泥水盾構(gòu)廢棄泥漿絮凝脫水試驗研究

李 旭

(中鐵十一局集團 城市軌道工程有限公司,湖北 武漢 430076)

廣州地鐵8號線亭崗—白云湖區(qū)間泥水盾構(gòu)施工過程中由于泥漿量大，主要采用APN型壓濾機將高相對密度、高黏度泥漿進行脫水，形成堆積性較好的泥餅方便汽車運輸。由于該壓濾設(shè)備泥漿處理能力有限，遠遠不能滿足盾構(gòu)掘進的進度要求。目前國內(nèi)常見的泥漿處理方式主要有劣化泥漿再調(diào)制[1]、自然沉淀[2]、泥漿槽罐車外運[3]、利用離心機脫水達到固液分離[4]。上述4種方法或多或少存在環(huán)境污染以及效率低下的問題。為解決效率低下的問題學者們研究了絮凝劑使泥漿快速脫水。丁偉文等[5]通過添加不同分子量的陽離子聚丙烯酰胺研究不同pH值、黏度泥漿的絮凝過程；師雯潔等[6]分析了不同絮凝劑類型、攪動快慢及時間、摻量不同時泥漿的絮凝效果；梁止水等[7]著重分析了絮凝劑的組合類型，研究了泥漿的泥水分離效率。何文峰等[8]運用多種物理機械組合方式對泥漿進行了處理。上述文獻對于泥漿的處理起到了一定的效果，但對于復合絮凝劑、不同相對密度及黏度泥漿的絮凝效果等的研究甚少。

由于摻入有機絮凝劑聚丙烯酰胺(Polyacrylamide，PAM)的泥漿經(jīng)過PAM吸附架橋、表面吸附、增強等一系列物理和化學反應，能夠使泥漿中顆粒形成聚集體而沉降[9]，而摻入泥漿中的粉煤灰?guī)д姾傻匿X離子、鐵離子進入泥漿膠體體系中起到了中和作用，能夠促使膠體脫穩(wěn)凝聚[10]，因此本文采用粉煤灰、無機絮凝劑聚氯化鋁(Polyaluminium Chloride，PAC)、不同分子量的PAM開展泥漿絮凝脫水試驗，分析泥漿脫水量及堆積效果，并提出有效措施，以指導工程施工。

1 試驗原料

試驗泥漿來自泥水盾構(gòu)隧道施工現(xiàn)場，盾構(gòu)區(qū)間巖性以淤泥質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土為主，由于泥水分離設(shè)備二級旋流器篩分粒徑能力有限，粒徑<20 μm的細顆粒形成的廢棄泥漿難以處理。泥漿外觀呈灰色，分散性好，膠體率高，相對密度1.27，黏度26 s，膠體率97.3%，pH值7.8。

2 試驗過程及結(jié)果

2.1 摻入單一不同分子量PAM泥漿的絮凝效果

分別采用分子量為500萬，1 000萬，1 800萬 的陰離子PAM依次開展試驗，投放方式為固體顆粒投放，一邊攪拌一邊投放。取9個規(guī)格為500 mL的燒杯，倒入泥漿樣品，依次編號為1—9。泥漿樣品編號及PAM加入量見表1。3種不同分子量PAM分3次試驗。

表1 泥漿樣品編號及PAM加入量

在上述試驗過程中除了絮凝劑加入量不同外，其他量不變，每1組分3次進行取平均值。試驗時一邊攪拌一邊緩慢加入PAM并開始計時。泥漿及堆積效果見圖1。

圖1 泥漿及堆積效果

從圖1可以得出：未添加PAM與添加PAM后泥漿形態(tài)發(fā)生明顯變化。由于本身泥漿膠體率高，未摻入PAM的泥漿很難通過自身沉淀達到泥水分離的效果，堆積性差。摻入PAM泥漿絮凝后堆積性好，能夠滿足汽車外運要求。

當絮凝后的泥漿出現(xiàn)絮團且不再增多時再靜置2 h，利用試驗吸水球?qū)⑿跄竽酀{上清液吸入量筒量取體積，然后將各燒杯內(nèi)絮凝后的泥漿傾倒出來觀察堆積效果并測量堆積高度，通過上清液體積與堆積高度判斷絮凝效果，確定最佳投放量。試驗結(jié)果見圖2。

圖2 摻入不同分子量PAM泥漿的絮凝效果

從圖2可以得出：①當PAM分子量相同時隨著摻量增加絮凝后產(chǎn)生的上清液體積呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。堆積高度先持續(xù)增大而后基本保持不變。這是因為濃縮泥漿中水分減少使得流動性減弱，導致堆積高度逐漸增大。②當PAM摻量相同但分子量不同時絮凝效果也不同，達到同等絮凝效果(上清液體積最大)時分子量越大摻入的PAM質(zhì)量越小。③在摻量相同的情況下分子量大的PAM泥漿堆積性更好，但隨著摻量的增大上清液體積與堆積高度并非一直增加，說明PAM摻量過大時絮凝作用得到抑制。這是因為摻入的PAM分子量越高，分子溶解時間也越長，溶解過程中吸附的顆粒越多，故絮凝效果也越好。但PAM過量的摻入導致本身難溶，嚴重影響絮凝效果甚至起到相反的作用。④分子量500萬PAM摻入質(zhì)量為4 g時上清液體積24.1 mL，分子量 1 000 萬PAM摻入質(zhì)量為2 g時上清液體積25.0 mL。說明低分子量的絮凝劑通過增加摻量也能夠達到與高分子量相同的絮凝效果。綜上所述，7#絮凝效果最佳，即500 mL泥漿中添加3 g PAM為最佳摻量。

