藥劑摻量對高黏粒含量廢漿滲透性和真空固結(jié)特性的影響

武亞軍,顧賽帥,盧立海,強(qiáng)小兵,駱嘉成

(1.上海大學(xué)土木工程系,上海200444;

2.溫州浙南地質(zhì)工程有限公司,浙江溫州325006)

隨著環(huán)境巖土工程的發(fā)展,大批量高含水率、高黏粒含量工程廢漿的快速處理成為研究的熱點(diǎn).藥劑真空預(yù)壓法是一種新型工程廢漿處理方法,該方法將化學(xué)藥劑與傳統(tǒng)的真空預(yù)壓法相結(jié)合,適用于高含水率廢漿的大批量處理.武亞軍等[1]對不同藥劑的處理效果進(jìn)行了深入的探討,并對處理后土樣微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析.劉禹?xiàng)畹萚2]通過對疏浚底泥摻外加劑研究了真空預(yù)壓脫水技術(shù).鮑樹峰等[3]研究了真空預(yù)壓聯(lián)合化學(xué)加固處理高黏粒含量的新吹填淤泥.張騫[4]進(jìn)行了真空預(yù)壓聯(lián)合不同化學(xué)藥劑加固吹填疏浚土室內(nèi)模型試驗(yàn)的研究.

化學(xué)藥劑的添加會增加生產(chǎn)成本,并帶來二次污染問題,因此化學(xué)藥劑的合理選擇對工程運(yùn)用至關(guān)重要.本工作按照比例配置了一種新型的混合藥劑——固化混凝劑(簡稱固凝劑),并將其用于高含水率、高黏粒含量工程廢漿的預(yù)處理,通過真空排水試驗(yàn),探究藥劑對廢漿滲透特性和真空固結(jié)特性的影響.固凝劑的成分均為無機(jī)藥劑,避免了有機(jī)化學(xué)藥劑潛在的二次污染問題,并且該藥劑具備以下特點(diǎn):①在中低含水率淤泥中能夠快速固化;②在高含水率泥漿和淤泥中具有改性、聚并細(xì)小土顆粒的作用;③在泥漿或污泥中具有滅菌和抑制腐化的作用;④在工業(yè)廢水處理中具有鈍化重金屬離子的作用.

1 自由沉降試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)對象和儀器

為了研究工程廢漿在添加不同摻量的藥劑后的沉降特性,進(jìn)行自由沉降試驗(yàn).試驗(yàn)中的廢漿試樣取自溫州某樁基工程施工現(xiàn)場.表1為原始廢漿的物理性質(zhì)指標(biāo),其中廢漿比重采用泥漿比重計(jì)測得,土粒比重采用比重瓶法測定.采用X射線衍射分析測得廢漿的礦物組成,如表2所示.圖1為廢漿的顆粒粒徑累積曲線.由表1,2和圖1可知,實(shí)驗(yàn)用的工程廢漿為典型的“雙高”型泥漿(高含水率、高黏粒含量),在短時(shí)間內(nèi)無法完成自重固結(jié).此外,礦物成分對黏土的滲透性影響較大,其中高嶺石和伊利石會降低黏土滲透性.

表1 原始廢漿的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical parameters of initial waste mud

表2 原始廢漿的礦物組成Table 2 Mineral composition of initial waste mud %

圖1 原始廢漿的粒徑累積曲線Fig.1 Grading curve of initial waste mud

試驗(yàn)儀器有標(biāo)準(zhǔn)篩、水槽、500 mL量筒、移液管、燒杯、精度為0.01 g的電子天平和SGZ-200AS濁度儀等.

如圖2所示,6個(gè)量筒內(nèi)均裝有200 mL廢漿,其中量筒1不加任何藥劑,量筒2,3,4,5,6內(nèi)分別加入1,3,5,7,9 g/L藥劑(摻加10 g/L以上藥劑后樣本的黏度較高,已不適合進(jìn)行自由沉降試驗(yàn)).試驗(yàn)過程中記錄不同時(shí)刻渾液面的沉降量,持續(xù)24 h后測定上清液的濁度和pH值.沉降量穩(wěn)定后,取部分試樣進(jìn)行液塑限和顆粒組成分析.

圖2 廢漿的自由沉降試驗(yàn)Fig.2 Free settling test of waste mud

圖3為廢漿添加9 g/L藥劑前后狀態(tài)的對比.由圖3可以看出,藥劑的摻加完全改變了廢漿的狀態(tài)(流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轲に軕B(tài)),而廢漿試樣的含水率僅降低了16%.

