吹填泥漿絮凝沉降規(guī)律研究

張 濤，艾英缽，范志浩，沙學(xué)軍

吹填泥漿絮凝沉降規(guī)律研究

張 濤1，艾英缽2，范志浩1，沙學(xué)軍1

（1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 巖土工程研究所，江蘇南京 210098）

以溫州洞頭吹填泥漿為研究對(duì)象，利用沉降柱試驗(yàn)，考察吹填泥漿的絮凝沉積規(guī)律。結(jié)果表明，CPAM的加入顯著提高了泥漿的沉降速率，可有效提高泥水分離速率，并使上覆水澄清，一定程度上可增加沉積土的密度、降低沉積土的孔隙比；同時(shí)，根據(jù)吹填泥漿的絮凝沉積規(guī)律，提出以CPAM作為絮凝劑處理吹填泥漿的絮凝沉積模式，將其分為絮凝沉降、快速沉降、慢速沉降、穩(wěn)定四個(gè)階段。

吹填泥漿；絮凝沉降；CPAM；孔隙比

我國(guó)沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，土地的需求量持續(xù)增加，其供求矛盾日漸突出。填海造陸和海涂圍墾是解決沿海城市土地稀缺的有效途徑[1]，為此我國(guó)每年開(kāi)展很多吹填工程項(xiàng)目。由于吹填泥漿含水率高、透水性差、富含粘粒，在吹填工程結(jié)束后需要很長(zhǎng)時(shí)間的自然晾曬，待表面形成硬殼層后才能進(jìn)行后續(xù)的地基處理，這無(wú)疑給工程建設(shè)帶來(lái)了施工周期長(zhǎng)的問(wèn)題[2-5]。為此，有學(xué)者參考水處理行業(yè)中污泥絮凝沉降的方法，對(duì)正在吹填的泥漿同步進(jìn)行處理，通過(guò)改變泥漿土顆粒的帶電性質(zhì)，減弱粘土礦物的吸水性，以及通過(guò)絮凝機(jī)理來(lái)增大絮團(tuán)粒徑，加速泥水分離，以節(jié)省時(shí)間和便于后續(xù)的排水固結(jié)處理[6-7]。本文以吹填泥漿現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)含水率為依據(jù)，按照含水率500%配置試驗(yàn)?zāi)酀{。通過(guò)在吹填泥漿中添加150 mg/L的絮凝劑CPAM[8]，利用室內(nèi)沉降柱試驗(yàn)[9]，考察了其不同沉積時(shí)間對(duì)泥漿沉降的影響，探究了自然沉降和絮凝沉降兩種沉降模式下泥漿的沉降曲線(xiàn)、沉積土的性質(zhì)（含水率、密度、孔隙比）、上覆水的濁度及絮體的粒度組成，明確了吹填泥漿的絮凝沉積規(guī)律，提出了絮凝沉積模式，為吹填工程的設(shè)計(jì)及后續(xù)的地基處理工程提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的吹填淤泥取自浙江省溫州市洞頭縣海涂圍墾吹填區(qū)，淤泥從吹填區(qū)取出后迅速裝入藍(lán)色塑料大桶，桶口雙層密封以保持其原始含水率，然后運(yùn)至研究所，儲(chǔ)存于地下室，溫度和濕度相對(duì)穩(wěn)定，防止水分流失和由于光照發(fā)生的有機(jī)質(zhì)發(fā)酵。試驗(yàn)前，將吹填淤泥中的貝殼等雜質(zhì)挑出，并過(guò)0.1 mm的篩。試驗(yàn)用泥按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[10]進(jìn)行各項(xiàng)基本物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，洞頭吹填淤泥的主要物理指標(biāo)如表1所示。試驗(yàn)用絮凝劑CPAM的配置方法：稱(chēng)3 g的PAM，先加少量的蒸餾水，攪拌溶解后，再加蒸餾水至1 000 g，配制成質(zhì)量濃度為0.3%的溶液。

表1 試驗(yàn)用淤泥的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Tab.1 The basic physical property index of test sludge

