PAM絮凝劑對(duì)鉆孔粘土廢棄泥漿脫水性能的影響

張 爍，龐建勇，孫林柱，楊 芳，朱 鋒

(1.安徽理工大學(xué)土木與建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001;2.溫州大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院，浙江 溫州 325000;3.江西理工大學(xué)建筑與測(cè)繪工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

淤泥質(zhì)粘土在世界各地分布廣泛，在我國主要分布在天津、上海、浙江、福建等沿海地區(qū)。

鉆孔灌注樁廣泛應(yīng)用于建筑、交通、水利等基礎(chǔ)工程，鉆孔泥漿用量一般為成孔體積的3～5倍［1］。泥漿中可加化學(xué)藥劑，使泥漿成為一種不易失水干結(jié)，成分復(fù)雜，穩(wěn)定性好的膠體體系［2］，因此，施工后會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄泥漿。目前處理廢棄泥漿的一般方法是將其直接填埋，但很多泥漿被排放到田地、河道，嚴(yán)重污染土壤、河流，破壞城市生態(tài)環(huán)境，危害人的身體健康。處理廢棄泥漿成為了當(dāng)前工程建設(shè)一大難題。

國內(nèi)外對(duì)油田鉆井泥漿、礦山鉆井泥漿、城市污泥、河湖污泥和淤泥處理方法的研究較多，主要有物理、化學(xué)和物理—化學(xué)聯(lián)合等處理方法。目前，基于鉆孔廢棄泥漿的壓濾脫水研究很少，主要面臨是以下問題，①鉆孔粘土廢棄泥漿粘度大，顆粒細(xì)小，若直接采用物理的方法脫水，泥漿會(huì)堵塞脫水機(jī)濾孔，使泥漿固液難以分離;②若直接固化，鉆孔粘土廢棄泥漿含水率高，需加入大量的固化劑，成本較高;③由于每個(gè)地區(qū)土性差別較大，成分復(fù)雜，針對(duì)鉆孔粘土廢棄泥漿脫水處理使用的絮凝劑適應(yīng)性研究較為缺乏。

針對(duì)以上問題，本文采用物理—化學(xué)聯(lián)合的方法，研究PAM 絮凝劑對(duì)鉆孔粘土廢棄泥漿脫水性能的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，提出符合壓濾脫水規(guī)律的數(shù)學(xué)模型，為鉆孔粘土廢棄泥漿的處理提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 絮凝劑

選用PAM 絮凝劑，分別是相對(duì)分子量1 000 萬的陽離子型PAM 絮凝劑(記為C1PAM)、相對(duì)分子量1 000～1 800 萬的陰離子型PAM 絮凝劑(記為A1PAM～A5PAM)和相對(duì)分子量1 000 萬的非離子型PAM 絮凝劑(記為N1PAM)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

量筒、燒杯(1 000 mL)、秒表、攪拌器、精密電子天平、自制的液壓壓濾設(shè)備(見圖1)。

圖1 自制的液壓壓濾設(shè)備

1.3 試驗(yàn)方案

為了研究PAM 絮凝劑的類型、相對(duì)分子量和加藥量對(duì)鉆孔粘土泥漿脫水性的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)了三個(gè)試驗(yàn)方案(見表1～表3)，并在試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上建立符合壓濾脫水規(guī)律的數(shù)學(xué)模型。

表1 PAM 絮凝劑類型的優(yōu)選

表2 陰離子型PAM 絮凝劑相對(duì)分子量的優(yōu)擇

表3 相對(duì)分子量1 000 萬的陰離子型PAM 絮凝劑的加藥量的優(yōu)化

1.4 試驗(yàn)步驟

按試驗(yàn)所需，用精密電子天平稱取PAM 絮凝劑，分別于1 000 mL 燒杯中加入500 mL 攪拌均勻的鉆孔泥漿，投加絮凝劑，攪拌均勻，至有明顯絮體出現(xiàn)后停止;待靜置絮凝2 h 后，將泥漿倒入自制的液壓壓濾設(shè)備，設(shè)定壓力值為0.8 MPa，泥漿厚度為4 cm，對(duì)泥漿進(jìn)行壓濾脫水處理;每5 min 讀1次脫水量，30 min 后，每15 min 讀1 次，壓濾時(shí)間持續(xù)180 min;記錄泥漿壓濾脫水量隨著壓濾時(shí)間的變化。按照以上步驟，即可得到每組試驗(yàn)的泥漿壓濾脫水量隨著壓濾時(shí)間的變化。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 泥漿的物理性質(zhì)和礦物組成