圖3 藥劑添加前后的廢漿試樣Fig.3 Waste mud sample before and after adding chemicals

1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)上清液的濁度與pH值.濁度的單位為NTU,1 NTU相當(dāng)于1 L的水中含有1 mg的福爾馬肼聚合物時(shí)所產(chǎn)生的渾濁程度.水的渾濁程度由含有微量不溶性懸浮物質(zhì)、膠體物質(zhì)所致.濁度越低,說明水質(zhì)越好.pH值是反映水溶液酸堿性的指標(biāo).濃度和pH值均是水質(zhì)檢測指標(biāo).圖4為廢漿試樣上清液的濁度和pH值.

圖4 廢漿試樣上清液指標(biāo)Fig.4 Index of the supernatant of waste mud samples

由圖4可以看出,隨著藥劑添加量的增加,上清液的濁度減小,而pH值增大.濁度的大幅降低,表明該藥劑中陽離子中和上清液中懸浮的細(xì)小土顆粒(特別是膠體顆粒)表面的負(fù)電荷,壓縮雙電層,減小了土顆粒間的斥力,從而實(shí)現(xiàn)土顆粒的聚并[5-7].pH值的增大使得排出的水呈強(qiáng)堿性,在水處理工程中可通過次氯酸(用于消毒)調(diào)節(jié)pH值至相關(guān)規(guī)范要求范圍內(nèi).

(2)顆粒組成分析.廢漿試樣的粒徑累積曲線如圖5所示.由圖5可以看出,隨著藥劑摻量的增加,粒徑為0.075 mm以下的顆粒占比有一定程度地減少.這進(jìn)一步說明了在藥劑的作用下藥劑中陽離子中和泥漿土顆粒(特別是粒徑0.075 mm以下的細(xì)小顆粒)表面的負(fù)電荷,壓縮雙電層,減小土顆粒間的斥力,從而實(shí)現(xiàn)土顆粒的聚并.另外,與有機(jī)藥劑相比,摻加固凝劑的廢漿試樣小顆粒減少的程度較低.

圖5 廢漿試樣的粒徑累積曲線Fig.5 Grading curves of waste mud samples

(3)沉降量.為研究藥劑添加后漿體在自重荷載下的固液分離特性,繪制了渾液面沉降曲線,如圖6所示.由圖6可知:前12 h,隨著藥劑添加量的增加,沉降量逐漸減小,且沉降量均大于原始廢漿的沉降量;12 h后,沉降量逐漸減小,原始廢漿的沉降量逐漸超過添加藥劑后漿體的沉降量.結(jié)合圖5可知:細(xì)小顆粒的聚并沉淀,使得前期添加藥劑的廢漿沉降量均大于原始廢漿沉降量;而隨著藥劑添加量的增加,由于藥劑與廢漿中的活性氧化物反應(yīng),生成具有較強(qiáng)的膠結(jié)能力和穩(wěn)定性的水硬性化合物,使得漿體在自重荷載下較穩(wěn)定,從而導(dǎo)致漿體沉降量隨著藥劑添加量的增加而減小.因此,隨著時(shí)間的推移,添加藥劑的廢漿沉降量逐漸被原始廢漿超越.

圖6 廢漿試樣渾液面的沉降曲線Fig.6 Interface settlement curves of waste mud samples

2 一維固結(jié)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)對象同上.試驗(yàn)器材主要包括燒杯、攪拌棒、烘箱、GJZ-2雙聯(lián)中壓固結(jié)儀(環(huán)刀高2 cm)和精度為0.01 g的電子天平.

土的滲透系數(shù)是反映水在土孔隙中滲透流動快慢的一個(gè)重要指標(biāo).滲透系數(shù)越大,土體內(nèi)孔隙排水速度越快.根據(jù)固結(jié)系數(shù)與滲透系數(shù)的關(guān)系,計(jì)算每級荷載下廢漿試樣的平均滲透系數(shù).選取原始廢漿和分別添加3,7,9和11 g/L藥劑的廢漿試樣進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn),逐級施加12.5,25.0,50.0和100.0 kPa的固結(jié)壓力,并按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》[8]中的規(guī)定,記錄各級荷載下沉降量隨時(shí)間的變化,以試樣變形量每小時(shí)不大于0.005 mm為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn).

