20世紀(jì)初，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的一些國家由于興建道 路、港口、機(jī)場等工程的需要，采用石灰、水泥等對土 壤進(jìn)行改良，取得了較好的效果。曹永華[1]等通過 室內(nèi)試驗(yàn)，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質(zhì)。研 究發(fā)現(xiàn)，采用適當(dāng)?shù)呐浜媳惹闆r下，固化污泥的強(qiáng)度 可以滿足填埋的要求，抗?jié)B透性也有很大提高。除 了傳統(tǒng)的固化劑，國內(nèi)外專家一直在開發(fā)探索新的 有效的污泥固化劑[2],即改良土的材料由傳統(tǒng)的固 化劑水泥、石灰、粉煤灰等升級(jí)到新型的固化劑。 Chemfix公司[3]利用水溶性硅酸鹽和普通水泥處理 機(jī)械制造、金屬表面處理和冶金等工藝產(chǎn)生的廢物 以及高濃度重金屬污泥。此后，這一技術(shù)還被用于 處理有機(jī)物污泥。黃新[4]和劉毅[5]分別用廢石膏 和磷石膏作為添加劑加固軟土，證明淤泥質(zhì)黏土添加外加劑后 固化效果更好，劉瑾[6]和樓宏銘[7]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 減水劑對污泥固化效果的貢獻(xiàn)。Chu等[8]利用銅渣 和水泥對污泥進(jìn)行了固化，但其固化劑成本很高，不 具有通用性。

　　

　　通過大量的研究發(fā)現(xiàn)，新型的污泥固化劑固化 效果一般優(yōu)于傳統(tǒng)固化劑，但是新型固化劑由于_ 般成本較高，只適用于使用量較少的特殊的污泥處 理當(dāng)中，對于大量的污泥的處理，這些新型的固化劑 并不適用。本研究在水泥-粉煤灰-石灰的基礎(chǔ)上 添加聚丙烯酰胺，分析聚丙烯酰胺的影響效果。

　　

　　聚丙烯酰胺作為輔劑（主劑是水泥），具 有用量少、成本低的優(yōu)點(diǎn)，是其他絮凝劑無法代替的 產(chǎn)品，適用于建筑、造紙、食品、冶金、選礦、煤粉、油 田、水產(chǎn)加工和發(fā)酵等行業(yè)有機(jī)膠體含量較高的廢 水處理，特別適用于城市污水、城市污泥、造紙污泥 及其他工業(yè)污泥的脫水處理。本研究選用水泥、石 灰、粉煤灰的比例為5:2: 3,淤泥質(zhì)土與水泥的比為 9: 1,在水泥、生石灰、粉煤灰的基礎(chǔ)上分別加0、 0. 5%、0. 75%、1. 0% 土質(zhì)量的聚丙烯酰胺的人工重 塑淤泥質(zhì)土試樣（含水率為40%)進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)和 掃描電鏡SEM觀測試驗(yàn)，分析聚丙烯酰胺與無機(jī)材料結(jié)合對土孔隙結(jié)構(gòu)的改變和加固效果。

　　

　　1固結(jié)試驗(yàn)臺(tái)州椒江的軟黏土屬于典型的海積軟土，_般 具有高含水率、低強(qiáng)度、高壓縮性、低滲透性等特點(diǎn)。 本研究選取淤泥質(zhì)黏土為研究對象，其物理特性指 標(biāo)如表1。為了分析土體在固結(jié)壓力作用下的變形 機(jī)制，采用的儀器是北京工業(yè)大學(xué)的GZQ -1型全 自動(dòng)氣壓固結(jié)儀，取50,100, 200,400 kPa的固結(jié)壓 力進(jìn)行固結(jié)，并結(jié)合相應(yīng)的圖像定量分析，揭示土體 的變形機(jī)制。

　　

　　表1 土的物理性質(zhì)指標(biāo) Table 1 The physical property of natural soil天然含水率w/孔隙比e。液限W L /塑限Wp /土粒相對密度天然土的重度/%%%G £(kN.m-3)

　　

　　36. 60 -50. 51.00-1.3830.7 -42.1020. 00 -24. 602.70-2.7215.1-16.5從圖1和圖2可以看出，孔隙比隨時(shí)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，壓縮系數(shù)由大到小分別為：淤泥質(zhì) 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0%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(tǒng)的無機(jī)結(jié)合料（水泥、石灰、粉煤灰）結(jié)合是 有效果的，但聚丙烯酰胺的摻量要有適宜的范圍，當(dāng) 其摻入比超過0.5%時(shí)，土壓縮性反而會(huì)比較小摻 量的土大。

　　

　　表2 28 d的壓縮系數(shù)《1_2 Table 2 The compression coefficient after 28 d curing分類a1-2/MPa-1重塑土0.890加 0% PAM0.173力口 0.5% PAM0.145加 0.75% PAM0.218力口 1.0% PAM0.2922掃描電子顯微鏡（SEM)觀測試驗(yàn)針對室內(nèi)養(yǎng)護(hù)28 d齡期的淤泥質(zhì)土的重塑土， 加水泥、石灰、粉煤灰的淤泥質(zhì)土和加水泥、石灰、粉 煤灰、0.5%聚丙烯酰胺的淤泥質(zhì)土進(jìn)行掃描電鏡觀 測。采用的儀器為北京工業(yè)大學(xué)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(dǎo)電，測試條件為30 kV,由低倍向 高倍（500倍,2 000倍）進(jìn)行觀察對比樣品加聚丙烯 酰胺前后的顆粒和孔隙形貌變化，掃描照片見圖3。