1.2 試驗(yàn)方法

將試驗(yàn)用淤泥加入適量水調(diào)配成含水率為500%的泥漿，并攪拌均勻，取10 L注入內(nèi)徑13 cm、高100 cm的有機(jī)玻璃沉降柱中，加入150 mg/L的絮凝劑溶液，攪拌均勻后靜置，觀測(cè)記錄泥面的下沉量。本試驗(yàn)另設(shè)平行樣，在預(yù)測(cè)時(shí)間點(diǎn)開(kāi)閥取樣，進(jìn)行含水率和粒組的測(cè)定，取樣時(shí)間分別為5、10、20、30 min、4 h、1、2……7 d。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 泥面的絮凝沉降曲線(xiàn)

吹填泥漿的絮凝沉降曲線(xiàn)如圖1所示，從圖中可以看出，CPAM添加前后，沉降曲線(xiàn)形狀發(fā)生了顯著變化。CPAM添加前，曲線(xiàn)形狀與常規(guī)壓縮試驗(yàn)中S-lgt曲線(xiàn)相似，呈反“S”型；添加CPAM后，沉降初期的直線(xiàn)段變得極短，沉降中期的曲線(xiàn)斜率增大，泥漿相對(duì)較早地進(jìn)入沉積穩(wěn)定階段。從圖中也可以看出，自然沉積和絮凝沉積兩種沉積情況下，最終的沉降量不一致，絮凝沉積下的沉降量要大于自然沉積下的。這是因?yàn)樾跄齽〤PAM的分子鏈上帶有正電荷活性基團(tuán)，它可與帶負(fù)電荷的有機(jī)物發(fā)生電中和、吸附架橋作用，從而使部分有機(jī)物得到去除[11]。另外，相較于自然沉積形成的絮團(tuán)，吹填泥漿絮凝沉積形成的絮團(tuán)孔隙要小，絮團(tuán)密度要大，所以在底部堆積而成的沉積土的高度要小。因此，兩種沉積情況下的沉降量表現(xiàn)出不一致。

圖1 吹填泥漿絮凝沉降曲線(xiàn)Fig.1 Flocculation settlement curve of hydraulic-dredged slurry

2.2 沉積土性質(zhì)

根據(jù)多孔同時(shí)取樣測(cè)試得到含水率的數(shù)據(jù)，換算成相應(yīng)的密度、孔隙比。由于泥漿的自然沉積固結(jié)過(guò)程均在水中運(yùn)動(dòng)，可假設(shè)泥漿的飽和度Sr=100%，則泥漿可看作為固、液兩相體。含水率與孔隙比的關(guān)系為e = ω?Gs，密度與含水率的關(guān)系為，式中：e 為孔隙比；ω 為含水率；Gs為土粒比重；ρw為水的密度，g/cm3； ρ為泥漿的密度，g/cm3。

泥漿自然沉積和絮凝沉積兩種沉積模式下，不同深度處沉積土的含水率、密度、孔隙比隨時(shí)間的變化情況如圖2到圖4所示。從圖中可以看出，自然沉積和絮凝沉積兩種情況下，沉積淤泥土均存在明顯的含水率分層分布現(xiàn)象。越靠近沉降柱底部，含水率越低，這是由于泥漿顆粒自由沉降中，大顆粒的沉降速率快于小顆粒的沉降速率，沉降結(jié)束后，將在沉積柱底部形成以粗顆粒為主的高密度淤泥沉淀層，由于顆粒之間的孔隙較大，自由水能夠比較容易地排出，因而含水率比較低， 沉積層比較密實(shí)。而沉速較慢的小顆粒，在沉降結(jié)束后，將停留在大顆粒沉積層的上部，由于顆粒太細(xì)，顆粒之間孔隙較小，自由水排除困難，造成了上部含水率明顯地高于下部。這和前人研究得到的泥漿含水率沿沉降柱垂直方向梯級(jí)分布規(guī)律一致。

與自然沉積分層現(xiàn)象相比，由于絮凝作用的影響，添加PAM后泥漿含水率的分層現(xiàn)象減小，各層含水率比較接近。這是因?yàn)樵谔砑覲AM后，由于其吸附架橋作用，使得淤泥顆粒更易凝聚成大絮團(tuán)，絮團(tuán)之間又相互粘結(jié)，致使泥漿絮團(tuán)體成為一個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的整體而下沉，各分層的孔隙相差較小，含有較少的自由水，因而泥漿分層含水率也相差較小。

