氫氧化鈣與聚丙烯酰胺對高含水率泥漿固結(jié)的影響

，，

(1.上海大學(xué) 土木工程系, 上海 200444；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院, 長沙 410083)

1 研究背景

鉆井施工、地鐵隧道盾構(gòu)施工及地下連續(xù)墻施工中常排放出大量高含水率工程泥漿，泥漿在施工過程中起著平衡土壓力、冷卻鉆具、攜帶鉆渣等作用,但施工結(jié)束后卻成為廢棄物。由于泥漿含水率高、細(xì)顆粒含量大、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點導(dǎo)致其處置困難，亂排亂放會帶來嚴(yán)重環(huán)境問題。隨著環(huán)境巖土工程的發(fā)展，大批量工程廢漿處理成為巖土工程研究領(lǐng)域的一個熱點。有專家學(xué)者針對工程廢漿處理進(jìn)行了研究并取得一定進(jìn)展。李沖等[1]研究了陰離子型聚丙烯酰胺(Anionic Polyacrylamidle，簡稱APAM)不同分子量、APAM溶液添加量、廢漿pH值及與聚合氯化鋁(PAC)混和使用等對工程廢漿絮凝效果的影響。張欣喜等[2]比較了有機(jī)絮凝劑與無機(jī)絮凝劑對鉆孔灌注樁廢棄泥漿絮凝脫水效果，并分析了藥劑對廢漿的絮凝機(jī)理。鮑樹峰等[3]提出了真空預(yù)壓聯(lián)合化學(xué)加固處理高黏粒含量吹填淤泥的思路，并結(jié)合室內(nèi)模型試驗進(jìn)行了研究，取得良好的處理效果。劉禹楊等[4]對疏浚底泥摻外加劑后進(jìn)行了真空預(yù)壓脫水試驗，證明了外摻劑聯(lián)合真空預(yù)壓法處理高含水率軟土是可行的。

但是，化學(xué)藥劑對處理廢漿的效果存在差異，需要對藥劑改良后廢漿排水固結(jié)特性進(jìn)行研究。此前，武亞軍等[5-6]對添加含有機(jī)絮凝劑APAM溶液的廢漿進(jìn)行了真空預(yù)壓處理研究，取得良好的效果，但是沒有針對一維壓縮固結(jié)與真空預(yù)壓固結(jié)2種加載方式下廢漿的固結(jié)特性變化規(guī)律展開探究。而高含水率廢漿的脫水過程本質(zhì)上為軟土的排水固結(jié)過程，添加劑對廢漿的改良作用本質(zhì)上體現(xiàn)為軟土的固結(jié)特性的變化。因此，本文通過一維固結(jié)試驗與真空預(yù)壓固結(jié)模型試驗，對2種加載方式下改良廢漿固結(jié)特性變化規(guī)律進(jìn)行研究，對各自的作用機(jī)理進(jìn)行闡述和改良后廢漿的固結(jié)特性進(jìn)行對比分析。通過一維固結(jié)試驗，觀察氫氧化鈣與APAM溶液在廢漿中的最佳添加量，并對氫氧化鈣改良廢漿排水固結(jié)效果和添加APAM溶液改良效果進(jìn)行對比。

2 試驗材料及藥劑

廢漿取自上海市靜安區(qū)某鉆孔灌注樁施工工地，漿液基本性質(zhì)見表1。顆分試驗結(jié)果如圖1所示，廢漿中粒徑<0.075 mm顆粒含量占91.21%，粒徑<0.005 mm的顆粒占22.73%，砂粒含量較低，主要以粉、黏粒為主，含水率高。

表1 原狀廢漿基本性質(zhì)Table 1 Properties of original waste slurry

圖1 原狀廢漿顆分曲線Fig.1 Grain distribution of original waste slurry

本文選用的無機(jī)改良劑采用市場易購買的食品級氫氧化鈣。有機(jī)絮凝劑采用APAM，分子量為2 000萬。根據(jù)筆者所在課題組研究結(jié)果[5]，APAM試驗前配置成質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%的水溶液。氫氧化鈣與APAM溶液添加時均按照占原狀泥漿的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)進(jìn)行添加。

