聚丙烯酰胺对淤泥质黏土孔隙影响的试验研究:
聚丙烯酰胺对淤泥质黏土孔隙影响的试验研究,20世纪初，经济发达的一些国家由于兴建道 路、港口、机场等工程的需要，采用石灰、水泥等对土 壤进行改良，取得了较好的效果。曹永华[1]等通过 室内试验，向污泥中添加不同比例的石灰、土和粉煤 灰，研究了不同配合比下固化污泥的工程性质。研 宄发现，采用适当的配合比情况下，固化污泥的强度 可以满足填埋的要求，抗渗透性也有很大提高。除 了传统的固化剂，国内外专家一直在开发探索新的 有效的污泥固化剂，即改良土的材料由传统的固 化剂水泥、石灰、粉煤灰等升级到新型的固化剂。 Chemfix公司[3]利用水溶性硅酸盐和普通水泥处理 机械制造、金属表面处理和冶金等工艺产生的废物 以及高浓度重金属污泥。此后，这一技术还被用于 处理有机物污泥。黄新M和刘毅®分别用废石膏 和磷石膏作为添加剂加固软土，证明添加外加剂后 固化效果更好，刘瑾M和楼宏铭&]分别研究了新型 水溶性高分子土体固化剂和改性木素磺酸钙GCL1 减水剂对污泥固化效果的贡献。Chu等[8]利用铜渣 和水泥对污泥进行了固化，聚丙烯酰胺对淤泥质黏土孔隙影响的试验研究,但其固化剂成本很高，不 具有通用性。
通过大量的研宄发现，新型的污泥固化剂固化 效果一般优于传统固化剂，但是新型固化剂由于一 般成本较高，只适用于使用量较少的特殊的污泥处 理当中，对于大量的污泥的处理，这些新型的固化剂 并不适用。本研宄在水泥-粉煤灰-石灰的基础上 添加聚丙烯酰胺，分析聚丙烯酰胺的影响效果0
聚丙烯酰胺（PAM)为水溶性高分子聚合物，白 第一作者：许惠，女，1986年出生，硕士。
E - mail: xuhuil 103@ emails, bjut. edu. cn 收稿日期：2011 -07 - 18
色粉末状，不溶于大多数有机溶剂。王春波[9]等的 研究表明，聚丙烯酰胺作为辅剂（主剂是水泥），具 有用量少、成本低的优点，是其他絮凝剂无法代替的 产品，适用于建筑、造纸、食品、冶金、选矿、煤粉、油 田、水产加工和发酵等行业有机胶体含量较高的废 水处理，特别适用于城市污水、城市污泥、造纸污泥 及其他工业污泥的脱水处理5本研宄选用水泥、石 灰、粉煤灰的比例为5: 2: 3,淤泥质土与水泥的比为 9: 1,在水泥、生石灰、粉煤灰的基础上分别加0、 0. 5%、0. 75%、1. 0% 土质量的聚丙烯酰胺的人工重 塑淤泥质土试样（含水率为40%)进行固结试验和 扫描电镜SEM观测试验，分析聚丙烯酰胺与无机材
料结合对土孔隙结构的改变和加固效果，
1固结试验
台州椒江的软黏土属于典型的海积软土，一般 具有高含水率、低强度、高压缩性、低渗透性等特点。 聚丙烯酰胺对淤泥质黏土孔隙影响的试验研究,本研究选取淤泥质黏土为研宄对象，其物理特性指 标如表1。为了分析土体在固结压力作用下的变形 机制，采用的仪器是北京工业大学的GZQ - 1型全 自动气压固结仪，取50,100,200,400 kPa的固结压 力进行固结，并结合相应的图像定量分析，揭示土体 的变形机制。
试验分为5组，每组3个试样，取3个试样的平 均值。将试验所得数据采用直角坐标系绘制曲 线，其e-p关系曲线见图1、图2,压缩系数见表2。
1.2 r
从图1和图2可以看出，孔隙比随时间的增加 而降低，重塑土孔隙比下降的速度较改良土大得多。 由表2可以看出，压缩系数由大到小分别为：淤泥质 重塑土、加1.0%聚丙烯酰胺的改良土、加0.75%聚 丙烯酰胺的改良土、加〇%聚丙烯酰胺的改良土、加 0.5%聚丙烯酰胺的改良土，说明聚丙烯酰胺高聚物 与传统的无机结合料（水泥、石灰、粉煤灰）结合是 有效果的，但聚丙烯酿胺的掺量要有适宜的范围，当 其掺入比超过0.5%时，土压缩性反而会比较小掺 量的土大。
表2 28 d的压缩系数〇^_2 Table 2 The compression coefficient after 28 d curing
分类a^j/MPa-1
重塑土0. 890
加 0%PAM0. 173
加 0.5% PAM0. L45
加 0. 75% PAM0. 218
力卩 1. 0% PAM0. 292
2 扫描电子显微镜（SEM)观测试验