通過(guò)泥面的高度變化，計(jì)算出沉降柱中泥面以下泥漿的平均含水率，與各分層的含水率進(jìn)行比較，可以得知：在沉降第1 d，泥漿的平均含水率下降迅速，基本可降至初始含水率的一半，隨著沉降的繼續(xù)而減緩，但是相對(duì)于各層的含水率變化幅度，仍然較大，表現(xiàn)在圖中為含水率變化曲線(xiàn)斜率大于各分層含水率的斜率。 同時(shí)，對(duì)圖中平均含水率和分層含水率進(jìn)行比較可以看出，在自然沉積剛開(kāi)始時(shí)，泥漿的平均含水率介于最下方兩個(gè)取泥口的含水率之間，隨著沉降進(jìn)行，逐漸低于最低取泥口的含水率。絮凝沉積時(shí)，其平均含水率已接近或低于最低取泥口的含水率直到沉降結(jié)束。

圖2 泥漿沉積土含水率隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.2 Relationship between water content and time of muddeposited soil

從圖3可以看出，CPAM 絮凝劑的添加，能在一定程度上減小吹填泥漿的孔隙比。吹填泥漿的孔隙比在快速沉降階段迅速減小，隨著時(shí)間的推移，最終趨于穩(wěn)定。在自由沉積時(shí)，吹填泥漿未能形成足夠的絮凝體，因而沉降緩慢，沉積土孔隙比達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要的時(shí)間較長(zhǎng)，最終孔隙比較大；而當(dāng)添加絮凝劑CPAM 后，其通過(guò)吸附架橋、電中和作用使泥漿顆粒聚集成團(tuán)，泥水分離速度加快，沉積土的孔隙比能更快地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，最終孔隙比較小。

圖3 泥漿沉積土孔隙比隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.3 Relationship between void ratio and time of mud-deposited soil

圖4 泥漿沉積土密度隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.4 Relationship between density and time of mud-deposited soil

從圖4可以看出，絮凝劑CPAM的加入，一定程度上可以增加吹填泥漿的密度。吹填泥漿的密度在快速沉降階段迅速增加，隨著時(shí)間的推移，最終趨于穩(wěn)定。在自由沉積時(shí)，吹填泥漿未能形成足夠的絮凝體，因而沉降緩慢，沉積土密度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)需要的時(shí)間較長(zhǎng)，最終密度較低；而當(dāng)添加絮凝劑CPAM 后，其通過(guò)吸附架橋、電中和作用使泥漿顆粒聚集成團(tuán)，泥水分離速度加快，沉積土的密度更快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，最終密度較高。

2.3 吹填泥漿絮凝沉積過(guò)程中的粒組變化

利用多孔分層取樣測(cè)得含水率的同時(shí)，為測(cè)得不同時(shí)間各個(gè)沉積深度處泥漿土顆粒的體積含量粒度組成變化提供了條件。取沉積層高度為10、20、30、40、50 cm，繪制吹填泥漿在自然沉降和絮凝沉降兩種條件下，試驗(yàn)前15 min的粒組變化如圖5、圖6所示。

由圖5可以看出，初始含水率為500%的吹填泥漿自然沉積時(shí)，圖中對(duì)應(yīng)高度處5個(gè)沉積層中泥漿土顆粒變化量的粒度組成變化在不同高度和不同時(shí)間上均無(wú)明顯變化。這是因?yàn)闇刂荽堤钅酀{的黏粒含量較高，多數(shù)泥漿土顆粒的重力小于沉降阻力，顆粒之間在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)處在絮凝懸浮狀態(tài)。另外，其它少數(shù)自重大于沉降阻力的泥漿土顆粒粒組，其沉速基本相同，顆粒之間無(wú)明顯分選現(xiàn)象，每層泥漿中土顆粒增加量的粒度組成基本相同。

當(dāng)向泥漿添加150 mg/L的CPAM時(shí)，泥漿土顆粒向下沉積趨勢(shì)明顯，上部沉積層的土顆粒含量減少，底部沉積層的土顆粒含量增加。由圖6可以看出，試驗(yàn)在沉積進(jìn)行的整個(gè)過(guò)程中，最底部沉積層的土顆粒增加量一直以30～200 μm的顆粒為主，原因是CPAM添加量的進(jìn)一步增加，使泥漿中大量5～30 μm的土顆粒在沉降15 min內(nèi)也在發(fā)生絮凝，絮凝現(xiàn)象相對(duì)更加廣泛，絮凝作用相對(duì)更強(qiáng)，絮凝成團(tuán)的粒徑也更大。然而，由于粗顆粒的快速堆沉積，產(chǎn)生較強(qiáng)的向上回流作用阻礙了30～75 μm的土顆粒沉積。因此，形成沉積物的底部沉積層的粗顆粒含量較大，而30～75 μm的土顆粒有滯后現(xiàn)象。

