基于正交試驗(yàn)的泥漿絮凝因素分析

楊春英,張清林，馬洪波

(1.中國(guó)建筑股份有限公司技術(shù)中心，北京　101300；2.中冶天工集團(tuán)有限公司渤海分公司，天津　300301)

?

基于正交試驗(yàn)的泥漿絮凝因素分析

楊春英1,張清林1，馬洪波2

(1.中國(guó)建筑股份有限公司技術(shù)中心，北京101300；2.中冶天工集團(tuán)有限公司渤海分公司，天津300301)

泥漿與絮凝劑的作用受到膨潤(rùn)土、Na2CO3、CMC、砂、重晶石等常用成份制約，采用正交試驗(yàn)方法安排多因素多水平試驗(yàn)，采用單因素分析及公示評(píng)分分析兩種方法闡述泥漿成份對(duì)絮凝效果的影響程度。提出了不同考察指標(biāo)時(shí)絮凝劑的最優(yōu)選型。結(jié)果表明若重點(diǎn)以分離出液體的清凈度和濾產(chǎn)率為考察指標(biāo)時(shí)，選擇粘度較大的陰離子聚丙烯酰胺效果較好；砂對(duì)泥漿各項(xiàng)絮凝結(jié)果起積極作用，重晶石對(duì)控制水質(zhì)清凈度起促進(jìn)作用；膨潤(rùn)土、Na2CO3是影響絮凝效果的兩個(gè)重要因素，CMC為第三因素。

泥漿成份；絮凝；正交試驗(yàn)

泥漿性質(zhì)決定著其發(fā)揮作用的程度與優(yōu)劣，例如在地下連續(xù)墻成槽施工全過(guò)程中泥漿需始終充滿槽段，保證開(kāi)挖槽面的穩(wěn)定、并起懸浮泥渣、冷卻切削機(jī)具的作用，泥漿的性質(zhì)是地下連續(xù)墻成槽成功與否的關(guān)鍵[1]，而決定泥漿性質(zhì)的是材料及配比。工程上根據(jù)使用需求往往要配置不同成份的泥漿。工程結(jié)束后，產(chǎn)生的大量廢棄泥漿，目前認(rèn)為行之有效的方法為絮凝固液分離。雖然絮凝處理泥漿的實(shí)驗(yàn)方法已有報(bào)道：文獻(xiàn)[2]研究了不同類型、不同分子量和不同加藥量對(duì)鉆孔粘土泥漿壓濾脫水性能的影響規(guī)律；文獻(xiàn)[3]研究了復(fù)合絮凝劑對(duì)廢棄泥漿脫水性能的影響；文獻(xiàn)[4]通過(guò)對(duì)鉆孔泥漿中添加陽(yáng)離子聚丙烯酰胺，分析了泥漿pH值、粘度、Zeta電位在絮凝過(guò)程中隨時(shí)間的變化規(guī)律，但絮凝成因復(fù)雜，這些試驗(yàn)和報(bào)道中并沒(méi)有研究到泥漿不同成份及試驗(yàn)環(huán)境對(duì)絮凝效果的影響程度及規(guī)律。

泥漿與絮凝劑的作用受到內(nèi)因(泥漿成份)主要為膨潤(rùn)土、Na2CO3、CMC、砂、重晶石等常用組份。明確泥漿各組成成份對(duì)絮凝效果的影響規(guī)律將有助于快速確定絮凝劑種類及用量，提高工作效率，節(jié)約處理成本。

由于絮凝效果受多種因素制約，各種因素又有多種水平，如果對(duì)每個(gè)因素的每個(gè)水平都相互搭配進(jìn)行全面試驗(yàn)，需要做的試驗(yàn)數(shù)量會(huì)非常龐大，這就要求選擇一種有效方法，在不影響試驗(yàn)效果的前提下，盡可能地減少試驗(yàn)次數(shù)。本文基于正交試驗(yàn)[5-6]理論開(kāi)展研究，分析內(nèi)因?qū)δ酀{絮凝效果的影響規(guī)律。試驗(yàn)所用泥漿來(lái)源為根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)自配置泥漿，各泥漿成份差異為膨潤(rùn)土、Na2CO3、CMC、砂、重晶石的含量不同，各組分均取兩位級(jí)；絮凝劑采用兩種陰離子聚丙烯酰胺，分別為PAM2530、PAM2540，兩者的區(qū)別在于粘度不同。