　　

　　從圖3a、圖3b可以看出，淤泥質(zhì)黏土結(jié)構(gòu)疏 松，孔隙形狀不規(guī)則，粒間孔隙發(fā)育，顆粒接觸方式大多為邊-面接觸或面-面接觸，微裂隙發(fā)育，而且 團(tuán)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、粉煤灰后土顆粒排列更加 緊密，大孔隙在數(shù)量和尺寸上明顯減少，說明無機(jī)材 料的加入提高了 土樣的密實(shí)度。從圖3c中可以看 出，加入聚丙烯酰胺和無機(jī)材料后，生成了纖維狀， 并不斷延伸填充到顆粒的孔隙中，包覆土壤顆粒，形 成土團(tuán)，使黏土顆粒在基本結(jié)構(gòu)單元的交界面上被 牢牢地粘結(jié)在一起，形成具有一定強(qiáng)度的致密的網(wǎng) 狀結(jié)構(gòu)。 3 土體細(xì)觀結(jié)構(gòu)特性定量分析對于SEM試驗(yàn)，定量分析采用放大倍數(shù)2 000 倍的圖片，運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和MATLAB編 程可以定量地分析黏土的結(jié)構(gòu)變化[10-11]，圖片的處 理結(jié)果如圖4。這里選用4個(gè)基本定量參數(shù)進(jìn)行分 析。

　　

　　1)面孔隙度計(jì)算。通過孔隙面積的提取來確 定試樣的面孔隙度。圖像中區(qū)域面積用同一標(biāo)記的 像素個(gè)數(shù)來表示，在二值化其反色圖中，孔隙的面積 就體現(xiàn)為灰度為1的像素的數(shù)目。

　　

　　2)孔隙總周長。等于所有孔隙邊界長度總和。 數(shù)值與孔隙多少和孔隙的形狀有關(guān)。

　　

　　3)孔隙總面積。等于同一標(biāo)記的區(qū)域中的像 素的個(gè)數(shù)，反映了土的孔隙所占比例大小。

　　

　　4)圓形度。是一個(gè)描述孔隙或顆粒形狀的參 數(shù)，通過式（1)來計(jì)算： 式中：S為區(qū)域面積；L為區(qū)域周長；R。的范圍為（0,1],以圓、正六邊形、正方形和正三角形為例，其R。 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(guī)則，圓度值越趨近于1,孔隙或 顆粒形狀越趨近于圓形。表3為孔隙細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù) 統(tǒng)計(jì)。

　　

　　試驗(yàn)結(jié)果（表3)表明：1)加入水泥、粉煤灰、生石灰后，淤泥質(zhì)黏土體 中孔隙的面孔隙度減小，孔隙面積和孔隙周長減小， 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(shù)的變化尤其明顯。

　　

　　2)經(jīng)過固化劑固化后改變了淤泥質(zhì)黏土結(jié)構(gòu)， 土的孔隙形狀也隨之改變，即孔隙形狀變得不規(guī)則。

　　

　　3)經(jīng)對不加聚丙烯酰胺與加聚丙烯酰胺的淤泥表3孔隙細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)統(tǒng)計(jì) Table 3 The statistics of pore microstructural parameter土樣面孔隙 度Vm孔隙總周 長/ pm孔隙總面 積 / pm2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(zhì)黏土土樣相比較，其孔隙面積、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)摻入水泥后、鈣離子可以把分散的黏土聚在 _起形成團(tuán)粒體，在摻加水泥固化的同時(shí)加入部分 粗顆粒材料（粉煤灰）來改善土的物質(zhì)組成，可以相 對地減少黏粒含量，改善顆粒級(jí)配，使得原來是“黏 土基質(zhì)”結(jié)構(gòu)向“粒狀骨架”結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，加入聚丙烯 酰胺（大分子鏈上不含離子基團(tuán)）后，酰胺基與黏土 能產(chǎn)生氫鍵，因吸附架橋而絮凝。

　　

　　4結(jié)語通過對臺(tái)州淤泥質(zhì)黏土的固結(jié)試驗(yàn)和SEM圖 片定量對比分析，可以得出以下結(jié)論：1)水泥-粉煤灰-石灰對淤泥質(zhì)黏土有_定 的加固效果，聚丙烯酰胺結(jié)合無機(jī)材料，加固效果比 單加無機(jī)材料好。

　　

　　2)經(jīng)改良后，土壓縮性的大小依次為：淤泥質(zhì) 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% 聚丙烯酰胺改良土。說明聚丙烯酰胺的摻量有_定 適用的范圍，當(dāng)其摻入比超過0.5%時(shí)，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(zhì)黏土土樣相比較，其孔隙面積、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(jié)合無機(jī)材料提高了加固效果。