质量总体上始终大于 (a) , 且其中 (b) 的失重速率峰值温度为431℃, 明显高于 (a) 的失重速率峰值温度421℃, 所以加入NaMMT的复合吸水树脂表现出较高的热稳定性。升温初期, (a) 和 (b) 都有很小程度的失重, 这可能是样品中含有少量残留水引起的。整个过程中, a的失重速率明显大于 (b) , 可能由于NaMMT的加入提高了复合树脂的交联网络密度, 使得整体结构更加紧密, 失重更难。从图中也可以看出 (a) 和 (b) 的分解温度都集中在150~500℃左右, 而CC-g-Poly (AA-co-AM) 在这段温度内主要是糖链的断裂, 而加入7%Na-MMT的复合吸水树脂可能首先是PAA与PAM侧链上官能团的分解, 然后是NaMMT和树脂大分子链之间的化学键的断裂, 最后才开始树脂大分子链的断裂。综上所述, Na-MMT的加入提高了CC-g-Poly (AA-co-AM) /Na-MMT的热稳定性。
3 结论
在水介质中通过接枝共聚反应成功的制备了CC-g-Poly (AA-co-AM) /Na-MMT复合SAR, 其较佳合成条件为:单体 (AA、AM) :CC=6, MBA、KPS、Na-MMT用量分别为单体总质量的0.1%、1.5%和7%, AA中和度为85%, 此条件下, 吸蒸馏水为298.36g/g, 0.9%生理盐水为48.1g/g。通过FT-IR、SEM、XRD、TGA方法对复合SAR进行了表征, 结果表明:AA、AM、CC和Na-MMT共同参与了接枝共聚反应;NaMMT在与CC、AA和AM发生接枝共聚反应后, Na-MMT的特征衍射峰消失, 则说明其片层发生了剥离, 在聚合物中达到了纳米级分散;Na-MMT的引入对CC-g-Poly (AA-coAM) /Na-MMT的表面形貌产生了较大的影响, 并提高了树脂的热稳定性。
摘要：采用溶液聚合法, 以过硫酸钾 (KPS) 为引发剂, N, N′-亚甲基双丙烯酰胺 (MBA) 为交联剂, 玉米芯 (CC) 、钠基蒙脱土 (Na-MMT) 、丙烯酸 (AA) 和丙烯酰胺 (AM) 为原料, 通过接枝共聚制备了玉米芯-g-聚 (丙烯酸-co-丙烯酰胺) /钠基蒙脱土 (CC-g-Poly (AA-co-AM) /Na-MMT) 复合高吸水性树脂。采用傅里叶红外光谱 (FT-IR) 、扫描电镜 (SEM) 、X-射线衍射 (XRD) 和热失重 (TGA) 对复合高吸水性树脂进行了表征;通过单因素法确定实验体系下的最佳工艺:单体总质量与玉米芯质量比为6∶1, 交联剂、引发剂和钠基蒙脱土用量分别为单体总质量的0.1%、1.5%和7%, AA中和度为85%, 吸蒸馏水达298.36g/g, 0.9%生理盐水达到48.1g/g。
关键词：玉米芯,钠基蒙脱土,复合高吸水性树脂,吸水性能
参考文献