1　正交試驗(yàn)原則

1) 根據(jù)效果指標(biāo)評(píng)定主要因素與次要因素(通過(guò)位級(jí)指標(biāo)計(jì)算、極差R大小比較及方差分析，分析絮凝的主要影響因素)。

2) 分別列舉試驗(yàn)的濾產(chǎn)率(絮凝后分離出的上清液體積減去絮凝劑用量之后與絮凝前試樣總體積的比值，值大者為佳)之和、分離出的固體含水率(值小者為佳)之和，及水質(zhì)清凈度(采用觀察法，評(píng)分高者為佳)，計(jì)算極差，并進(jìn)行方差分析。

3) 判別試驗(yàn)結(jié)果，輔以公式評(píng)分法。對(duì)考察指標(biāo)進(jìn)行排隊(duì)評(píng)分，即根據(jù)考察指標(biāo)的重要程度對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行公式計(jì)算，例如Z+Y-X等。

2　泥漿絮凝內(nèi)因試驗(yàn)

查明除粘土以外的泥漿成份(膨潤(rùn)土、Na2CO3、CMC、砂、重晶石)對(duì)效果的影響的程度，各因素均取兩位級(jí)，以正交表L8(27)來(lái)安排試驗(yàn)。

泥漿成份位級(jí)見(jiàn)表1，正交實(shí)驗(yàn)方案見(jiàn)表2。

表1　泥漿成份位級(jí)表(粘土含量均為20%)　%

五個(gè)兩位級(jí)因素，絮凝劑種類為陰離子PAM，實(shí)驗(yàn)溫度20 ℃，pH=7。

各試驗(yàn)?zāi)酀{樣本均為500 mL，其中試驗(yàn)N-1至N-8使用絮凝劑陰離子PAM2530進(jìn)行，N-9至N-12使用絮凝劑陰離子PAM2540進(jìn)行。兩種絮凝劑的區(qū)別在于后者較前者粘度更高。

表2　泥漿成份對(duì)絮凝效果影響分析實(shí)驗(yàn)表　%

3　試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1陰離子PAM2540與PAM2530比較

表3是各試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。圖1～圖4分別是兩種絮凝劑的用量、水質(zhì)清凈度、固體含水率、濾產(chǎn)率對(duì)比曲線圖。

試驗(yàn)號(hào)1. 陰離子2530初始絮凝；2. 陰離子2530最佳絮凝；3. 陰離子2540初始絮凝；4. 陰離子2540最佳絮凝圖1　兩種絮凝劑對(duì)不同種類泥漿的用量對(duì)比

試驗(yàn)號(hào)1. 陰離子2530清凈度分值；2. 陰離子2540清凈度分值圖2　兩種絮凝劑對(duì)不同種類泥漿的水質(zhì)清凈度分值對(duì)比

表3　內(nèi)因?qū)π跄Ч挠绊憣?shí)驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)號(hào)1. 陰離子2530含水率；2. 陰離子2540含水率圖3　兩種絮凝劑對(duì)不同種類泥漿的含水率對(duì)比

試驗(yàn)號(hào)1. 陰離子2530濾水率；2. 陰離子2540濾水率圖4　兩種絮凝劑對(duì)不同種類泥漿的濾產(chǎn)率對(duì)比

除試驗(yàn)N-7對(duì)應(yīng)的泥漿兩種絮凝劑效果近似外，其他泥漿的分離出的水質(zhì)清凈度，均為陰離子2540效果明顯優(yōu)良。單獨(dú)以濾產(chǎn)率為考察指標(biāo)，同樣為陰離子2540更勝一籌。

根據(jù)試驗(yàn)含水率對(duì)比，可以確定陰離子2540對(duì)含CMC的泥漿絮凝效果優(yōu)良。

因此，在工程應(yīng)用中，若重點(diǎn)以分離出液體的清凈度和濾產(chǎn)率為考察指標(biāo)時(shí)，選擇粘度較大的陰離子聚丙烯酰胺效果較好。

