聚丙烯酰胺（PAM）改變軟粘土性能的試驗(yàn)研究

竇德功，張旭光，劉長(zhǎng)殿

（中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222）

引言

隨著沿海地區(qū)特別是沿海發(fā)達(dá)地區(qū)，土地、岸線資源日益緊張，一些影響國(guó)計(jì)民生的重大建設(shè)項(xiàng)目已經(jīng)無(wú)地可用，適合港口建設(shè)的優(yōu)良岸線也所剩不多，為了尋找新的岸線和土地資源，近年來(lái)填海造地、人工島建設(shè)呈現(xiàn)加快的趨勢(shì)[1]。在圍海造地、人工島、港口工程建設(shè)過(guò)程中，通過(guò)吹填工程形成陸域，吹填土質(zhì)多為淤泥、淤泥質(zhì)粘土等。大面積深厚軟粘土地基處理多采用堆載預(yù)壓法、真空預(yù)壓法或真空聯(lián)合堆載預(yù)壓法，地基處理需耗費(fèi)數(shù)十天至數(shù)百天的時(shí)間以及大量人力財(cái)力，而影響軟基處理時(shí)間和投資的重要因素就是軟粘土地基的性質(zhì)，特別是滲透系數(shù)。滲透系數(shù)越小，孔隙水越難排出，地基處理所需時(shí)間越長(zhǎng)、投資越高；反之，滲透系數(shù)越大，地基處理所需時(shí)間越短、投資越低。所以，采取可行的科技和工程手段，提高軟粘土滲透系數(shù)以節(jié)省時(shí)間和投資是可行之道。本文旨在通過(guò)理論和試驗(yàn)研究，探究聚丙烯酰胺改變軟粘土性質(zhì)的可行性及部分影響因素。

聚丙烯酰胺（以下簡(jiǎn)稱(chēng)PAM）是一種線狀水溶性高分子聚合物，它是由丙烯酰胺聚合而成，一般狀態(tài)下為白色粉末或小顆粒狀物（如圖1）。同時(shí)也是一種高分子水處理絮凝劑，可以吸附水中的懸浮顆粒，在顆粒之間起鏈接架橋作用，使細(xì)顆粒形成比較大的絮團(tuán)，并且加快了沉淀的速度，這一過(guò)程稱(chēng)之為絮凝。因其具有良好的絮凝效果，PAM作為水處理的絮凝劑被廣泛用于污水處理。PAM溶于液體可以有效降低液體之間的摩擦阻力，并且環(huán)保無(wú)污染。按其離子特性可分為陰離子型、陽(yáng)離子型和非離子型三種類(lèi)型。主要應(yīng)用在石油開(kāi)采、污水絮凝處理和污泥脫水等方面。

圖1 聚丙烯酰胺

目前，尚未見(jiàn)到關(guān)于聚丙烯酰胺應(yīng)用于軟基處理、改變軟粘土性能方面的論文和相關(guān)報(bào)告，但聚丙烯酰胺應(yīng)用于污泥脫水方面的研究已有了進(jìn)展。汪毅恒等關(guān)于陽(yáng)離子聚丙烯酰胺（PAM）改善污泥脫水性能的研究[2]得出結(jié)論：PAM通過(guò)“架橋吸附”和“水化作用”能夠改善污泥的脫水性能，對(duì)降低污泥含水率起到了顯著效果。鄭懷禮等關(guān)于陽(yáng)離子聚丙烯酰胺（CPAM）調(diào)質(zhì)濃縮污泥脫水的影響因素及其機(jī)理研究[3]結(jié)果表明：陽(yáng)離子聚丙烯酰胺(CPAM)作為濃縮污泥脫水劑，在優(yōu)化投加量下、污泥pH值在5.0～7.5、低速攪拌時(shí)，有較好的脫水效果。

通過(guò)對(duì) PAM 性質(zhì)的了解及其在污泥脫水方面的實(shí)踐效果可知，若將 PAM 提高污泥脫水效果的原理應(yīng)用于改變軟粘土性能、提高軟粘土滲透系數(shù)，可以收到較為理想的效果。

1 材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)在中交一航院巖土實(shí)驗(yàn)室完成。試驗(yàn)原料土取自天津港，為淤泥質(zhì)粘土。試驗(yàn)所用的聚丙烯酰胺有三種類(lèi)型，分別為陽(yáng)離子型、陰離子型和非離子型。均為白色顆粒狀（圖1），溶于水、不溶于有機(jī)溶劑，分子量均為1 200萬(wàn)，無(wú)毒、無(wú)腐蝕，殘余單體≤0.2 %。