针对室内养护28 d龄期的淤泥质土的重塑土, 加水泥、石灰、粉煤灰的淤泥质土和加水泥、石灰、粉 煤灰、0. 5%聚丙烯酰胺的淤泥质土进行扫描电镜观 测。采用的仪器为北京工业大学的FEI- Quanta 200型扫描电子显微镜，首先将样品黏土在样品架 上，喷金以使其导电，测试条件为30 kV，由低倍向 高倍（500倍,2 000倍）进行观察对比样品加T = w 酰胺前后的颗粒和孔隙形貌变化，扫描照片见 从图3a、图3b可以看出，淤泥质黏土会 松，孔隙形状不规则，粒间孔隙发育，颗粒接I
大多为边-面接触或面-面接触，微裂隙发育，而且 团粒尺寸相对偏小。从图3b中可以看出，与重塑土 样相比较，加水泥、石灰、粉煤灰后土颗粒排列更加 紧密，大孔隙在数量和尺寸上明显减少，说明无机材 料的加入提高了土样的密实度■•从图3c中可以看 出，加入聚丙烯酰胺和无机材料后，生成了纤维状， 并不断延伸填充到颗粒的孔隙中，包覆土壤颗粒，形 成土团，使黏土颗粒在基本结构单元的交界面上被 牢牢地粘结在一起，形成具有一定强度的致密的网 状结构。
3 土体细观结构特性定量分析
对于SEM试验，定量分析采用放大倍数2 000 倍的图片，聚丙烯酰胺对淤泥质黏土孔隙影响的试验研究,运用计算机图像处理技术和MATLAB编 程可以定量地分析黏土的结构变化[1°~，图片的处 理结果如图4。这里选用4个基本定量参数进行分 析。
1)面孔隙度计算。通过孔隙面积的提取来确 定试样的面孔隙度a图像中区域面积用同一标记的 像素个数来表示，在二值化其反色图中，孔隙的面积 就体现为灰度为1的像素的数目。
2)孔隙总周长。等于所有孔隙边界长度总和。 数值与孔隙多少和孔隙的形状有关。
3)孔隙总面积。等于同一标记的区域中的像 素的个数，反映了土的孔隙所占比例大小。
4)圆形度。是一个描述孔隙或颗粒形状的参 数，通过式（1)来计算： 式中：S为区域面积；I为区域周长；7?u的范围为（0,
1],以圆、正六边形、正方形和正三角形为例，其汉。 的值分别为1、〇.91、0.79、0.60。圆度的值越大，孔 隙或颗粒形状越不规则，圆度值越趋近于1，孔隙或 颗粒形状越趋近于圆形。表3为孔隙细观结构参数 统计
试验结果（表3)表明：
1)加入水泥、粉煤灰、生石灰后，淤泥质黏土体 中孔隙的面孔隙度减小，孔隙面积和孔隙周长减小， 说明固化剂能起到填充孔隙的作用。加入聚丙烯酰
胺的土样，其微观参数的变化尤其明显。
2)经过固化剂固化后改变了淤泥质黏土 土的孔隙形状也随之改变，即孔隙形状变得不
3)经对不加聚丙烯酰胺与加聚丙烯酰胺f
聚丙烯酰胺对淤泥质黏土孔隙影响的试验研宄——许惠，等
表3孔隙细观结构参数统计
Table 3 The statistics of pore microstructural parameter
土样面孔隙 度 / |xm孔隙总周 长 / (JL111孔隙总面 积 /|xm2孔隙圆
形度
重塑土样0. 453 661. 935 562.460. 57
不加聚丙烯酰胺0. 353 002. 633 458. 980.49
加0.5%聚丙烯酰胺0. 332 724. 632 174.280. 47
质黏土土样相比较，其孔隙面积、孔隙周长较小，微 观特性较好。因此，从微观特征中也可以看出，聚丙 烯酰胺对黏土、石灰、粉煤灰起到了一定的絮凝作 用。
4)掺入水泥后、钙离子可以把分散的黏土聚在 一起形成团粒体，在掺加水泥固化的同时加入部分 粗颗粒材料（粉煤灰）来改善土的物质组成，可以相 对地减少黏粒含量，改善颗粒级配，使得原来是“黏 土基质”结构向“粒状骨架”结构转变，加入聚丙烯 酰胺（大分子链上不含离子基团）后，酰胺基与黏土 能产生氢键，因吸附架桥而絮凝。
4结语
通过对台州淤泥质黏土的固结试验和SEM图 片定量对比分析，可以得出以下结论：
1)水泥-粉煤灰-石灰对淤泥质黏土有一定 的加固效果，聚丙烯酰胺对淤泥质黏土孔隙影响的试验研究,聚丙烯酰胺结合无机材料，加固效果比 单加无机材料好。
2)经改良后，土压缩性的大小依次为：淤泥质 重塑土、加1.0%聚丙烯酰胺改良土，加0.75%聚丙 烯酰胺改良土、加〇.〇%聚丙烯酰胺改良土、0.5% 聚丙烯酿胺改良土。说明聚丙烯酿胺的掺量有一定 适用的范围，当其掺入比超过0.5%时，孔隙比增
加，压缩性反增大。
3)对加聚丙烯酰胺与不加聚丙烯酰胺固化的 淤泥质黏土土样相比较，其孔隙面积、孔隙周长较 小，微观特性较好。因此，从微观特征中也可以看 出，聚丙烯酰胺结合无机材料提高了加固效果。
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