圖5 泥漿自然沉積下的體積含量粒度組成Fig.5 The volume particle size composition under the mud natural sedimentation

圖6 泥漿絮凝沉積下的體積含量粒度組成Fig.6 The volume particle size composition under the mud flocculation sedimentation

從圖5、圖6中可以看出，在沉降15 min內(nèi)，自然沉積和絮凝沉積兩種條件下，均發(fā)生了不同程度的絮凝，但自然沉降粒徑分布變化相對(duì)絮凝沉積要小很多。這是因?yàn)闇刂荽堤钅酀{的黏粒含量很高，絮凝劑CPAM恰恰又對(duì)細(xì)粒徑的泥漿土顆粒的作用效果很好。因此，在絮凝劑CPAM的吸附架橋和吸附電中和作用下，細(xì)小土顆粒不斷凝聚成團(tuán)，不斷形成粗顆粒，繼而粗顆粒不斷下沉。由于不同沉積深度處絮凝效果略有差異，且粗顆粒的下沉?xí)a(chǎn)生向上回流，所以沉降過(guò)程中產(chǎn)生了微弱的顆粒分選現(xiàn)象。

2.4 吹填泥漿上覆水濁度的變化

兩種沉降模式下，吹填泥漿上覆水濁度的變化如表2所示。結(jié)果顯示：吹填泥漿在自然狀態(tài)下沉降30 min后，上覆水的濁度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于 同期絮凝沉降上覆水濁度94.8 NTU，在沉降1 d時(shí)亦是如此，說(shuō)明CPAM絮凝劑的加入，能有效改變泥水狀態(tài)，使吹填泥漿顆粒聚集成團(tuán)，與水快速分離，使上覆水更快澄清。根據(jù)上覆水的濁度，泥漿的界面沉降可以分為混泥界面沉降和清泥界面沉降兩個(gè)階段。當(dāng)上覆水中仍有細(xì)顆粒以懸浮狀態(tài)存在時(shí)，界面的沉降屬于混泥界面沉降。相較于自然沉降，添加量為150 mg/L時(shí)的絮凝沉降在1 d時(shí)，其濁度去除率就已達(dá)到67.4%，絮凝沉降在時(shí)間上能夠更快地進(jìn)入清泥界面沉降階段。

表2 不同沉降模式下上覆水的濁度Tab.2 Turbidity of overlying water under different sedimentation modes

2.5 吹填泥漿的絮凝沉積模式

根據(jù)溫州吹填泥漿的絮凝沉降規(guī)律，提出以CPAM作為絮凝劑處理吹填泥漿時(shí)的絮凝沉積模式。與自然沉積情況不同的是，CPAM高分子的加入大大促進(jìn)了土顆粒的絮凝階段，且試驗(yàn)前的強(qiáng)烈攪拌給予顆粒之間更多的碰撞接觸機(jī)會(huì)，CPAM分子與吹填泥漿顆粒的反應(yīng)迅速且充分，凝聚成較大的絮團(tuán)，絮團(tuán)又相互作用形成更大的絮體。在試驗(yàn)開(kāi)始后，伴隨著土顆粒的絮凝，泥漿開(kāi)始進(jìn)入沉降階段，吹填泥漿在絮凝沉降模式下可分為四個(gè)階段：絮凝沉降階段、快速沉降階段、慢速沉降階段、穩(wěn)定階段。

絮凝沉降階段：當(dāng)試驗(yàn)前的攪拌結(jié)束后，泥漿土顆粒的絮凝并未停止，絮團(tuán)之間的凝聚現(xiàn)象仍在發(fā)生。該階段水中的淤泥顆粒受到自重、水的阻力和絮凝劑的絮凝作用影響，當(dāng)淤泥土顆粒受到的自重力、水的阻力和絮凝作用力達(dá)到平衡時(shí)，淤泥土顆粒做懸浮運(yùn)動(dòng)，否則，土顆粒進(jìn)入低速啟動(dòng)沉降狀態(tài)。