通過儀器測(cè)得鉆孔泥漿的物理性質(zhì)和主要礦物成分(見表4～表5)。

表4 泥漿的初始各項(xiàng)性質(zhì)指標(biāo)

表5 鉆孔泥漿的主要礦物成分 (%)

2.2 不同類型PAM 絮凝劑的影響

1)不同加藥量PAM 絮凝劑的影響。試驗(yàn)選擇3 種加藥量，分別研究了不同加藥量的C1PAM、A1PAM 和N1PAM 對(duì)鉆孔粘土泥漿壓濾脫水性能的影響規(guī)律，結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖2 C1PAM 不同加藥量的泥漿壓濾脫水曲線

圖3 A1PAM 不同加藥量的泥漿壓濾脫水曲線

圖4 N1PAM 不同加藥量的泥漿壓濾脫水曲線

從圖2～圖4 可以看出，隨著壓濾時(shí)間的增加，泥漿的壓濾脫水量越來越高，壓濾脫水速度逐漸降低，泥漿的壓濾脫水曲線呈非線性增加的趨勢(shì)。三種不同類型的PAM 絮凝劑在加藥量不同時(shí)，對(duì)泥漿的壓濾脫水效果的影響也不同。

泥漿壓濾脫水效果隨著C1PAM、N1PAM 加藥量的增加先提升后下降(見圖2 和圖4)，脫水效果最好的加藥量均為1.0 g;隨著A1PAM 加藥量的增加呈下降趨勢(shì)(見圖3)，加藥量為0.5 g 時(shí)泥漿的壓濾脫水效果最好，在45min 以后，脫水速率變快。

總之，隨著壓濾時(shí)間的延長(zhǎng)，泥漿的壓濾脫水曲線呈非線性增大的趨勢(shì);從脫水效果來看，陰離子型的PAM 絮凝劑效果最好。

2)最佳加藥量不同類型PAM 絮凝劑的影響。對(duì)比分析最佳加藥量不同類型PAM 絮凝劑對(duì)泥漿脫水性能的影響，結(jié)果如圖5所示。

圖5 三種類型PAM 絮凝劑最佳加藥量時(shí)泥漿壓濾脫水曲線

由圖5 可以看出，在均為最佳加藥量的情況下，三種不同類型PAM 絮凝劑的添加均能改善泥漿的壓濾脫水性能。A1PAM 的添加加快了泥漿的脫水速率，對(duì)泥漿壓濾脫水性能改善效果最好，最終的壓濾脫水量也明顯高于純泥漿，C1PAM 和N1PAM 對(duì)泥漿壓濾脫水性能改善效果不明顯，最終的壓濾脫水量與純泥漿基本相等。

以上分析得出，適用于鉆孔粘土泥漿絮凝脫水的最優(yōu)PAM 絮凝劑是A1PAM。

2.3 不同相對(duì)分子量的陰離子型PAM 絮凝劑的影響

在確定了最優(yōu)PAM 絮凝劑的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步優(yōu)選陰離子型PAM 絮凝劑的相對(duì)分子量，選用A1PAM～A5PAM，加藥量均為0.5 g，泥漿壓濾脫水量隨壓濾時(shí)間的變化曲線如圖6所示。

圖6 添加A1PAM～A5PAM 時(shí)泥漿的壓濾脫水曲線

由圖6 可知，隨著陰離子型PAM 絮凝劑相對(duì)分子量的增加，泥漿的壓濾脫水效果先提升后下降。

當(dāng)陰離子型PAM 絮凝劑相對(duì)分子量小于1 200 萬時(shí)，陰離子型PAM 絮凝劑的添加對(duì)泥漿的脫水性能有所改善;當(dāng)相對(duì)分子量大于1 200 萬時(shí)，隨著相對(duì)分子量的增加，泥漿的脫水效果反而越來越差。