3.2內(nèi)因結(jié)果分析

3.2.1單因素分析

各因素單獨(dú)分析結(jié)果見(jiàn)表4、表5，其中表4為極差分析值，表5為極差分析結(jié)果。

1) 泥餅含水率分析。含水率值越高，則絮凝分離效果越差。根據(jù)試驗(yàn)極差數(shù)據(jù)，膨潤(rùn)土、Na2CO3、CMC中(Ⅰ-Ⅱ)為負(fù)值，表明這三種因素對(duì)對(duì)控制含水率起負(fù)作用，即含量越高，同樣的試驗(yàn)條件下，絮凝分離出的泥餅含水率越高，效果越差；Na2CO3不同位級(jí)對(duì)應(yīng)的含水率極差絕對(duì)值最大，表面其對(duì)絮凝效果影響最大，膨潤(rùn)土次之，CMC相較于二者小。

砂、重晶石中(Ⅰ-Ⅱ)為正值，表明此兩種因素易于發(fā)育低含水率的泥漿固相物，前者相較于后者作用程度更深，即重晶石雖然不抑制絮凝發(fā)育，但促進(jìn)作用也不明顯。

根據(jù)方差分析F檢驗(yàn)結(jié)果，Na2CO3的F值26.1大于F0.05(1，2)=18.51，為重要因素，其次為膨潤(rùn)土。

因此，綜合極差、方差分析結(jié)果，以含水率為控制指標(biāo)時(shí)，泥漿的各種成份中Na2CO3為重要因素，膨潤(rùn)土次之。

表4　內(nèi)因?qū)嶒?yàn)分析表(單因素極差分析)

表5　內(nèi)因?qū)嶒?yàn)方差分析表

F0.05(1，2)=18.51；F0.01(1，2)=98.5

2　水質(zhì)清凈度分析

與含水率相反，清凈值越高，表明分離出的液體更清澈，絮凝效果越好。膨潤(rùn)土、Na2CO3中(i-ii)為正值，表明這兩種因素對(duì)控制水質(zhì)清凈度起負(fù)作用，即膨潤(rùn)土、Na2CO3含量越高，析出的液體越渾濁。Na2CO3不同位級(jí)對(duì)應(yīng)的水質(zhì)清凈度極差絕對(duì)值也為最大，因此同樣質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，Na2CO3為影響絮凝水質(zhì)效果的主要因素，膨潤(rùn)土次之。

CMC、重晶石、砂三種因素的(i-ii)為負(fù)值，表明幾種成份對(duì)水質(zhì)清凈起積極作用，但很微小。

根據(jù)方差分析，F(xiàn)檢驗(yàn)中同樣為Na2CO3的F值39.38大于F0.05(1，2)=18.51，為主要因素，膨潤(rùn)土的F值15.38接近F0.05(1，2)，對(duì)清凈度也有較為重要的影響。

3　濾產(chǎn)率分析

濾產(chǎn)率為分離出的液體體積與絮凝劑用量的差值與泥漿體積之比。濾產(chǎn)率越高，表明分離出的液體量越大，絮凝效果越好。根據(jù)極差分析，只有砂對(duì)提高濾產(chǎn)率起積極作用，其余各種成份均起抑制作用。CMC較重晶石影響略大，但均不是主要因素。

F檢驗(yàn)結(jié)果表明，Na2CO3、膨潤(rùn)土F值甚至大于F0.01(1，2)=98.5，因此Na2CO3、膨潤(rùn)土為主要因素，二者對(duì)濾產(chǎn)率的影響程度近似。

綜上所述，從整體出發(fā)，膨潤(rùn)土、Na2CO3是影響絮凝效果的兩個(gè)重要因素，因?yàn)榕驖?rùn)土對(duì)泥漿粘度影響大，Na2CO3影響pH值，使得作業(yè)環(huán)境呈堿性。3.2.2公式評(píng)分分析濾產(chǎn)率(代號(hào)Z)及水質(zhì)清凈度(代號(hào)Y)越高，絮凝效果越好；分離出的固體含水率(代號(hào)X)越低，絮凝效果越好，因此公式評(píng)分分析中采用公式：Z+Y-X進(jìn)行綜合分析，極差值為正時(shí)，為負(fù)作用因素，極差絕對(duì)值高者為主要因素。公式評(píng)分極差分析結(jié)果見(jiàn)表6、方差分析見(jiàn)表7。

