内病外治金志杰;王琦;张新;王洪运
【摘 要】向硅酸盐水泥中添加丙烯酰胺，利用水泥水化的内部环境促使丙烯酰胺聚合．与水泥水化产物结合的聚丙烯酰胺能在硅酸盐水泥中形成稳固的网络结构，起到改善水泥石性能的作用．通过实验发现，在硅酸盐水泥中掺加丙烯酰胺的量为2％时，水泥石的抗压强度提高了近20％，其内部结构也发生了变化，氢氧化钙的含量增加，絮状水化硅酸钙的含量明显减少．%Adding the acrylic amide in portland cement,the acrylic amide is polymerized in the condi- tion of the cement hydrate. The production of hydrate and the polypropylene come into the net structure. So the strength of cement can be improved. Through the experiment, we can find the capacity of acrylic amide is 2%, and the compression strength can be improved about 20%,and the inter-structure is changed,the content of Ca（OH）2 is increased,the the content of C-S-H is decrease in evidence. 【期刊名称】《滨州学院学报》
【年(卷),期】2011(027)006
【总页数】4页(P78-81)
【关键词】丙烯酰胺;聚合;网络结构;抗压强度
【作 者】金志杰;王琦;张新;王洪运
【作者单位】滨州学院化学与化工系,山东滨州256603;济南大学材料学院,山东济南250022;滨州学院化学与化工系,山东滨州256603;滨州学院化学与化工系,山东滨州256603
【正文语种】中 文
【中图分类】TU502
0 引言
随着有机化学的发展，聚合物的广泛应用，建筑材料科学领域的许多专家对聚合物改性水泥进行了大量研究.用于聚合物水泥基复合材料的聚合物种类很多，可以分为水溶性聚合物、液体聚合物和聚合物水分散体三大类［1］.
聚丙烯酰胺（简称“PAM”）因其优异的物理化学特性，被广泛应用于水处理、造纸、石油、煤炭、矿冶、地质、轻纺、建筑和食品加工等行业［2］.由于PAM分子链上含有酰胺基团，其显著特点是亲水性极高，能以任何比例溶于水中，而且PAM水解放出的NH3还可与水泥浆中的钙、铝离子发生化学反应，从而改善水泥的性能［3－5］.PAM在水下不离析、不分散，不泌水、自流平、自密实，由于其性能的独特，问世后即得到了国内外学术界的普遍重视.［4－6］
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本文研究了丙烯酰胺（简称“AM”）在硅酸盐水泥自身碱性条件下发生聚合反应生成水溶性聚合物聚丙烯酰胺，使其来改变水泥石本身性能.
1 实验
1.1 实验试剂及仪器
焦亚硫酸钠1.1.1 实验试剂
普通硅酸盐水泥（规格：P.0 52.5，济南山水水泥厂）；丙烯酰胺（含量≥98%，天津市龙胜化工有限公司）；无水乙醇（含量≥99.9%，天津市康展化工贸易有限公司）；自来水.
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1.1.2 实验仪器
标准恒温恒湿养护箱；电子分析天平；日立S－2500扫面电子显微镜；布鲁克D8－ADVANCE型X射线衍射仪；液压式压力试验机.
1.2 实验方法
称取定量硅酸盐水泥和定量丙烯酰胺，按配比混合，充分拌匀后倒入搅拌锅内，并按标准稠度需水量量水，倒入掺入原料的搅拌锅内.启动净浆搅拌机，当搅拌机停止后，快速用料勺将料浆灌入预先涂有矿物油的20mm×20mm×20mm的方形试模内.插捣，振动一定时间至浆体中无有害气泡.抹平，养护24h脱模，并编号，养护室温度控制在25±1℃，相对湿度≥90%.脱模后根据养护温度养护1h，后放入25℃水中养护至规定龄期.分别进行3d和28d抗压强度测试，并做SEM和XRD测试.
2 结果与分析
2.1 丙烯酰胺在硅酸盐水泥的碱性环境中的聚合机理
职教论坛图1为丙烯酰胺在硅酸盐水泥环境中形成的聚丙烯酰胺膜状聚合物.在水泥的水化过程中，水泥的表面会形成一层质地均匀的膜状物，呈透明薄膜状，通过仪器分析测得是聚丙烯酰胺.丙烯酰胺在硅酸盐水泥自身碱性（pH约为9～10）和水化热的条件下，随着水的加入发生聚合反应，生成水溶性聚丙烯酰胺.聚丙烯酰胺在生成的同时又发生部分水解反应，与硅酸盐水泥中的钙离子、铝离子及硅酸盐发生反应，促进硅酸二钙和硅酸三钙的形成，并且水解的同时填充到水泥石的微小孔隙中，起到填充作用.丙烯酰胺的聚合作用形成空间网状结构，起到了架桥作用，降低了孔隙率，提高了水泥石的抗压强度，改善了水泥石的耐久性.
