陽離子PAM 絮凝劑對鉆孔泥漿絮凝效果的試驗研究

丁偉文 孫林柱 丁光亞 高玉峰

（1.河海大學(xué)巖土工程研究所，南京 210098；2.溫州大學(xué)土木與建筑學(xué)院，浙江溫州 325035）

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善，越來越多的鉆孔樁應(yīng)用于各種建筑項目工程當(dāng)中.根據(jù)鉆孔樁的特點，泥漿在施工當(dāng)中起到了相當(dāng)重要的作用，如保護(hù)孔壁的作用、排渣的作用、清孔作用等［1］，泥漿的合理利用也越來越受到重視.但是，這些隨之而來的廢棄鉆孔泥漿也越來越多，對環(huán)境造成不可忽視的影響［2］.

目前，一些國內(nèi)外的學(xué)者對泥漿處理的研究主要集中在鉆井油田等領(lǐng)域，取得了一定的成果，但鉆井廢棄泥漿的處理與鉆孔泥漿相比較而言有著很大的不同，某些技術(shù)可以借鑒，但是，不能直接運用到處理廢棄鉆孔泥漿工程當(dāng)中，對于鉆孔泥漿的脫水處理尚需有足夠的研究來提供理論上的支持.在樁基工程鉆孔泥漿的研究中，范英宏等［3］研究了不同絮凝劑絮凝效果的試驗；李沖等［4］在研究廢棄樁基泥漿的處理中用陰離子聚丙烯酰胺來進(jìn)行絮凝脫水試驗，得出了投藥量、分子量、泥漿pH 值等因素對絮凝效果的影響；劉建華［5］等在研究京滬高速鐵路橋梁施工廢棄泥漿的處理試驗中，也用到了聚丙烯酰胺來進(jìn)行絮凝沉淀試驗，得到了對絮凝的一些影響因素和條件.但這些試驗研究中都沒有研究到絮凝過程中，這些因素受不同絮凝條件、不同絮凝時間的影響，以及沒有對絮凝過程中的泥漿各項性質(zhì)變化做出相應(yīng)的研究.因此，本文通過添加有機(jī)高分子絮凝劑陽離子聚丙烯酰胺（PAM），對鉆孔泥漿進(jìn)行絮凝沉淀試驗，分析泥漿pH 值、粘度、Zeta電位在絮凝過程中隨時間的變化規(guī)律，探討陽離子PAM 絮凝劑對鉆孔泥漿絮凝的效果，從而對鉆孔泥漿的脫水處理提供一定的技術(shù)支持.

1 試驗簡介

1.1 試驗原料

試驗所用泥漿直接取自溫州某工地現(xiàn)場.該工地所用的鉆孔泥漿含水量較高，為197.8%.其中，固相含量為0.23g／cm3，泥漿的比重為1.24g／cm3，pH 值為8.15，粘度為2 085mPa·s.

試驗添加的有機(jī)高分子絮凝劑藥品主要有：藥品名稱：陽離子PAM；分子量：陽離子PAM1 000 萬、1 300萬、1 500萬.

1.2 試驗所用儀器

試驗中所用到的儀器主要有以下幾種：精密電子天平、NB－1 型泥漿比重計、PHS－3C 型精密pH 計、NDJ－5S型旋轉(zhuǎn)粘度計、JN01A 型濃漿電泳儀.

1.3 試驗內(nèi)容與方法

鉆孔泥漿絮凝試驗：分別取若干份相同體積的鉆孔泥漿，體積均為200mL，在各份泥漿中添加不同分子量的陽離子絮凝劑PAM，其分子量分別為1 000萬、1 300萬、1 500萬，所添加的藥品質(zhì)量均為0.2g，均勻攪拌2min后靜置.為研究絮凝過程中的鉆孔泥漿性質(zhì)的變化，分別用NDJ－5S型旋轉(zhuǎn)粘度計、PHS－3C 型精密pH 計、DDS－11A 型數(shù)顯電導(dǎo)率儀及JN01A 型濃漿電泳儀，來測定每種泥漿在絮凝過程中的粘度、pH 值、電導(dǎo)率及Zeta電位隨絮凝時間的變化.試驗過程中，由于測定這些參數(shù)需要在規(guī)定的時間內(nèi)測定出來，所以每次在規(guī)定的時刻測定所需參數(shù)值的時候，都是在相同的條件下配制相同的泥漿，添加相同的絮凝劑及加藥量，測定該時刻泥漿的參數(shù)值，以盡量保證試驗中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與合理性.

2 陽離子PAM 絮凝劑對鉆孔泥漿絮凝的效果分析

2.1 鉆孔泥漿絮凝過程中的pH 值變化規(guī)律

試驗通過在鉆孔泥漿中添加不同的高分子絮凝劑陽離子PAM，攪拌均勻后絮凝，利用精密pH 計測定泥漿的pH 值隨著絮凝時間的變化，其結(jié)果如圖1所示（泥漿的初始pH 值為8.15）.