快速沉降階段：該階段的主要特點(diǎn)是等速率沉降。斜長(zhǎng)直線(xiàn)段的出現(xiàn)主要是由于CPAM絮凝劑形成的絮團(tuán)較大，絮體濃度較低，在沉降過(guò)程中，顆粒之間互不碰撞，絮體呈單顆粒狀態(tài)，各自獨(dú)立的完成沉降過(guò)程，此時(shí)能看到清晰的泥水分界面，顆粒以整體狀態(tài)下沉，水分被排擠至上層，泥面表現(xiàn)上為等速率沉降現(xiàn)象。

慢速沉降階段：隨著時(shí)間的推移，吹填泥漿經(jīng)過(guò)等速沉降后，速度降低。該階段的主要特點(diǎn)為：速率降幅大，泥面沉降高度變化小。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的沉降過(guò)程，絮體顆粒之間開(kāi)始接觸，并相互支撐，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并相互堆積形成無(wú)數(shù)絮體。由于絮體在顆粒重力的作用下逐漸壓縮、絮體位置重新排列，顆粒之間相互關(guān)系不再發(fā)生大的變化，但是此時(shí)絮體的壓縮不會(huì)增加顆粒之間的接觸應(yīng)力。

穩(wěn)定階段：顆粒之間、顆粒與水之間達(dá)到穩(wěn)定平衡狀態(tài)，絮體顆粒間傳遞有效應(yīng)力，由于自重的影響，形成的土中產(chǎn)生超孔隙水壓力，隨著超孔隙水壓力的消散，有效應(yīng)力增加，絮凝土表現(xiàn)為一個(gè)整體，以整體的形式發(fā)生固結(jié)并下沉，在短時(shí)間內(nèi)的位移非常小。此時(shí)，泥漿分為上下兩個(gè)部分，上部泥漿仍處在慢速沉降階段，下部泥漿進(jìn)入穩(wěn)定階段，也就是泥漿轉(zhuǎn)化為土的開(kāi)始。

3 結(jié)論

1）CPAM在促進(jìn)泥漿沉降和泥水快速分離方面有很好的效果，能夠在短時(shí)間內(nèi)形成較大、較密實(shí)的絮體，更快地進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，為硬殼層的快速形成提供了條件，從而更快地進(jìn)入吹填工程后期的排水固結(jié)處理階段。

2）自然沉積和絮凝沉積兩種模式下，上覆水的濁度和沉積土的性質(zhì)表現(xiàn)出較大的差異。相比自然沉積，吹填泥漿在相同沉降時(shí)間的絮凝沉積模式下，上覆水的濁度減小得更快，沉積土的含水率會(huì)更低，密度更小，孔隙比更大，土體的性質(zhì)相對(duì)較好。

3）在充分?jǐn)嚢柘?，吹填泥漿與CPAM高分子發(fā)生絮凝反應(yīng)。攪拌結(jié)束后，泥漿迅速沉降，土顆粒與水分離，沉降過(guò)程分為四個(gè)階段，分別為：絮凝沉降階段、快速沉降階段、慢速沉降階段、穩(wěn)定階段。

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Study on the flocculation sedimentation law of hydraulic-dredged Slurry

ZHANG Tao1，AI Yingbo2，F(xiàn)AN Zhihao1，SHA Xuejun1
(1. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering, Hohai University, Jiangsu Nanjing, 210098, China; 2. Research Institute of Geotechnical Engineering, ohai University, Jiangsu Nanjing, 210098, China)

By using the sedimentation column test, the flocculation sedimentation law of the hydraulicdredged slurry is investigated with the case of Dongtou of Wenzhou. The results show that the addition of CPAM can increase the settling rate of slurry, improve the separation rate of slurry, and make the overlying water clear, which can increase the density of sedimentary soil in some extent, and reduce the void ratio of sedimentary soil; At the same time, according to the flocculation sedimentation law of hydraulic-dredged slurry, the flocculation sedimentation model of CPAM as flocculant to treat the dredger filled slurry is put forward, which is divided into four stages of flocculation sedimentation, rapid settling, slow settling and stabilization.

hydraulic-dredged slurry; flocculation sedimentation; CPAM; void ratio

TU411

A

1673-9469（2017）03-0050-06

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.03.011

2017-07-06

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（2015B17714）

張濤（1992-），男，山西臨汾人，碩士，從事環(huán)境巖土方面的研究。