3 一維固結(jié)試驗

3.1 試驗儀器和步驟

試驗器材主要包括：燒杯、攪拌棒、烘箱、GJZ-2雙聯(lián)中壓固結(jié)儀(采用4 cm高的環(huán)刀)、精度0.01 g的電子天平。試驗時，先用燒杯取一定量的廢漿，在其中加入藥劑 (5種質(zhì)量百分比的藥劑添加量如表2所示)，然后攪拌5 min再靜置48 h，使廢漿與絮凝劑充分反應(yīng)，由于經(jīng)48 h靜置后泥漿存在上清液，為保證固結(jié)試驗前廢漿含水率一致，所以將其含水率統(tǒng)一調(diào)至110%，再分層填入固結(jié)儀的環(huán)刀中。固結(jié)試驗初級荷載12.5 kPa，加荷率為1，最大荷載為400 kPa，試驗按照《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—1999)[7]中的規(guī)定進(jìn)行。

表2 藥劑添加量Table 2 Dosages of reagents

3.2 試驗結(jié)果與分析

土的固結(jié)系數(shù)是反映土體固結(jié)快慢的一個重要指標(biāo)，固結(jié)系數(shù)越大，在其他條件相同的情況下，土體內(nèi)水分排出速度越快，土的固結(jié)沉降速度也越快[8]。

3.2.1 氫氧化鈣對廢漿固結(jié)特性的影響

本文采用時間平方根法[8]計算固結(jié)系數(shù)，根據(jù)廢漿固結(jié)系數(shù)計算滲透系數(shù)，繪制了e-lgp,Cv-p,k-p曲線，添加氫氧化鈣的試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 氫氧化鈣對廢漿固結(jié)特性的影響Fig.2 Effect of calcium hydroxide on consolidation performance of waste slurry

從圖2(b)來看，原狀廢漿與經(jīng)氫氧化鈣改良廢漿固結(jié)系數(shù)隨著荷載增加而增大。謝新宇等[9]提出了飽和軟土固結(jié)系數(shù)3種變化規(guī)律：①隨著荷載增大而增大；②隨著荷載增大而減??；③隨著荷載增大先減小后增大。高嶺土、鈣蒙脫土和馬斯納黏土固結(jié)系數(shù)隨荷載變化分別對應(yīng)以上3種規(guī)律。本文廢漿的固結(jié)系數(shù)變化規(guī)律與高嶺土的相似。摻入氫氧化鈣的廢漿的固結(jié)系數(shù)均比原始廢漿的固結(jié)系數(shù)要大，尤其氫氧化鈣添加量在0.2%～0.8%范圍內(nèi)增加幅度更明顯。主要原因為氫氧化鈣能電離出高價的Ca2+離子，由叔采兒-哈迪(Schulze-Hardy)法則與雙電層理論[8，10]，高價陽離子置換土顆粒表面低價陽離子，土顆粒反離子層減薄，滲透斥力下降，廢漿滲透性提高，孔隙水易于消散，荷載作用下廢漿易于排水固結(jié)穩(wěn)定；同時由于Ca(OH)2具有橋連作用，能將帶負(fù)電的土顆粒吸附絮凝而增大[11-12]，廢漿孔隙增大,滲透性提高。在相同荷載下，加入氫氧化鈣能提高廢漿固結(jié)系數(shù)。特別是添加比例為0.8%時，其固結(jié)系數(shù)約是原始廢漿的3～4倍，有效加快了廢漿的排水固結(jié)速率。但是Ca(OH)2添加比例過大時，廢漿滲透性下降，廢漿固結(jié)系數(shù)也隨之減小。

真空預(yù)壓處理軟土?xí)r，軟土的滲透性對排水固結(jié)效果有重要影響。圖2(c)為滲透系數(shù)與荷載之間的關(guān)系。原狀廢漿的滲透系數(shù)較低，加載過程中變化范圍為1.69×10-6～0.75×10-7cm/s，隨荷載增大逐漸減小。加入氫氧化鈣后，廢漿的滲透系數(shù)在較低荷載下(12.5～100 kPa)最大能夠提高3倍以上，在較高荷載下(200～400 kPa)提高不明顯。實際工程中，真空預(yù)壓荷載為80～90 kPa，位于低荷載水平范圍。因此，加入氫氧化鈣能夠有效改善廢漿的滲透性。

3.2.2 APAM對廢漿固結(jié)特性的影響

添加APAM的試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 APAM對廢漿固結(jié)特性的影響Fig.3 Effect of APAM content on consolidation performance of waste slurry

