聚丙烯酰胺對淤泥質黏土孔隙影響的試驗研究:
聚丙烯酰胺對淤泥質黏土孔隙影響的試驗研究,20世紀初，經濟發達的一些國家由於興建道 路、港口、機場等工程的需要，采用石灰、水泥等對土 壤進行改良，取得了較好的效果。曹永華[1]等通過 室內試驗，向汙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汙泥的工程性質。研 宄發現，采用適當的配合比情況下，固化汙泥的強度 可以滿足填埋的要求，抗滲透性也有很大提高。除 了傳統的固化劑，國內外專家一直在開發探索新的 有效的汙泥固化劑，即改良土的材料由傳統的固 化劑水泥、石灰、粉煤灰等升級到新型的固化劑。 Chemfix公司[3]利用水溶性矽酸鹽和普通水泥處理 機械製造、金屬表麵處理和冶金等工藝產生的廢物 以及高濃度重金屬汙泥。此後，這一技術還被用於 處理有機物汙泥。黃新M和劉毅®分別用廢石膏 和磷石膏作為添加劑加固軟土，證明添加外加劑後 固化效果更好，劉瑾M和樓宏銘&]分別研究了新型 水溶性高分子土體固化劑和改性木素磺酸鈣GCL1 減水劑對汙泥固化效果的貢獻。Chu等[8]利用銅渣 和水泥對汙泥進行了固化，聚丙烯酰胺對淤泥質黏土孔隙影響的試驗研究,但其固化劑成本很高，不 具有通用性。
通過大量的研宄發現，新型的汙泥固化劑固化 效果一般優於傳統固化劑，但是新型固化劑由於一 般成本較高，隻適用於使用量較少的特殊的汙泥處 理當中，對於大量的汙泥的處理，這些新型的固化劑 並不適用。本研宄在水泥-粉煤灰-石灰的基礎上 添加聚丙烯酰胺，分析聚丙烯酰胺的影響效果0
聚丙烯酰胺（PAM)為水溶性高分子聚合物，白 第一作者：許惠，女，1986年出生，碩士。
E - mail: xuhuil 103@ emails, bjut. edu. cn 收稿日期：2011 -07 - 18
色粉末狀，不溶於大多數有機溶劑。王春波[9]等的 研究表明，聚丙烯酰胺作為輔劑（主劑是水泥），具 有用量少、成本低的優點，是其他絮凝劑無法代替的 產品，適用於建築、造紙、食品、冶金、選礦、煤粉、油 田、水產加工和發酵等行業有機膠體含量較高的廢 水處理，特別適用於城市汙水、城市汙泥、造紙汙泥 及其他工業汙泥的脫水處理5本研宄選用水泥、石 灰、粉煤灰的比例為5: 2: 3,淤泥質土與水泥的比為 9: 1,在水泥、生石灰、粉煤灰的基礎上分別加0、 0. 5%、0. 75%、1. 0% 土質量的聚丙烯酰胺的人工重 塑淤泥質土試樣（含水率為40%)進行固結試驗和 掃描電鏡SEM觀測試驗，分析聚丙烯酰胺與無機材
料結合對土孔隙結構的改變和加固效果，
1固結試驗
台州椒江的軟黏土屬於典型的海積軟土，一般 具有高含水率、低強度、高壓縮性、低滲透性等特點。 聚丙烯酰胺對淤泥質黏土孔隙影響的試驗研究,本研究選取淤泥質黏土為研宄對象，其物理特性指 標如表1。為了分析土體在固結壓力作用下的變形 機製，采用的儀器是北京工業大學的GZQ - 1型全 自動氣壓固結儀，取50,100,200,400 kPa的固結壓 力進行固結，並結合相應的圖像定量分析，揭示土體 的變形機製。
試驗分為5組，每組3個試樣，取3個試樣的平 均值。將試驗所得數據采用直角坐標係繪製曲 線，其e-p關係曲線見圖1、圖2,壓縮係數見表2。
1.2 r
從圖1和圖2可以看出，孔隙比隨時間的增加 而降低，重塑土孔隙比下降的速度較改良土大得多。 由表2可以看出，壓縮係數由大到小分別為：淤泥質 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，說明聚丙烯酰胺高聚物 與傳統的無機結合料（水泥、石灰、粉煤灰）結合是 有效果的，但聚丙烯釀胺的摻量要有適宜的範圍，當 其摻入比超過0.5%時，土壓縮性反而會比較小摻 量的土大。
表2 28 d的壓縮係數〇^_2 Table 2 The compression coefficient after 28 d curing
分類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 掃描電子顯微鏡（SEM)觀測試驗