圖1 添加陽離子PAM 絮凝過程中pH 值的變化曲線

從圖1中可以看到，向該試驗鉆孔泥漿中添加不同的有機(jī)高分子絮凝劑陽離子PAM1 000 萬、1 300萬、1 500萬，經(jīng)過攪拌均勻后絮凝，在絮凝的過程中隨著絮凝時間的增加，各種泥漿其pH 值分別由8.20至8.36、8.23至8.40、8.36至8.42.由此可見，每一種泥漿的pH 值均呈現(xiàn)逐漸變大的趨勢，即隨著絮凝時間的增加，泥漿的堿性增大.

比較同一時刻添加不同絮凝劑的pH 值大小，如在絮凝時間為2min時，泥漿的pH 值分別為8.20、8.23、8.36，可以看出，pH 值是變大的；在絮凝時間為10min時，泥漿的pH 值分別為8.32、8.33、8.40.因此可知，同一類型的PAM 絮凝劑其分子量越大，絮凝過后得到的泥漿的pH 值也越大.

導(dǎo)致pH 值變化的原因，是由于泥漿在絮凝的過程中，絮凝劑發(fā)揮作用時需用到一定量的水分，形成溶液，從而導(dǎo)致泥漿總體pH 值變大；而分子量越大，吸收水分的效果越好，從而導(dǎo)致分子量大的絮凝劑pH 值越大.

2.2 鉆孔泥漿絮凝過程中的粘度變化規(guī)律

粘度是衡量泥漿流變學(xué)性能的一項重要指標(biāo)［6］，泥漿是由粘土和水混合而成的，泥漿的粘度不同于一般液體的粘度［7］.在鉆孔泥漿的絮凝過程中研究泥漿濃度隨時間的變化規(guī)律，對于泥漿的絮凝效果評價有著很大的意義，特別是對泥漿中所含絮團(tuán)的變化起著重要的分析評價作用.泥漿的粘度值隨著絮凝時間的變化如圖2所示.從圖2可以看出：添加高分子絮凝劑陽離子PAM 對泥漿進(jìn)行絮凝，隨著絮凝時間的增加，絮團(tuán)逐漸清晰并且逐漸穩(wěn)定下來，泥漿的粘度也在逐漸變大.這是由于隨著時間的推移，泥漿的膠體顆粒迅速與高分子絮凝劑PAM 發(fā)生絮凝作用，產(chǎn)生絮團(tuán)，并且絮團(tuán)的大小也越來越大越來越穩(wěn)定，固其粘度也越來越大.

圖2 添加陽離子PAM 絮凝過程中的泥漿粘度的變化曲線

此外，隨著分子量的增大，泥漿絮凝之后的粘度也隨之變大，則絮凝的效果也就越好；再比較同一時刻絮凝中的泥漿的粘度值，如絮凝2min時，泥漿粘度分別為2 100mPa·s、2 480mPa·s、2 530mPa·s；絮凝10min時，泥漿粘度分別為2 770mPa·s、3 075 mPa·s、3 105mPa·s，因此，同一絮凝時刻，隨著絮凝劑分子量的增大，泥漿絮凝的粘度增大.

造成粘度以上變化的原因，可認(rèn)為是隨著時間的增加，絮凝劑發(fā)揮作用，將泥漿高速絮凝，因此泥漿的粘度變大；而分子量越大，絮凝效果越好，固其粘度也越大.

2.3 鉆孔泥漿絮凝過程中的Zeta電位的變化規(guī)律

Zeta電位是一個表征分散體系穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，它代表分散在水中顆粒的有效電荷.任何一種膠體分散在水中均帶有電荷.根據(jù)同性相斥的原理，Zeta電位越高，顆粒之間的排斥力越強(qiáng)，則分散在液體之中的顆粒的穩(wěn)定性越好，越不容易聚集［8］.

水中膠體常帶負(fù)電荷［9］.根據(jù)DLVO 理論［10］，膠體聚集穩(wěn)定性主要決定于膠體顆粒表面的Zeta電位，即膠體滑動面上的電位.若向水中投加正電荷的混凝劑，壓縮膠體擴(kuò)散層，使滑動面上Zeta電位降低，一旦Zeta電位減少到一定程度或完全消失，即等電狀態(tài)時，在水流的擾動下膠體就會凝聚下沉.