圖3試驗結(jié)果表明，加入APAM溶液后廢漿固結(jié)系數(shù)均隨著荷載增大而增大，與加入氫氧化鈣后泥漿固結(jié)系數(shù)的變化規(guī)律一致。在APAM添加比例為11.2%情況下，固結(jié)系數(shù)最大，比原始廢漿固結(jié)系數(shù)大2倍左右，主要原因是APAM溶于水后借助其溶解在水中形成的長鏈狀、環(huán)狀等大分子結(jié)構(gòu)，能夠吸附、網(wǎng)捕和卷掃土顆粒, 促使其形成粒徑較大的絮體顆粒[13]，絮體顆粒間孔隙較大，廢漿滲透性提高，固結(jié)系數(shù)增大，廢漿內(nèi)部孔隙水更容易排出。而當(dāng)APAM添加比例為14.9%時，廢漿固結(jié)系數(shù)反而減小，根據(jù)吸附架橋理論[14]:過多絮凝劑導(dǎo)致土顆粒完全被吸附包圍，不能通過架橋作用形成更大顆粒，因而APAM溶液添加量過多導(dǎo)致土顆粒絮凝效果變差，固結(jié)系數(shù)減小。

由圖3(b)可見，加入APAM溶液后，廢漿滲透系數(shù)有著明顯的提高，11.2%溶液下滲透系數(shù)提高至8.13×10-6～1.54×10-7cm/s，隨著荷載的增加，廢漿的滲透系數(shù)均逐漸減小。當(dāng)荷載為12.5～100 kPa時，廢漿滲透系數(shù)相較于原狀廢漿能夠提高3倍以上，而當(dāng)荷載加至200～400 kPa時，滲透系數(shù)逐漸減小，直至與原狀廢漿接近?？梢娺m度添加APAM溶液對于廢漿滲透系數(shù)也有較大幅度提高。

固結(jié)試驗表明，無論是氫氧化鈣還是APAM溶液對廢漿的固結(jié)特性均有著明顯影響。加入氫氧化鈣或APAM溶液后廢漿的孔隙比、固結(jié)系數(shù)、滲透系數(shù)比原狀廢漿均有明顯提高，表明氫氧化鈣與APAM兩種藥劑均有一定增滲作用。

4 真空預(yù)壓模型試驗

4.1 試驗設(shè)備

真空預(yù)壓模型試驗中的試驗儀器有真空泵、氣液分離瓶、模型箱(圖4)，模型箱由圓柱形有機(jī)玻璃桶和密封蓋組成，有機(jī)玻璃桶高度500 mm、外徑500 mm和內(nèi)徑477 mm；密封蓋采用20 mm厚的硬質(zhì)有機(jī)玻璃板(便于測量沉降)，采用直徑為48 mm的軟式透水管，其中濾膜的等效孔徑為180 μm，從密封蓋中心孔穿出與真空泵連接，上下均不透水，抽真空期間保證模型箱內(nèi)真空度在80 kPa左右。

圖4 模型試驗裝置Fig.4 Schematic diagram of model test devices

4.2 試驗步驟

根據(jù)固結(jié)試驗中得到的固結(jié)系數(shù)與滲透系數(shù)變化規(guī)律，選用表3所示氫氧化鈣、APAM添加比例在2個攪拌桶中進(jìn)行真空預(yù)壓試驗，并用原狀廢漿真空預(yù)壓試驗作為對照組。

表3 藥劑添加量Table 3 Dosages of reagents for vacuum preloading test

注：1號為含氫氧化鈣廢漿；2號為含APAM廢漿；3號為原狀廢漿

為使藥劑與廢漿充分反應(yīng)，加藥后進(jìn)行低速攪拌，攪拌均勻后分別倒入模型箱靜置48 h，廢漿沉降基本穩(wěn)定，記錄廢漿固液分離面刻度。排去上清液后進(jìn)行真空預(yù)壓排水固結(jié)試驗。試驗過程中確保模型箱密封，記錄的數(shù)據(jù)有模型箱真空度、廢漿沉降量、廢漿排水量，并相應(yīng)進(jìn)行原狀廢漿的對比試驗。所有模型試驗均按上述步驟完成，在模型箱抽濾過程中排水量<50 mL/h時停止抽濾。

圖5 靜置后廢漿排水量Fig.5 Volume of water discharge of waste slurry after static storage

4.3 結(jié)果分析與討論

4.3.1 模型試驗靜置階段排水量及分析

靜置48 h后各模型箱內(nèi)固液分離均基本穩(wěn)定，1號—3號箱排出上清液水量分別為V1，V2，V3。如圖5所示，48 h靜置階段后各模型箱中排出上清液體積大小關(guān)系為V2>V1>V3。2號模型箱上清液體積最大，除去加入絮凝劑時所含水體積，達(dá)到19.46 L，占廢漿所含水分約40%。原因是APAM絮凝作用較好，因此有較好的固液分離效果。氫氧化鈣也能增快廢漿固液分離速率、提高廢漿上清液排水量，靜置48 h后1號模型上清液排水量為9.03 L。就絮凝效果而言，有機(jī)絮凝劑絮凝效果優(yōu)于氫氧化鈣的絮凝作用。而原狀廢漿粉黏粒含量高，體系比較穩(wěn)定，在自重下落淤速率較慢[3]，所以上清液排水體積最少。