2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

(1)藥劑摻量與滲透系數(shù).圖7為廢漿試樣的滲透系數(shù)變化曲線.由圖7可知:整體上,所有廢漿滲透系數(shù)均隨著荷載的增大而減小,且降幅越來越小;而降幅隨著藥劑添加量的增大而增加.原始廢漿的滲透系數(shù)最小,變化范圍相對較小(在10?6cm/s數(shù)量級上變化);藥劑處理后的廢漿滲透系數(shù)較大,變化范圍也相對較大(在10?6～10?5cm/s數(shù)量級上變化).另外,在同一固結(jié)壓力區(qū)間時(shí),藥劑摻量越高,廢漿滲透系數(shù)越大.同原始廢漿相比,在低固結(jié)壓力區(qū)間內(nèi),添加藥劑后漿體的滲透系數(shù)可提高為原來的5～10倍,分析其原因主要有兩個(gè)方面.一方面是原始廢漿中黏粒含量高,其結(jié)合水化膜較厚,會阻塞土的孔隙,從而降低水的滲透性,而藥劑加入廢漿后會立即發(fā)生離子交換作用,在廢漿中產(chǎn)生大量游離的高價(jià)陽離子.陽離子與土顆粒表面的Na+,H+和K+等置換,從而使土顆粒表面被高價(jià)陽離子包裹,使土顆粒外的結(jié)合水膜厚度減小,從而提高了滲透性.另一方面,藥劑的膠凝作用使得廢漿體系生成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)(見圖8),從而形成較大的宏觀孔隙.在低荷載時(shí),這些宏觀孔隙大大增強(qiáng)了滲透性.而隨著荷載的增大,宏觀孔隙被壓縮,并發(fā)展為團(tuán)粒間的孔隙以及顆粒間的孔隙為主.隨著荷載的進(jìn)一步增大,孔隙發(fā)展為顆粒間的孔隙為主[9-11].也就是說,初期原始廢漿與藥劑處理后的廢漿二者間的孔隙相差較大,而隨著荷載的增大,二者的孔隙趨于一致,因此滲透系數(shù)剛開始相差較大,而隨著荷載的增大,最終趨于一致.由此可以認(rèn)為,藥劑對廢漿排水有顯著的增滲增排作用.

圖7 廢漿試樣滲透系數(shù)的變化曲線Fig.7 Curves of permeability coefficient varies of waste mud samples

圖8 廢漿試樣結(jié)構(gòu)模型Fig.8 Structural model of waste mud sample

(2)齡期.新型固凝劑與廢漿完全反應(yīng)需要較長時(shí)間,且這種反應(yīng)無法通過表觀直接體現(xiàn).圖7(b)所示為齡期與滲透系數(shù)的關(guān)系(以藥劑摻量為11 g/L的廢漿試樣為例).可以看出,齡期不同,廢漿試樣的滲透系數(shù)相差較大,其中齡期3～14 d的漿體滲透系數(shù)較大.可推斷,合理的齡期為3或7 d.這是因?yàn)樗巹┡c廢漿反應(yīng)需要一定的時(shí)間,藥劑與廢漿所形成的膠凝結(jié)構(gòu)對滲透性有較大的提高.在齡期較短時(shí),反應(yīng)尚在進(jìn)行,膠凝結(jié)構(gòu)尚未完全形成,故3 d之內(nèi)時(shí)廢漿的滲透系數(shù)變化幅度較大(在10?6～10?5cm/s數(shù)量級上變化);而在體系反應(yīng)穩(wěn)定后,滲透系數(shù)不再隨著齡期的增長而發(fā)生較大的改變.

3 真空預(yù)壓試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)參數(shù)

試驗(yàn)儀器主要包括廢漿比重計(jì)、真空管、法蘭桶、錐形量瓶、排水板、排水管、真空泵等.試驗(yàn)裝置如圖9所示.試驗(yàn)桶直徑為70 cm,容積為200 L,在其中間布置排水板,并在不同位置布置真空表進(jìn)行監(jiān)控.排水管與錐形量瓶側(cè)面排水口依次連接,錐形瓶頂部與真空設(shè)備連接,用于計(jì)量排水量和氣液分離.表3為真空預(yù)壓試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù),包括試驗(yàn)桶藥劑種類及其摻量、去除上清液后的含水率和排水的pH值.