图1 丙烯酰胺在硅酸盐水泥中形成的膜状聚合物
2.2 丙烯酰胺对抗压强度的影响
通过表1抗压强度的试验测试结果可以发现，空白试样平均抗压强度为48.57MPa，而掺加AM为2%的试样平均抗压强度为57.83MPa，平均抗压强度比普通硅酸盐水泥提高了19.0%.而通过28d的抗压强度测试结果可以发现，空白试样平均抗压强度为55.33MPa，而掺加量为2%的试样平均抗压强度达到了66.00MPa，平均抗压强度比普通硅酸盐水泥高了1 9.3%.在硅酸盐水泥中掺加AM为2%能提高水泥石的强度，超过2%则使强度降低.说明丙烯酰胺的添加量以2%为宜.
表1 硅酸盐水泥和掺加AM的硅酸盐水泥的抗压强度表 MPa养护周期 空白样 AM含量2% AM含量3% AM含量5% AM含量7% AM含量 9% 3d 48.57 57.83 48.83 34.93 21.33 11.00 28d 55.33 66.00 47.43 33.83 46.93 38.93
2.3 丙烯酰胺对水泥石内部的影响
图2（a）是普通硅酸盐水泥养护3d的3 000倍SEM图片，可清晰地看到普通硅酸盐水泥浆内部存在着大量的孔隙和微裂纹，未水化的水泥熟料颗粒较大，气孔较大，水泥浆体不密实，整体结构较疏松，孔洞较多.
图2（b）是硅酸盐水泥中掺加丙烯酰胺为2%养护3d的3 000倍SEM图片，由于水泥早期水化产生的应力作用，加上水泥水化比较快，使得Ca（OH）2晶体在未水化的颗粒和水化产物结构生长，试样中有少量粒子状和团絮状的C－S－H凝胶、大量板状和片状Ca（OH）2（六方板块或层状晶体）等水泥水化产物的微观形貌，形成大量大晶体，在水泥水化过程中和水化产物一起固化，因而能改善水泥石的结构形态，因此其抗压强度也有了提高.
图2（c）和图2（d）是养护28d的硅酸盐水泥的SEM和掺加丙烯酰胺后的水泥石的SEM.可以发现水泥石中存在大量的团絮状的C－S－H凝胶，Ca（OH）2含量明显比图2（d）中少.在图2（d）中还发现了聚合后的聚丙烯酰胺填充于水化产物中，起到了填充物的作用.
图2 硅酸盐水泥的SEM图
2.4 丙烯酰胺对硅酸盐水泥成分的影响
图3 硅酸盐水泥试样和掺加AM的硅酸盐水泥的XRD图谱对比
猴子的B和人的B一样吗图3为硅酸盐水泥试样和掺加AM的硅酸盐水泥的XRD图谱（P1是普通硅酸盐水泥空白试样的衍射图谱，P2是掺加AM2%的水泥试样的衍射图谱，P3是掺加AM3%的水泥试样的衍射图谱）.其中，P1中Ca（OH）2的衍射峰和钙矾石衍射峰比P2、P3要明显，说明了P2水泥试样受到聚合物丙烯酰胺的影响，生成了硅酸三钙，消耗了Ca（OH）2.对比P2和P3可看出，丙烯酰胺取代水泥会减少体系中水化产物的相对含量，从而降低了水泥的碱度.同时，P2试样的硅酸二钙衍射峰较空白试样、P3号试样明显，说明聚丙烯酰胺促进了硅酸二钙的生成.由P3可发现Ca（OH）2的峰值较为典型，这说明随着水化的进行，Ca（OH）2被消耗了.P2、P3相对比，P3中的Ca（OH）2的量相对减少，这样势必引起抗压强度的下降.
3 结论
结合抗压强度、SEM和XRD分析，对比硅酸盐水泥和掺加丙烯酰胺的硅酸盐水泥，可以发现在空白试样的硅酸盐水泥石中存在着大量的孔隙和絮状结晶物，虽然丙烯酰胺的掺入都会对普通硅酸盐水泥的孔隙起到填充作用，但是填充的程度和填充的效果是截然不同的.同一配比下28d抗压强度比普通硅酸盐水泥的抗压强度高.由于孔隙的填充是有限制的，所以掺加的丙烯酰胺的量超过一定值（2%）后，不但聚合后的丙烯酰胺起不到改善抗压强度的作用，反而会造成水泥石本身结构的破坏，导致孔隙率增大，耐久性下降.
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