1.2 試驗(yàn)方法

滲透試驗(yàn)：量取非離子型聚丙烯酰胺2.0 g，溶于550 ml水中。取試驗(yàn)粘土足量，加水充分?jǐn)嚢瑁ㄒ员ＷC土質(zhì)均勻），烘干后稱(chēng)取土樣2 000 g兩份，各加水1 000 ml并攪拌；將充分溶解的非離子聚丙烯酰胺溶液加入其中一份土樣中，另一份加入等量自來(lái)水，均充分?jǐn)嚢栊跄? min；靜置一定時(shí)間后，采用變水頭滲透試驗(yàn)法測(cè)量土樣滲透系數(shù)。

沉降試驗(yàn)：稱(chēng)取非離子聚丙烯酰胺 1 g，溶于適量水中。稱(chēng)取土樣400 g兩份，各倒入1 000 ml量筒中，加水適量，將充分溶解的聚丙烯酰胺溶液加入其中一份土樣中，加水至1 000 ml刻度處，攪拌絮凝，觀察記錄泥水分界面沉降速率及沉降穩(wěn)定后土體體積；向另一份土樣中加水至1 000 ml刻度處，攪拌，觀察記錄泥水分界面沉降變化情況及沉降穩(wěn)定后泥水分界面位置，從而確定沉降時(shí)間和穩(wěn)定后土體體積。

分別以上述的滲透試驗(yàn)和沉降試驗(yàn)為對(duì)比試驗(yàn)，另取陽(yáng)離子、陰離子型聚丙烯酰胺做相同滲透試驗(yàn)和沉降試驗(yàn)，并記錄結(jié)果。試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄如表1、表2。

表1 不同PAM類(lèi)型對(duì)軟粘土滲透性能的影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 不同PAM類(lèi)型對(duì)軟粘土沉降性能的影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)

分別以上述的滲透試驗(yàn)和沉降試驗(yàn)為對(duì)比試驗(yàn)，另取不同質(zhì)量（1.5 g，2.0 g，2.5 g，3.0 g）的非離子型聚丙烯酰胺做相同滲透試驗(yàn)和沉降試驗(yàn)，并記錄結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 非離子PAM對(duì)軟粘土滲透和沉降性能的改變

試驗(yàn)顯示，經(jīng) PAM 絮凝后的土體發(fā)生了明顯的變化。PAM對(duì)粘土有良好的絮凝效果，攪拌結(jié)束后，土體呈微小塊狀連在一起并很快沉入容器底部，上層出現(xiàn)清澈的水層；未經(jīng) PAM 絮凝的土體攪拌結(jié)束后，在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持渾濁，如圖2～3所示。這與沉降試驗(yàn)結(jié)果相似，未經(jīng)絮凝粘土在攪拌結(jié)束后，沒(méi)有明顯的泥水分界面，經(jīng)絮凝粘土在攪拌結(jié)束后迅速出現(xiàn)明顯的泥水分界面，見(jiàn)圖4～5。

圖2 無(wú)添加粘土

圖3 非離子PAM 絮凝后土樣

圖4 無(wú)添加粘土泥水分界面

圖5 非離子PAM絮凝后泥水分界面

經(jīng)非離子 PAM 絮凝后的土體滲透系數(shù)得到明顯的提升，土體的沉降速率和沉降穩(wěn)定后的體積也有所變化，試驗(yàn)結(jié)果記錄于表3。

表3 非離子PAM對(duì)軟粘土性能的改變

由試驗(yàn)結(jié)果可知：PAM絮凝后的軟粘土，滲透系數(shù)提升明顯，沉降總時(shí)間大大降低，并且絮凝后土體的體積有所增大。

PAM具有良好的絮凝特性，能將微小的粘土顆粒通過(guò)橋架作用及吸附作用連結(jié)在一起，形成較大的顆粒，這將直接有利于粘土顆粒沉降，使得沉降總時(shí)間大大降低，加快土體沉降速度；土顆粒粒徑的增大，降低了顆粒比表面積，減小了顆粒表面結(jié)合水膜厚度，減弱了顆粒對(duì)自由水流動(dòng)的束縛；同時(shí)，PAM溶入粘土中可以直接降低自由水流動(dòng)的摩擦阻力，增強(qiáng)土中水體的流動(dòng)性，從而提高土體滲透系數(shù)；經(jīng) PAM 絮凝后的粘土，顆粒間的孔隙有所增大，使得沉降穩(wěn)定后的土體體積增大。

