聚丙烯酰胺（PAM）改變軟粘土性能的試驗研究

竇德功，張旭光，劉長殿

（中交第一航務工程勘察設計院有限公司，天津 300222）

引言

隨著沿海地區特別是沿海發達地區，土地、岸線資源日益緊張，一些影響國計民生的重大建設項目已經無地可用，適合港口建設的優良岸線也所剩不多，為了尋找新的岸線和土地資源，近年來填海造地、人工島建設呈現加快的趨勢[1]。在圍海造地、人工島、港口工程建設過程中，通過吹填工程形成陸域，吹填土質多為淤泥、淤泥質粘土等。大面積深厚軟粘土地基處理多采用堆載預壓法、真空預壓法或真空聯合堆載預壓法，地基處理需耗費數十天至數百天的時間以及大量人力財力，而影響軟基處理時間和投資的重要因素就是軟粘土地基的性質，特別是滲透系數。滲透系數越小，孔隙水越難排出，地基處理所需時間越長、投資越高；反之，滲透系數越大，地基處理所需時間越短、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以節省時間和投資是可行之道。本文旨在通過理論和試驗研究，探究聚丙烯酰胺改變軟粘土性質的可行性及部分影響因素。

聚丙烯酰胺（以下簡稱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，一般狀態下為白色粉末或小顆粒狀物（如圖1）。同時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，使細顆粒形成比較大的絮團，并且加快了沉淀的速度，這一過程稱之為絮凝。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，并且環保無污染。按其離子特性可分為陰離子型、陽離子型和非離子型三種類型。主要應用在石油開采、污水絮凝處理和污泥脫水等方面。

圖1 聚丙烯酰胺

目前，尚未見到關于聚丙烯酰胺應用于軟基處理、改變軟粘土性能方面的論文和相關報告，但聚丙烯酰胺應用于污泥脫水方面的研究已有了進展。汪毅恒等關于陽離子聚丙烯酰胺（PAM）改善污泥脫水性能的研究[2]得出結論：PAM通過“架橋吸附”和“水化作用”能夠改善污泥的脫水性能，對降低污泥含水率起到了顯著效果。鄭懷禮等關于陽離子聚丙烯酰胺（CPAM）調質濃縮污泥脫水的影響因素及其機理研究[3]結果表明：陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)作為濃縮污泥脫水劑，在優化投加量下、污泥pH值在5.0～7.5、低速攪拌時，有較好的脫水效果。

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

1 材料與試驗方法

1.1 試驗材料

本試驗在中交一航院巖土實驗室完成。試驗原料土取自天津港，為淤泥質粘土。試驗所用的聚丙烯酰胺有三種類型，分別為陽離子型、陰離子型和非離子型。均為白色顆粒狀（圖1），溶于水、不溶于有機溶劑，分子量均為1 200萬，無毒、無腐蝕，殘余單體≤0.2 %。

1.2 試驗方法

滲透試驗：量取非離子型聚丙烯酰胺2.0 g，溶于550 ml水中。取試驗粘土足量，加水充分攪拌（以保證土質均勻），烘干后稱取土樣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水，均充分攪拌絮凝5 min；靜置一定時間后，采用變水頭滲透試驗法測量土樣滲透系數。

沉降試驗：稱取非離子聚丙烯酰胺 1 g，溶于適量水中。稱取土樣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定后泥水分界面位置，從而確定沉降時間和穩定后土體體積。

分別以上述的滲透試驗和沉降試驗為對比試驗，另取陽離子、陰離子型聚丙烯酰胺做相同滲透試驗和沉降試驗，并記錄結果。試驗數據記錄如表1、表2。

表1 不同PAM類型對軟粘土滲透性能的影響試驗數據

表2 不同PAM類型對軟粘土沉降性能的影響試驗數據

分別以上述的滲透試驗和沉降試驗為對比試驗，另取不同質量（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和沉降試驗，并記錄結果。