針對室內養護28 d齡期的淤泥質土的重塑土, 加水泥、石灰、粉煤灰的淤泥質土和加水泥、石灰、粉 煤灰、0. 5%聚丙烯酰胺的淤泥質土進行掃描電鏡觀 測。采用的儀器為北京工業大學的FEI- Quanta 200型掃描電子顯微鏡，首先將樣品黏土在樣品架 上，噴金以使其導電，測試條件為30 kV，由低倍向 高倍（500倍,2 000倍）進行觀察對比樣品加T = w 酰胺前後的顆粒和孔隙形貌變化，掃描照片見 從圖3a、圖3b可以看出，淤泥質黏土會 鬆，孔隙形狀不規則，粒間孔隙發育，顆粒接I
大多為邊-麵接觸或麵-麵接觸，微裂隙發育，而且 團粒尺寸相對偏小。從圖3b中可以看出，與重塑土 樣相比較，加水泥、石灰、粉煤灰後土顆粒排列更加 緊密，大孔隙在數量和尺寸上明顯減少，說明無機材 料的加入提高了土樣的密實度■•從圖3c中可以看 出，加入聚丙烯酰胺和無機材料後，生成了纖維狀， 並不斷延伸填充到顆粒的孔隙中，包覆土壤顆粒，形 成土團，使黏土顆粒在基本結構單元的交界麵上被 牢牢地粘結在一起，形成具有一定強度的致密的網 狀結構。
3 土體細觀結構特性定量分析
對於SEM試驗，定量分析采用放大倍數2 000 倍的圖片，聚丙烯酰胺對淤泥質黏土孔隙影響的試驗研究,運用計算機圖像處理技術和MATLAB編 程可以定量地分析黏土的結構變化[1°~，圖片的處 理結果如圖4。這裏選用4個基本定量參數進行分 析。
1)麵孔隙度計算。通過孔隙麵積的提取來確 定試樣的麵孔隙度a圖像中區域麵積用同一標記的 像素個數來表示，在二值化其反色圖中，孔隙的麵積 就體現為灰度為1的像素的數目。
2)孔隙總周長。等於所有孔隙邊界長度總和。 數值與孔隙多少和孔隙的形狀有關。
3)孔隙總麵積。等於同一標記的區域中的像 素的個數，反映了土的孔隙所占比例大小。
4)圓形度。是一個描述孔隙或顆粒形狀的參 數，通過式（1)來計算： 式中：S為區域麵積；I為區域周長；7?u的範圍為（0,
1],以圓、正六邊形、正方形和正三角形為例，其漢。 的值分別為1、〇.91、0.79、0.60。圓度的值越大，孔 隙或顆粒形狀越不規則，圓度值越趨近於1，孔隙或 顆粒形狀越趨近於圓形。表3為孔隙細觀結構參數 統計
試驗結果（表3)表明：
1)加入水泥、粉煤灰、生石灰後，淤泥質黏土體 中孔隙的麵孔隙度減小，孔隙麵積和孔隙周長減小， 說明固化劑能起到填充孔隙的作用。加入聚丙烯酰
胺的土樣，其微觀參數的變化尤其明顯。
2)經過固化劑固化後改變了淤泥質黏土 土的孔隙形狀也隨之改變，即孔隙形狀變得不
3)經對不加聚丙烯酰胺與加聚丙烯酰胺f
聚丙烯酰胺對淤泥質黏土孔隙影響的試驗研宄——許惠，等
表3孔隙細觀結構參數統計
Table 3 The statistics of pore microstructural parameter
土樣麵孔隙 度 / |xm孔隙總周 長 / (JL111孔隙總麵 積 /|xm2孔隙圓
形度
重塑土樣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
質黏土土樣相比較，其孔隙麵積、孔隙周長較小，微 觀特性較好。因此，從微觀特征中也可以看出，聚丙 烯酰胺對黏土、石灰、粉煤灰起到了一定的絮凝作 用。
4)摻入水泥後、鈣離子可以把分散的黏土聚在 一起形成團粒體，在摻加水泥固化的同時加入部分 粗顆粒材料（粉煤灰）來改善土的物質組成，可以相 對地減少黏粒含量，改善顆粒級配，使得原來是“黏 土基質”結構向“粒狀骨架”結構轉變，加入聚丙烯 酰胺（大分子鏈上不含離子基團）後，酰胺基與黏土 能產生氫鍵，因吸附架橋而絮凝。
4結語
通過對台州淤泥質黏土的固結試驗和SEM圖 片定量對比分析，可以得出以下結論：
1)水泥-粉煤灰-石灰對淤泥質黏土有一定 的加固效果，聚丙烯酰胺對淤泥質黏土孔隙影響的試驗研究,聚丙烯酰胺結合無機材料，加固效果比 單加無機材料好。
2)經改良後，土壓縮性的大小依次為：淤泥質 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% 聚丙烯釀胺改良土。說明聚丙烯釀胺的摻量有一定 適用的範圍，當其摻入比超過0.5%時，孔隙比增
加，壓縮性反增大。
3)對加聚丙烯酰胺與不加聚丙烯酰胺固化的 淤泥質黏土土樣相比較，其孔隙麵積、孔隙周長較 小，微觀特性較好。因此，從微觀特征中也可以看 出，聚丙烯酰胺結合無機材料提高了加固效果。
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