表6　內(nèi)因?qū)嶒?yàn)分析表(公式評(píng)分分析)

表7　內(nèi)因?qū)嶒?yàn)綜合評(píng)分后方差分析表

極差分析結(jié)果表明，同樣是砂對(duì)絮凝效果起積極作用；重晶石對(duì)水質(zhì)清凈效果的積極促進(jìn)作用，使得公式分析顯示其對(duì)綜合效果起促進(jìn)作用。膨潤(rùn)土、Na2CO3是影響絮凝效果的兩個(gè)重要因素，CMC為第三因素，但對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響不大。

F檢驗(yàn)結(jié)果同樣表明，Na2CO3F值接近F0.01(1，2)=98.5，為第一重要因素，膨潤(rùn)土F值大于F0.05(1，2)=18.51，為第二重要因素。

4　結(jié)論

若重點(diǎn)以分離出液體的清凈度和濾產(chǎn)率為考察指標(biāo)時(shí)，選擇粘度較大的陰離子聚丙烯酰胺效果較好。使用陰離子聚丙烯酰胺2530處理泥漿，分離出的泥漿固體含水率更低，相較于陰離子聚丙烯酰胺2540，前者用量更少，更易于控制成本，因此，在工程應(yīng)用時(shí)可優(yōu)先選擇2530聚丙烯酰胺作為絮凝劑，待分離提取出上清液后，再使用2540聚丙烯酰胺進(jìn)行水處理，提高水質(zhì)清凈度。

砂對(duì)泥漿各項(xiàng)絮凝結(jié)果起積極作用，重晶石對(duì)控制水質(zhì)清凈度起促進(jìn)作用，膨潤(rùn)土、Na2CO3是影響絮凝效果的兩個(gè)重要因素，CMC為第三因素。

[1]羅云峰.地下連續(xù)墻成槽施工中的泥漿性能研究和探討[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2010，32(2)：447-450.

[2]張爍，龐建勇，孫林柱，等.PAM絮凝劑對(duì)鉆孔粘土廢棄泥漿脫水性能的影響[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2014，34(1)：34-38.

[3]饒運(yùn)章，陳楨干，朱鋒.復(fù)合絮凝劑應(yīng)用于廢泥漿脫水的試驗(yàn)研究[J].江西理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，35(3)：29-32.

[4]丁偉文，孫林柱，丁光亞，等.陽(yáng)離子PAM絮凝劑對(duì)鉆孔泥漿絮凝效果的試驗(yàn)研究[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，35(3)：65-68.

[5]北京大學(xué)數(shù)學(xué)系試驗(yàn)設(shè)計(jì)組編.正交試驗(yàn)法[M].北京：科學(xué)普及出版社，1979：8-200.

[6]夏伯忠.正交試驗(yàn)法[M].吉林：吉林人民出版社，1985：15-156.

(責(zé)任編輯：李麗)

Analysis of Mud Flocculation Factors Based on Orthogonal Test

YANG Chun-ying1, ZHANG Qing-lin1, MA Hong-bo2

(1. China State Construction Engrg .Corp. LTD. Technical Center, Beijing 101300, China; 2. MCC TianGong Group Corp. LTD. Bohai Branch, Tianjin 300301, China)

Bentonite, Na2CO3, CMC, sand, barite and other common ingredients restrict the role of mud and flocculants. In this paper, orthogonal test method was adopted for multivariate multilevel test, and the methods of single factor and public ratings were used to illustrate the degree of influence caused by the mud ingredients and flocculant. Optimal selection of flocculant was put forward for different indexes. The results show that if the indexes are fluid cleanliness and filtration yield, anionic polyacrylamide with larger viscosity will be better. The sand plays an active role in flocculation of the mud and barite plays a catalytic role in fluid cleanliness. Bentonite and Na2CO3are two important factors for flocculation, while CMC is the third one.

Mud Ingredients; Flocculation; Orthogonal Test

2015-10-16

楊春英(1985-)，女，河北唐山人，工程師，碩士，研究方向：巖土施工中廢棄泥漿資源化。

X799.1

A

1672-1098(2016)03-0058-06