分析原因，當(dāng)絮凝劑的相對(duì)分子量過小時(shí)，會(huì)造成泥漿不絮凝或者絮凝團(tuán)較小，會(huì)降低脫水的速度;當(dāng)絮凝劑的分子量過大時(shí)，PAM 包裹泥漿微粒，絮團(tuán)間相互排斥造成絮凝效果差，其次泥漿粘度值過大，在壓濾過程中水分子通道堵塞，使絮團(tuán)束縛較多水難以通過泥漿絮凝團(tuán)，壓濾脫水效果也比較差。

分別添加A1PAM 和A2PAM 的泥漿壓濾脫水效果都有明顯提高，改善效果也基本相同，考慮到經(jīng)濟(jì)效益，最終確定相對(duì)分子量1 000 萬的陰離子型PAM 絮凝劑為最優(yōu)。

2.4 最優(yōu)PAM 絮凝劑加藥量的優(yōu)化及模型建立

1)最優(yōu)PAM 絮凝劑加藥量的優(yōu)化。A1PAM對(duì)于鉆孔粘土泥漿的壓濾脫水改善效果較為理想，最佳加藥量為下限0.5 g，為了進(jìn)一步優(yōu)選A1PAM的最佳加藥量，進(jìn)行加藥量細(xì)化的工作，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 A1PAM 不同加藥量時(shí)泥漿的壓濾脫水曲線

由圖7 可知，當(dāng)A1PAM 的加藥量小于0.08 g時(shí)，泥漿的脫水效果隨著加藥量的增加越來越好;當(dāng)加藥量大于0.08 g 時(shí)，隨著加藥量的繼續(xù)增加，泥漿的脫水效果沒有繼續(xù)得到改善，而是維持在一個(gè)較小的范圍內(nèi)波動(dòng)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，考慮工程應(yīng)用中的實(shí)際效益，A1PAM 最佳加藥量為0.08 g，泥漿的體積為500 mL，即160 g/m3。

2)最優(yōu)PAM 絮凝劑壓濾脫水模型的建立。采用脫水率和時(shí)間的關(guān)系建立相應(yīng)的模型，試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)及模型曲線如圖8所示。

圖8 A1PAM 加藥量為0.08 g 時(shí)泥漿的試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)及模型曲線圖

根據(jù)壓濾脫水試驗(yàn)數(shù)據(jù)及曲線形狀，泥漿的壓濾脫水規(guī)律可以用數(shù)學(xué)模型表達(dá):

當(dāng)t趨于無窮大，e－bt等于0，w等于a，即為泥漿的最初含水率71.53%;當(dāng)t等于0 時(shí)，w等于0。表明此模型符合泥漿的壓濾脫水規(guī)律和泥漿的特性，根據(jù)最優(yōu)壓濾脫水的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合，系統(tǒng)參數(shù)b和c分別為－0.003 45，0.553 36。其模型表達(dá)為

式中:w為脫水率;t為壓濾時(shí)間，min。

由圖8 可見，式(2)能準(zhǔn)確表達(dá)脫水率與壓濾時(shí)間之間的關(guān)系，模型曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合精度很高，較好地反映泥漿的壓濾脫水規(guī)律。研究結(jié)果為泥漿的處理提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。

3 結(jié)論

PAM 絮凝劑適用于鉆孔粘土泥漿并能夠有效改善泥漿脫水性能，最優(yōu)PAM 絮凝劑為相對(duì)分子量1 000 萬的陰離子型PAM 絮凝劑;泥漿的體積為500 mL 時(shí)最佳加藥量為0.08 g，即160 g/m3。

根據(jù)最優(yōu)PAM 絮凝劑泥漿壓濾脫水曲線，提出了脫水率與壓濾時(shí)間的表達(dá)式，建立相應(yīng)的模型，模型表達(dá)式能準(zhǔn)確表達(dá)脫水率與壓濾時(shí)間之間的關(guān)系，模型曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的擬合精度很高，能較好地反映泥漿的壓濾脫水規(guī)律。

以上研究結(jié)果，為鉆孔粘土廢棄泥漿的高效處理提供了可靠的科學(xué)依據(jù)。

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