4.3.2 模型試驗真空預(yù)壓階段排水量及分析

固液分離結(jié)束后排出上清液，在各模型箱內(nèi)進(jìn)行真空預(yù)壓試驗。在達(dá)到相同的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時，1號—3號模型均持續(xù)抽真空36，136，178 h。真空預(yù)壓抽濾階段排水量隨時間的變化如圖6所示。

圖6 廢漿排水量與真空預(yù)壓時間關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between water yield and vacuum preloading time

由圖6可見，添加氫氧化鈣的模型箱廢漿排水量隨時間變化前期為一段較陡曲線，后期趨于平緩，表明真空預(yù)壓前期廢漿排水速率較快，后期排水速率逐漸降低；加入APAM的廢漿在前20 h排水速率較原狀廢漿快，隨著含水率降低，后期排水速率逐漸小于原狀廢漿排水速率；原狀廢漿在整個過程中的排水量變化比較平緩，其整個真空預(yù)壓處理時間最長，是添加氫氧化鈣廢漿處理時間的3～4倍，是加APAM溶液廢漿真空預(yù)壓時間的1.3倍。試驗結(jié)果表明藥劑提高了原狀廢漿的滲透系數(shù)，能夠促進(jìn)廢漿排水固結(jié)，這與固結(jié)試驗結(jié)果是一致的，且廢漿中添加氫氧化鈣比加入APAM排水速率更快。

一維固結(jié)試驗結(jié)果表明，原狀廢漿由于其本身的滲透系數(shù)小，所以真空預(yù)壓過程排水固結(jié)速率較慢。固結(jié)試驗結(jié)果表明加入APAM后廢漿的滲透系數(shù)與加入氫氧化鈣廢漿的滲透系數(shù)接近，但加APAM模型真空預(yù)壓時間是加氫氧化鈣模型的3倍，說明加入APAM后，在其真空預(yù)壓期間滲透系數(shù)急劇減小。

4.3.3 模型箱中含水率測定

測量真空預(yù)壓結(jié)束后模型箱中土樣的含水率，距軟式透水管不同距離處取樣，取樣位置及含水率測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 含水率與距透水管中心距離的關(guān)系Fig.7 Relationship between water content and distance to center of pipe

由圖7可見，氫氧化鈣模型和APAM模型內(nèi)廢漿平均含水率由154%降低至40%～50%，而原狀廢漿真空預(yù)壓178 h后含水率沿半徑分布較不均勻，最終含水率在60%以上。藥劑真空預(yù)壓法對廢漿排水固結(jié)效果較好。此外可以看出，距離軟式透水管半徑5 cm內(nèi)原狀廢漿含水率最低，離軟式透水管越遠(yuǎn),原狀廢漿含水率上升很快，平均含水率高達(dá)70%以上。加氫氧化鈣廢漿與加APAM廢漿含水率變化不大，兩者較為接近。

4.3.4 真空預(yù)壓沉降結(jié)果分析

真空預(yù)壓過程中各模型箱內(nèi)廢漿的沉降隨時間變化關(guān)系如圖8所示。由圖8可見，添加氫氧化鈣廢漿沉降曲線與排水量變化有相似的規(guī)律，20 h內(nèi)沉降十分明顯，在真空預(yù)壓期間沉降速率明顯快于原始廢漿和添加APAM的廢漿。說明氫氧化鈣能夠有效促進(jìn)廢漿在真空預(yù)壓期間的排水固結(jié)。而添加APAM的廢漿在真空預(yù)壓初期沉降量稍大于原始廢漿，其原因是廢漿絮凝靜置后高度最小，所以真空預(yù)壓后期其沉降量逐漸被原始廢漿沉降量超越。

圖8 廢漿的沉降量隨預(yù)壓時間的變化曲線Fig.8 Settlement of waste slurry against vacuum preloading time

在達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)后停止抽真空，由于各藥劑的絮凝效果不同，所以絮凝沉降后高度也不相同，所以不能僅從沉降量大小來直接比較藥劑對廢漿排水固結(jié)的效果。因此本文采用雙曲線法[15]和對數(shù)曲線法分別計算出各模型箱中廢漿的最終沉降量，取2種方法預(yù)估的沉降量平均值作為最終沉降量，如表5所示。