2 結果與討論

2.1 非離子PAM對軟粘土滲透和沉降性能的改變

試驗顯示，經 PAM 絮凝后的土體發生了明顯的變化。PAM對粘土有良好的絮凝效果，攪拌結束后，土體呈微小塊狀連在一起并很快沉入容器底部，上層出現清澈的水層；未經 PAM 絮凝的土體攪拌結束后，在較長時間內保持渾濁，如圖2～3所示。這與沉降試驗結果相似，未經絮凝粘土在攪拌結束后，沒有明顯的泥水分界面，經絮凝粘土在攪拌結束后迅速出現明顯的泥水分界面，見圖4～5。

圖2 無添加粘土

圖3 非離子PAM 絮凝后土樣

圖4 無添加粘土泥水分界面

圖5 非離子PAM絮凝后泥水分界面

經非離子 PAM 絮凝后的土體滲透系數得到明顯的提升，土體的沉降速率和沉降穩定后的體積也有所變化，試驗結果記錄于表3。

表3 非離子PAM對軟粘土性能的改變

由試驗結果可知：PAM絮凝后的軟粘土，滲透系數提升明顯，沉降總時間大大降低，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橋架作用及吸附作用連結在一起，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，減小了顆粒表面結合水膜厚度，減弱了顆粒對自由水流動的束縛；同時，PAM溶入粘土中可以直接降低自由水流動的摩擦阻力，增強土中水體的流動性，從而提高土體滲透系數；經 PAM 絮凝后的粘土，顆粒間的孔隙有所增大，使得沉降穩定后的土體體積增大。

2.2 不同類型PAM對軟粘土性能的影響

選取不同類型PAM試驗后結果記錄于表4。

表4 不同類型PAM對軟粘土性能的影響

試驗結果表明：三種 PAM 絮凝后的軟粘土，滲透系數均有較大幅度的提升。但提升的效果不盡相同，陽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 的例子類型密切相關，由于粘土顆粒表面帶有負電，非離子聚丙烯酰胺對粘土顆粒電性不會產生影響，只是通過吸附絮凝作用提高土體滲透系數；陰離子聚丙烯酰胺帶有負電的電荷粒子，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的作用，所以，陰離子聚丙烯酰胺提高軟粘土滲透系數的效果要次于非離子聚丙烯酰胺；陽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電荷，對于提高軟粘土滲透系數會更加明顯。

三種 PAM 絮凝后的軟粘土，沉降總時間均大幅降低，沉降速度大幅提升。其中陽離子 PAM 作用效果最佳，陰離子 PAM 作用效果最差。粘土經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，做相同的滲透試驗和沉降試驗，分別測出不同添加量時軟粘土的滲透系數、沉降總時間和沉降穩定后的體積。當滲透試驗添加PAM為2.5 g和3 g時，靜置一段時間后，土樣表層均有明顯的 PAM 覆蓋膜，說明此兩組試驗中，PAM添加量較大，未能全部發揮絮凝作用。具體試驗結果如表5。

表5 不同PAM添加量對軟粘土性能的影響

試驗結果表明：PAM不同添加量下，絮凝效果明顯，滲透系數均得到較大幅度提高。但絮凝試驗中添加量超過2.5 g時，PAM過量，不能充分發揮作用，且會填充在土體空隙中，使得土體滲透系數有所降低。可知在滲透系數隨 PAM 添加量變化過程中，有一最大值，此時PAM添加量稱為臨界值，對于本試驗，臨界值在2.0 g左右。

沉降試驗結果表明：隨著PAM添加量的增大，土體沉降總時間逐漸降低，即沉降速度逐漸增大；同時，沉降穩定后，土體體積隨添加量增加而不斷增大。

3 結語

1）PAM具有良好的絮凝特性，經PAM絮凝后的軟粘土，滲透系數有較大幅度的提升，土體結構發生變化，土體體積有所增大。三種 PAM 對粘土的絮凝效果不同，陽離子 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，土體滲透系數不斷增大，但超過某一臨界值時，PAM過量，滲透系數會減小。隨著PAM添加量的增大，土體的沉降速度和沉降穩定后的體積均不斷增大。

3）本文是對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，還需進一步研究，特別是PAM改變軟粘土的物理化學機理，其他的一些影響因素等。

致謝

本文得到中交第一航務工程勘察設計院有限公司蔡波副總工程師、董志坤教授級高級工程師的悉心指導，在此表示感謝。