圖9 真空預(yù)壓試驗(yàn)裝置Fig.9 Experimental setup of vacuum preloading

表3 真空預(yù)壓試驗(yàn)參數(shù)Table 3 Experimental parameters of vacuum preloading

3.2 結(jié)果分析

(1)排水效率.藥劑對廢漿排水的“增滲增排”作用主要體現(xiàn)在排水速率和土樣終態(tài)含水率兩個(gè)方面.圖10為廢漿試樣排水速率的變化曲線.由圖10可知:排水速率在真空加載后12 h內(nèi)差別較大,其中添加9 g/L藥劑后廢漿的排水速率較大,為原始廢漿排水速率的2～3倍;而12 h后廢漿試樣的排水速率比較接近.結(jié)合圖7可知:在加載初期,添加不同摻量藥劑的廢漿滲透系數(shù)相差較大,排水速率有較大區(qū)別;而后期,滲透系數(shù)逐漸持平,排水速率比較接近.

圖10 廢漿試樣排水速率的變化曲線Fig.10 Curves of drainage rate varies of waste mud samples

圖11為廢漿試樣含水率隨時(shí)間的變化曲線以及最終取樣實(shí)測含水率和藥劑摻量的關(guān)系.由圖11可知:添加藥劑后的試驗(yàn)桶的含水率均比原始廢漿降低得快,且含水率隨著藥劑摻量的增加而減小,最低為66.5%,降幅達(dá)120%,并可繼續(xù)降低;而原始廢漿含水率只能降至約141.5%,且無法進(jìn)一步降低.這進(jìn)一步說明,藥劑對廢漿的滲透性具有改善作用.

圖11 廢漿試樣的含水率變化曲線Fig.11 Curves of water content varies of waste mud samples

(2)土體狀態(tài).廢漿真空排水處理后的狀態(tài)如圖12所示.由圖12可以看出,原始廢漿經(jīng)真空排水后,仍呈流態(tài),而經(jīng)藥劑真空預(yù)壓法處理后的土樣強(qiáng)度較高,經(jīng)測量其十字板剪切強(qiáng)度最高達(dá)47.1 kPa.土體強(qiáng)度的提高,除了與含水率的降低有直接關(guān)系,也與藥劑的固化作用不斷加強(qiáng)有關(guān).藥劑的固化機(jī)理主要分為膠凝作用和硬化作用.藥劑與廢漿中的活性金屬氧化物反應(yīng),生成具有較強(qiáng)的膠結(jié)能力和穩(wěn)定性的水硬性化合物.該化合物在廢漿中繼續(xù)硬化并保持和發(fā)展其強(qiáng)度,這是廢漿狀態(tài)由流體迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榘肓黧w的直接原因.硬化作用包含兩個(gè)結(jié)晶過程:①藥劑與CO2反應(yīng)生成堅(jiān)硬的結(jié)晶體,具有較高的強(qiáng)度和水穩(wěn)定性;②試驗(yàn)過程中,藥劑不斷吸收水分,由膠體逐漸形成晶體,并和土顆粒相結(jié)合形成共晶體,提高了土體的整體性和強(qiáng)度.藥劑硬化作用是土體后期強(qiáng)度不斷提高的主要原因.

圖12 廢漿處理后的土樣Fig.12 Improved soil samples of waste mud

圖13所示為藥劑摻量不同時(shí)最終土樣的液塑限.由圖13可以看出,藥劑摻加后,土樣的液塑限有顯著的提高.這與藥劑中存在固化劑成分有關(guān)[12-13],其作用機(jī)理有待進(jìn)一步探究.

圖13 藥劑摻加后廢漿最終土樣的液塑限Fig.13 Plastic limit and liquid limit of waste mud samples before and after adding chemicals

4 結(jié)束語

本工作將配置的新型固化混凝劑用于高含水率、高黏粒含量工程廢漿的預(yù)處理,研究了藥劑對廢漿滲透特性和真空固化特性的影響.研究結(jié)果表明,新型固化絮凝劑結(jié)合真空預(yù)壓法可以有效地處理高含水率、高黏粒含量的工程廢漿.在此過程中,藥劑的作用主要包括顆粒聚并、增滲增排和固化.

(1)固凝劑可以通過壓縮雙電層將廢漿中的細(xì)小顆粒聚并,有效減小排出液的濁度.

(2)摻加固凝劑后,通過離子交換作用使黏土顆粒結(jié)合水膜變薄,同時(shí)通過膠凝作用促使廢漿生成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),使得廢漿的滲透系數(shù)隨著摻量的增加而大幅增大,從而大幅提高排水速率.反應(yīng)齡期為3或7 d時(shí),藥劑可獲得較大的滲透系數(shù).

(3)固凝劑與真空排水相互作用,在降低土體含水率的同時(shí),通過固化作用提高土體強(qiáng)度,改變土體液塑限.