聚丙烯酰胺（PAM）改变软粘土性能的试验研究

窦德功，张旭光，刘长殿

（中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222）

引言

随着沿海地区特别是沿海发达地区，土地、岸线资源日益紧张，一些影响国计民生的重大建设项目已经无地可用，适合港口建设的优良岸线也所剩不多，为了寻找新的岸线和土地资源，近年来填海造地、人工岛建设呈现加快的趋势[1]。在围海造地、人工岛、港口工程建设过程中，通过吹填工程形成陆域，吹填土质多为淤泥、淤泥质粘土等。大面积深厚软粘土地基处理多采用堆载预压法、真空预压法或真空联合堆载预压法，地基处理需耗费数十天至数百天的时间以及大量人力财力，而影响软基处理时间和投资的重要因素就是软粘土地基的性质，特别是渗透系数。渗透系数越小，孔隙水越难排出，地基处理所需时间越长、投资越高；反之，渗透系数越大，地基处理所需时间越短、投资越低。所以，采取可行的科技和工程手段，提高软粘土渗透系数以节省时间和投资是可行之道。本文旨在通过理论和试验研究，探究聚丙烯酰胺改变软粘土性质的可行性及部分影响因素。

聚丙烯酰胺（以下简称PAM）是一种线状水溶性高分子聚合物，它是由丙烯酰胺聚合而成，一般状态下为白色粉末或小颗粒状物（如图1）。同时也是一种高分子水处理絮凝剂，可以吸附水中的悬浮颗粒，在颗粒之间起链接架桥作用，使细颗粒形成比较大的絮团，并且加快了沉淀的速度，这一过程称之为絮凝。因其具有良好的絮凝效果，PAM作为水处理的絮凝剂被广泛用于污水处理。PAM溶于液体可以有效降低液体之间的摩擦阻力，并且环保无污染。按其离子特性可分为阴离子型、阳离子型和非离子型三种类型。主要应用在石油开采、污水絮凝处理和污泥脱水等方面。

图1 聚丙烯酰胺

目前，尚未见到关于聚丙烯酰胺应用于软基处理、改变软粘土性能方面的论文和相关报告，但聚丙烯酰胺应用于污泥脱水方面的研究已有了进展。汪毅恒等关于阳离子聚丙烯酰胺（PAM）改善污泥脱水性能的研究[2]得出结论：PAM通过“架桥吸附”和“水化作用”能够改善污泥的脱水性能，对降低污泥含水率起到了显著效果。郑怀礼等关于阳离子聚丙烯酰胺（CPAM）调质浓缩污泥脱水的影响因素及其机理研究[3]结果表明：阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)作为浓缩污泥脱水剂，在优化投加量下、污泥pH值在5.0～7.5、低速搅拌时，有较好的脱水效果。

通过对 PAM 性质的了解及其在污泥脱水方面的实践效果可知，若将 PAM 提高污泥脱水效果的原理应用于改变软粘土性能、提高软粘土渗透系数，可以收到较为理想的效果。

1 材料与试验方法

1.1 试验材料

本试验在中交一航院岩土实验室完成。试验原料土取自天津港，为淤泥质粘土。试验所用的聚丙烯酰胺有三种类型，分别为阳离子型、阴离子型和非离子型。均为白色颗粒状（图1），溶于水、不溶于有机溶剂，分子量均为1 200万，无毒、无腐蚀，残余单体≤0.2 %。

1.2 试验方法

渗透试验：量取非离子型聚丙烯酰胺2.0 g，溶于550 ml水中。取试验粘土足量，加水充分搅拌（以保证土质均匀），烘干后称取土样2 000 g两份，各加水1 000 ml并搅拌；将充分溶解的非离子聚丙烯酰胺溶液加入其中一份土样中，另一份加入等量自来水，均充分搅拌絮凝5 min；静置一定时间后，采用变水头渗透试验法测量土样渗透系数。

沉降试验：称取非离子聚丙烯酰胺 1 g，溶于适量水中。称取土样400 g两份，各倒入1 000 ml量筒中，加水适量，将充分溶解的聚丙烯酰胺溶液加入其中一份土样中，加水至1 000 ml刻度处，搅拌絮凝，观察记录泥水分界面沉降速率及沉降稳定后土体体积；向另一份土样中加水至1 000 ml刻度处，搅拌，观察记录泥水分界面沉降变化情况及沉降稳定后泥水分界面位置，从而确定沉降时间和稳定后土体体积。

分别以上述的渗透试验和沉降试验为对比试验，另取阳离子、阴离子型聚丙烯酰胺做相同渗透试验和沉降试验，并记录结果。试验数据记录如表1、表2。

表1 不同PAM类型对软粘土渗透性能的影响试验数据

表2 不同PAM类型对软粘土沉降性能的影响试验数据

分别以上述的渗透试验和沉降试验为对比试验，另取不同质量（1.5 g，2.0 g，2.5 g，3.0 g）的非离子型聚丙烯酰胺做相同渗透试验和沉降试验，并记录结果。