由水中懸浮顆粒的穩(wěn)定性能與Zeta電位的關(guān)系［11］可以知道，Zeta電位在處于0～＋3mV 的時候，則懸浮顆粒處于最高量聚集和沉淀的狀態(tài).在試驗過程中，由于測定每個絮凝時間對應(yīng)的Zeta電位值需要一定的時間，如在測定完成2min時刻的Zeta電位值之后，難以再測定出5min時刻的Zeta電位值，因此，試驗需準(zhǔn)備若干份相同的泥漿并在其它所有條件相同的情況下，分別測定其余各個時刻下的Zeta電位值，以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性.圖3為試驗過程中測出的泥漿Zeta電位值隨著絮凝時間的變化.從圖3 中可以看到，泥漿添加陽離子PAM 絮凝，隨著絮凝時間的增加，Zeta電位首先減小到接近0mV 的位置，然后再增大，整個過程中其電位大小始終保持在0～＋3mV 的范圍內(nèi)，即添加陽離子絮凝劑PAM 后泥漿處于絮凝的狀態(tài).

圖3 添加陽離子PAM 絮凝過程中的Zeta電位的變化曲線

電位的大小趨勢是先變小后變大，可以推測出來，帶正電荷的陽離子首先與帶負(fù)電荷的泥漿中的膠體顆粒中和反應(yīng)，然后反應(yīng)完成之后，電荷繼續(xù)增大，電位隨著變大，膠體逐漸處于穩(wěn)定狀態(tài)，反應(yīng)逐漸緩慢，絮凝作用逐漸減弱.在絮凝10min時，所有的泥漿的Zeta電位均達(dá)到絕對值最低值0 附近，此時泥漿中的膠體顆粒處于等電狀態(tài)，達(dá)到快速凝聚下沉的狀態(tài)，此時泥漿絮凝出最佳的絮凝效果.因此，在鉆孔泥漿添加陽離子PAM 絮凝的過程中，Zeta電位值先減小，后增大，并且在絮凝時間為10min時Zeta電位值達(dá)到零附近，此時為等電狀態(tài)，泥漿的絮凝效果最佳.

3 結(jié)論及建議

通過以上試驗及其分析可以知道，添加有機(jī)高分子絮凝劑陽離子PAM1 000萬、1 300萬、1 500萬，對鉆孔泥漿進(jìn)行絮凝脫水，得到以下結(jié)論：

1）絮凝過程中，陽離子PAM 分子量越大，pH 值越大；隨著時間的增加，每種分子量的PAM 絮凝劑絮凝后泥漿的pH 值都變大.

2）粘度的變化為隨著絮凝時間的增加，泥漿的粘度增大；分子量越大，絮凝同樣時間后泥漿的粘度也越大.

3）Zeta電位隨著絮凝時間的變化趨勢為先減小后增大；而添加每種絮凝劑后所有泥漿都是處于快速絮凝的狀態(tài)，在絮凝10min的時候泥漿處于等電狀態(tài)，此時的絮凝效果最佳.

4）在工程上利用高分子絮凝劑來處理鉆孔泥漿的時候，可結(jié)合工程造價、工程要求等各方面因素，選用分子量相對較大的絮凝劑來進(jìn)行處理；絮凝時間在十分鐘較為合適；在絮凝劑處理完成之后，繼續(xù)其他方面的處理，如機(jī)械壓濾等等，這樣得到的處理效果將更加有效、更加迅速.

［1］ 鄧奕泉，羅錦鴻.鉆孔灌注樁泥漿及其對樁基承受力的影響［J］.山西建筑，2007，33（2）：132－133.

［2］ 洪 蔚，侯世全.鉆孔廢棄泥漿處理管理要求綜述［J］.鐵道勞動安全衛(wèi)生與環(huán)保，2009，36（5）：264－266.

［3］ 范英宏，潘 智，劉建華，等.高速鐵路橋梁施工廢棄泥漿處理工藝研究［J］.鐵道建筑，2009（12）：21－23.

［4］ 李 沖，呂志剛，陳洪齡，等.陰離子型聚丙烯酰胺在廢棄樁基泥漿處理中的應(yīng)用［J］.環(huán)境科學(xué)，2012，25（1）：33－37.

［5］ 劉建華，范英宏，攀 枝，等.京滬高速鐵路橋梁施工廢棄泥漿處理試驗研究［J］.鐵道勞動安全衛(wèi)生與環(huán)保，2009，36（3）：108－111.

［6］ 郭 敏，趙敬忠.一種測量泥漿粘度的新方法－－微機(jī)控制超聲多普勒法［J］.中國陶瓷，2001，37（2）：39.

［7］ 白月純.鉆進(jìn)過程中降低泥漿粘度的方法［J］.探礦工程，1957，3：12.

［8］ 曹廣勝，佟 樂，胡 儀等.基于污水懸浮顆粒Zeta電位的絮凝劑用量優(yōu)化［J］.大慶石油學(xué)院學(xué)報，2009，33（1）：17－18.

［9］ 王利平，楊炳武，金偉如.水中膠粒Zeta電位及影響混凝效果的研究［J］.包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報，1999，18（4）：484.

［10］嚴(yán)煦世，范瑾初.給水工程［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1995：251－257.

［11］Gerald P，楊聯(lián)璧.Zeta電位測定－檢驗分散體的實用技術(shù)［J］.染料與染色，1985（2）：28－36.