2.2 摻入復合絮凝劑泥漿的絮凝效果

絮凝劑的種類多樣，絮凝原理不盡相同。為了探索復合絮凝劑對泥漿的絮凝效果，現(xiàn)分析PAC+PAM,PAM+粉煤灰的絮凝效果。在復合絮凝劑PAC+PAM的試驗中，PAM起到的主要作用與前述試驗差距較小，由此得出PAC對本泥漿的絮凝效果不明顯。試驗主要分析PAM +粉煤灰復合絮凝劑對泥漿絮凝效果的影響。為減少不同分子量及摻量的試驗次數(shù)，以500萬分子量PAM+粉煤灰為主開展絮凝脫水試驗。PAM(簡寫為P)，粉煤灰(簡寫為粉)摻量及順序見表2，試驗結(jié)果見圖3。

表2 復合絮凝劑摻量及順序

圖3 摻入PAM及粉煤灰復合絮凝劑泥漿的絮凝效果

由圖2(a)與圖3可知：①當PAM分子量和摻量一定時摻入粉煤灰，摻入粉煤灰泥漿的絮凝效果要優(yōu)于未摻入粉煤灰泥漿。②粉煤灰摻量不變且增加PAM摻量時上清液體積逐漸減少，堆積高度也基本呈減少趨勢。③PAM摻量不變且增加粉煤灰摻量時有2組(3#,6#,9#一組，2#,5#,8#一組)上清液體積逐漸減少，1組(1#,4#,7#)上清液體積先減少后增大，堆積高度也逐漸降低。由此可見無論是未摻粉煤灰的單一絮凝劑還是摻入粉煤灰和PAM的復合絮凝劑，絮凝效果并不是隨著摻量的增多而增大，相反當摻量達到一定程度后，隨著摻量的增加絮凝效果會適得其反。④從樣品10#，11#，12#的絮凝效果來看，摻量的增加并不能加強絮凝效果，因此最佳摻量方案為2 g粉煤灰+2 g PAM。

采用同樣的方法對比了不同分子量PAM與粉煤灰復合絮凝劑的試驗結(jié)果，都驗證了前述試驗結(jié)果的正確性。

圖4為樣品4#,11#，7#和12#泥漿絮凝后堆積效果。

圖4 絮凝后堆積效果

由圖4可以得出：調(diào)整PAM與粉煤灰的摻入順序?qū)π跄Ч麜a(chǎn)生一定的影響。即先摻入粉煤灰后摻入PAM泥漿的上清液體積大于先摻入PAM后摻入粉煤灰泥漿，但兩者絮凝效果差別不大；先摻入粉煤灰后摻入PAM泥漿的堆積高度亦大于先摻入PAM后摻入粉煤灰泥漿。就摻入順序而言，先摻入粉煤灰泥漿的絮凝效果優(yōu)于先摻入PAM泥漿。

2.3 不同相對密度和黏度泥漿的絮凝效果

前期試驗主要針對同一種泥漿的絮凝效果做試驗，而在實際施工過程中，泥漿相對密度和黏度不斷發(fā)生變化，相對密度和黏度高的泥漿對實際施工造成嚴重的困擾。為此現(xiàn)針對施工中相對密度大、黏度高泥漿開展試驗研究。試驗泥漿同樣取自于盾構(gòu)施工現(xiàn)場，測得其相對密度1.34，黏度36 s，膠體率98.6%，pH值為7.4。泥漿相對密度越大其含水率越低,PAM主要通過對泥漿實現(xiàn)脫水達到固液相對分離的效果。為了排除其他因素的影響，試驗采用與前期試驗相同的單一絮凝劑(分子量500萬PAM，參見表1)。試驗結(jié)果見圖5。

圖5 相對密度大、黏度高的不同PAM摻量泥漿的絮凝效果

對比圖2(a)與圖5可以看出：PAM在泥漿中的絮凝效果差別明顯，主要表現(xiàn)在上清液體積相差大。圖5中上清液體積峰值(23.2 mL-1.5 g PAM)較圖2(a)中(28.8 mL -2.5 g PAM)出現(xiàn)得更早即用量更少，但體積峰值低，圖5中堆積高度的峰值同樣先出現(xiàn)且可堆積性強。分析原因主要是相對密度大、黏度高的泥漿本身含水量少，流動性弱，當摻量超過一定程度后，上清液體積同樣呈現(xiàn)下降趨勢，堆積高度則基本不變。由此可見PAM對于相對密度大、黏度高泥漿的泥水分離效果比圖2(a)中相對密度小、黏度低泥漿明顯。

3 結(jié)論

1)有機絮凝劑PAM的絮凝效果優(yōu)于無機絮凝劑PAC，摻加單一絮凝劑時高分子量PAM泥漿的絮凝效果優(yōu)于低分子量PAM泥漿。在一定量的范圍內(nèi)低分子量PAM通過增加摻量能達到與高分子量PAM相同的絮凝效果。當超過最佳摻量繼續(xù)增加則會產(chǎn)生相反作用。

2)復合絮凝劑的絮凝作用優(yōu)于單一絮凝劑，復合絮凝劑的投放順序也會對絮凝效果有一定的影響。試驗泥漿先摻入粉煤灰后摻入PAM絮凝效果更佳。同樣當摻量達到一定程度后繼續(xù)增加PAM，由于其本身難溶絮凝效果會適得其反。

3)適當提高泥漿的相對密度及黏度能夠有效控制成本。最佳摻量并非一成不變，對于不同組分的泥漿則需根據(jù)實際情況不斷調(diào)整以達到最佳效果。

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