2 结果与讨论

2.1 非离子PAM对软粘土渗透和沉降性能的改变

试验显示，经 PAM 絮凝后的土体发生了明显的变化。PAM对粘土有良好的絮凝效果，搅拌结束后，土体呈微小块状连在一起并很快沉入容器底部，上层出现清澈的水层；未经 PAM 絮凝的土体搅拌结束后，在较长时间内保持浑浊，如图2～3所示。这与沉降试验结果相似，未经絮凝粘土在搅拌结束后，没有明显的泥水分界面，经絮凝粘土在搅拌结束后迅速出现明显的泥水分界面，见图4～5。

图2 无添加粘土

图3 非离子PAM 絮凝后土样

图4 无添加粘土泥水分界面

图5 非离子PAM絮凝后泥水分界面

经非离子 PAM 絮凝后的土体渗透系数得到明显的提升，土体的沉降速率和沉降稳定后的体积也有所变化，试验结果记录于表3。

表3 非离子PAM对软粘土性能的改变

由试验结果可知：PAM絮凝后的软粘土，渗透系数提升明显，沉降总时间大大降低，并且絮凝后土体的体积有所增大。

PAM具有良好的絮凝特性，能将微小的粘土颗粒通过桥架作用及吸附作用连结在一起，形成较大的颗粒，这将直接有利于粘土颗粒沉降，使得沉降总时间大大降低，加快土体沉降速度；土颗粒粒径的增大，降低了颗粒比表面积，减小了颗粒表面结合水膜厚度，减弱了颗粒对自由水流动的束缚；同时，PAM溶入粘土中可以直接降低自由水流动的摩擦阻力，增强土中水体的流动性，从而提高土体渗透系数；经 PAM 絮凝后的粘土，颗粒间的孔隙有所增大，使得沉降稳定后的土体体积增大。

2.2 不同类型PAM对软粘土性能的影响

选取不同类型PAM试验后结果记录于表4。

表4 不同类型PAM对软粘土性能的影响

试验结果表明：三种 PAM 絮凝后的软粘土，渗透系数均有较大幅度的提升。但提升的效果不尽相同，阳离子聚丙烯酰胺效果最佳，非离子聚丙烯酰胺效果次之，阴离子聚丙烯酰胺效果最差。这与三种 PAM 的例子类型密切相关，由于粘土颗粒表面带有负电，非离子聚丙烯酰胺对粘土颗粒电性不会产生影响，只是通过吸附絮凝作用提高土体渗透系数；阴离子聚丙烯酰胺带有负电的电荷粒子，与土颗粒表面的电性相同，不利于电中和，且在一定程度上减弱了聚丙烯酰胺提高渗透系数的作用，所以，阴离子聚丙烯酰胺提高软粘土渗透系数的效果要次于非离子聚丙烯酰胺；阳离子聚丙烯酰胺带有正电的电荷粒子，能够中和土颗粒表面的负电荷，对于提高软粘土渗透系数会更加明显。

三种 PAM 絮凝后的软粘土，沉降总时间均大幅降低，沉降速度大幅提升。其中阳离子 PAM 作用效果最佳，阴离子 PAM 作用效果最差。粘土经絮凝后体积均有所增大，增大幅度有所差别。

2.3 不同PAM添加量对软粘土性能的影响

改变非离子 PAM 的添加量，做相同的渗透试验和沉降试验，分别测出不同添加量时软粘土的渗透系数、沉降总时间和沉降稳定后的体积。当渗透试验添加PAM为2.5 g和3 g时，静置一段时间后，土样表层均有明显的 PAM 覆盖膜，说明此两组试验中，PAM添加量较大，未能全部发挥絮凝作用。具体试验结果如表5。

表5 不同PAM添加量对软粘土性能的影响

试验结果表明：PAM不同添加量下，絮凝效果明显，渗透系数均得到较大幅度提高。但絮凝试验中添加量超过2.5 g时，PAM过量，不能充分发挥作用，且会填充在土体空隙中，使得土体渗透系数有所降低。可知在渗透系数随 PAM 添加量变化过程中，有一最大值，此时PAM添加量称为临界值，对于本试验，临界值在2.0 g左右。

沉降试验结果表明：随着PAM添加量的增大，土体沉降总时间逐渐降低，即沉降速度逐渐增大；同时，沉降稳定后，土体体积随添加量增加而不断增大。

3 结语

1）PAM具有良好的絮凝特性，经PAM絮凝后的软粘土，渗透系数有较大幅度的提升，土体结构发生变化，土体体积有所增大。三种 PAM 对粘土的絮凝效果不同，阳离子 PAM 效果最佳，非离子PAM次之，阴离子PAM效果最差。

2）PAM的添加量，对软粘土的絮凝效果有较大的影响，随着 PAM 添加量的增大，絮凝效果更佳明显，土体渗透系数不断增大，但超过某一临界值时，PAM过量，渗透系数会减小。随着PAM添加量的增大，土体的沉降速度和沉降稳定后的体积均不断增大。

3）本文是对聚丙烯酰胺絮凝软粘土效果的初步研究，为改变软粘土的性能提供一种方法。但本文的研究还不深入，还需进一步研究，特别是PAM改变软粘土的物理化学机理，其他的一些影响因素等。

致谢

本文得到中交第一航务工程勘察设计院有限公司蔡波副总工程师、董志坤教授级高级工程师的悉心指导，在此表示感谢。