2.2 不同類(lèi)型PAM對(duì)軟粘土性能的影響

選取不同類(lèi)型PAM試驗(yàn)后結(jié)果記錄于表4。

表4 不同類(lèi)型PAM對(duì)軟粘土性能的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明：三種 PAM 絮凝后的軟粘土，滲透系數(shù)均有較大幅度的提升。但提升的效果不盡相同，陽(yáng)離子聚丙烯酰胺效果最佳，非離子聚丙烯酰胺效果次之，陰離子聚丙烯酰胺效果最差。這與三種 PAM 的例子類(lèi)型密切相關(guān)，由于粘土顆粒表面帶有負(fù)電，非離子聚丙烯酰胺對(duì)粘土顆粒電性不會(huì)產(chǎn)生影響，只是通過(guò)吸附絮凝作用提高土體滲透系數(shù)；陰離子聚丙烯酰胺帶有負(fù)電的電荷粒子，與土顆粒表面的電性相同，不利于電中和，且在一定程度上減弱了聚丙烯酰胺提高滲透系數(shù)的作用，所以，陰離子聚丙烯酰胺提高軟粘土滲透系數(shù)的效果要次于非離子聚丙烯酰胺；陽(yáng)離子聚丙烯酰胺帶有正電的電荷粒子，能夠中和土顆粒表面的負(fù)電荷，對(duì)于提高軟粘土滲透系數(shù)會(huì)更加明顯。

三種 PAM 絮凝后的軟粘土，沉降總時(shí)間均大幅降低，沉降速度大幅提升。其中陽(yáng)離子 PAM 作用效果最佳，陰離子 PAM 作用效果最差。粘土經(jīng)絮凝后體積均有所增大，增大幅度有所差別。

2.3 不同PAM添加量對(duì)軟粘土性能的影響

改變非離子 PAM 的添加量，做相同的滲透試驗(yàn)和沉降試驗(yàn)，分別測(cè)出不同添加量時(shí)軟粘土的滲透系數(shù)、沉降總時(shí)間和沉降穩(wěn)定后的體積。當(dāng)滲透試驗(yàn)添加PAM為2.5 g和3 g時(shí)，靜置一段時(shí)間后，土樣表層均有明顯的 PAM 覆蓋膜，說(shuō)明此兩組試驗(yàn)中，PAM添加量較大，未能全部發(fā)揮絮凝作用。具體試驗(yàn)結(jié)果如表5。

表5 不同PAM添加量對(duì)軟粘土性能的影響

試驗(yàn)結(jié)果表明：PAM不同添加量下，絮凝效果明顯，滲透系數(shù)均得到較大幅度提高。但絮凝試驗(yàn)中添加量超過(guò)2.5 g時(shí)，PAM過(guò)量，不能充分發(fā)揮作用，且會(huì)填充在土體空隙中，使得土體滲透系數(shù)有所降低?？芍跐B透系數(shù)隨 PAM 添加量變化過(guò)程中，有一最大值，此時(shí)PAM添加量稱(chēng)為臨界值，對(duì)于本試驗(yàn)，臨界值在2.0 g左右。

沉降試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著PAM添加量的增大，土體沉降總時(shí)間逐漸降低，即沉降速度逐漸增大；同時(shí)，沉降穩(wěn)定后，土體體積隨添加量增加而不斷增大。

3 結(jié)語(yǔ)

1）PAM具有良好的絮凝特性，經(jīng)PAM絮凝后的軟粘土，滲透系數(shù)有較大幅度的提升，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，土體體積有所增大。三種 PAM 對(duì)粘土的絮凝效果不同，陽(yáng)離子 PAM 效果最佳，非離子PAM次之，陰離子PAM效果最差。

2）PAM的添加量，對(duì)軟粘土的絮凝效果有較大的影響，隨著 PAM 添加量的增大，絮凝效果更佳明顯，土體滲透系數(shù)不斷增大，但超過(guò)某一臨界值時(shí)，PAM過(guò)量，滲透系數(shù)會(huì)減小。隨著PAM添加量的增大，土體的沉降速度和沉降穩(wěn)定后的體積均不斷增大。

3）本文是對(duì)聚丙烯酰胺絮凝軟粘土效果的初步研究，為改變軟粘土的性能提供一種方法。但本文的研究還不深入，還需進(jìn)一步研究，特別是PAM改變軟粘土的物理化學(xué)機(jī)理，其他的一些影響因素等。

致謝

本文得到中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司蔡波副總工程師、董志坤教授級(jí)高級(jí)工程師的悉心指導(dǎo)，在此表示感謝。