表5 各模型預(yù)估沉降量Table 5 Estimated settlements of different models

圖9 各模型平均徑向固結(jié)度Fig.9 Average radial consolidation degree of different models

4.3.5 廢漿真空預(yù)壓固結(jié)特性分析

Hansbo[16]基于徑向固結(jié)理論將砂井地基簡化成軸對稱砂井計算模型。本文運(yùn)用Hansbo徑向固結(jié)理論應(yīng)用于真空預(yù)壓模型試驗固結(jié)系數(shù)的計算。

圖10 各模型平均徑向固結(jié)系數(shù)Fig.10 Average radial consolidation coefficient against time

由圖10可見：

(1)添加了氫氧化鈣、APAM的廢漿以及原狀廢漿的固結(jié)系數(shù)均隨真空預(yù)壓時間變化而減小，表現(xiàn)出非線性固結(jié)特性。

(2)真空預(yù)壓初始階段，添加氫氧化鈣的模型箱廢漿固結(jié)系數(shù)最大，因此，此時添加氫氧化鈣廢漿的固結(jié)速度非常最快，而添加APAM的模型箱和原狀的模型箱廢漿固結(jié)系數(shù)遠(yuǎn)小于添加氫氧化鈣模型箱廢漿固結(jié)系數(shù)。

筆者對加入2種藥劑的廢漿進(jìn)行了掃描電鏡(SEM)試驗，所得SEM圖像如圖11所示。

圖11 絮凝后廢漿放大1 000倍的SEM圖像Fig.11 SEM images of flocculated waste slurry magnified by 1 000 times

由圖11(a)可見，加入有機(jī)絮凝劑APAM的廢漿形成的絮體結(jié)構(gòu)非常疏松，土顆粒間通過APAM在水中形成的柔性長鏈連接形成的骨架不穩(wěn)定;在真空負(fù)壓作用下，部分疏松骨架長鏈易斷開并造成土顆粒發(fā)生移動，堵塞已形成的孔隙通道，使得廢漿滲透性下降，排水速度減慢，固結(jié)系數(shù)減小。因此加APAM溶液廢漿經(jīng)真空預(yù)壓136 h才達(dá)到停止抽濾標(biāo)準(zhǔn)。

由圖11(b)可見， 氫氧化鈣的橋連與膠結(jié)作用所形成具有一定強(qiáng)度的團(tuán)塊狀結(jié)構(gòu)能夠起骨架構(gòu)建作用[11,17]，在負(fù)壓條件下不易變形，同時電離出的Ca2+離子能夠使土顆粒反離子層減薄，減小滲透斥力，所以真空預(yù)壓期間廢漿滲透性比較大，固結(jié)速率較快。以上分析結(jié)果表明，廢漿的真空預(yù)壓試驗中氫氧化鈣的加入能夠顯著提高其滲透系數(shù)，使其在較短時間內(nèi)完成排水固結(jié)。因此，氫氧化鈣的添加能夠有效促進(jìn)廢漿的排水固結(jié)效率。

5 結(jié) 論

本文采用一維固結(jié)試驗和真空預(yù)壓模型試驗，研究了氫氧化鈣、APAM溶液對廢漿排水固結(jié)效果的影響，可以得到以下結(jié)論：

(1)氫氧化鈣和APAM 2種藥劑對廢漿固結(jié)特性的影響均很明顯，加入藥劑后，廢漿孔隙比、固結(jié)系數(shù)和滲透系數(shù)較原狀廢漿均有不同幅度的提高，且都存在最佳添加量。

(2)在一維固結(jié)試驗的基礎(chǔ)上，對廢漿進(jìn)行氫氧化鈣與APAM溶液最佳添加量下的真空預(yù)壓模型試驗，加藥改良后廢漿分別進(jìn)行36 h和136 h真空預(yù)壓，含水率分別下降至50.80%和39.78%；而原狀廢漿真空預(yù)壓178 h后平均含水率仍高達(dá)62%。結(jié)果表明藥劑真空預(yù)壓法處理廢漿效果明顯。

(3)在真空預(yù)壓模型試驗中，添加氫氧化鈣改良廢漿平均徑向固結(jié)系數(shù)遠(yuǎn)大于添加APAM的廢漿和原狀廢漿。這是由于加入2種藥劑與土顆粒之間所形成的微觀結(jié)構(gòu)不同造成的。而添加APAM廢漿平均徑向固結(jié)系數(shù)僅稍大于原狀廢漿。因此，與經(jīng)APAM改良廢漿相比，經(jīng)氫氧化鈣改良廢漿更有效提高真空預(yù)壓法的處理效率。