地下工程泥漿絮凝干化處理絮凝效果試驗(yàn)研究

羅云峰

(上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司，上海 200433)

1 概述

向地層中開挖鉆進(jìn)是地下工程施工領(lǐng)域必須采用的施工手段，而泥漿堪稱地下工程施工的“血液”。地下工程施工技術(shù)中比較有代表性的如地下連續(xù)墻、鉆孔灌注樁、頂管、盾構(gòu)等工藝和設(shè)備的運(yùn)用無不依賴于泥漿的作用。大規(guī)模地下工程施工相應(yīng)的也會(huì)使用和產(chǎn)生大量的泥漿，未經(jīng)處理的泥漿若排放到環(huán)境中，會(huì)對(duì)環(huán)境造成極大污染，泥漿處理排放已成為困擾工程施工的重大技術(shù)難題。泥漿絮凝干化處理方法作為一種無害化的方法應(yīng)運(yùn)而生，該方法通過往泥漿中添加適量絮凝劑使其絮凝成團(tuán)，再通過真空或機(jī)械壓濾干化成干土外運(yùn)，泥漿絮凝干化處理方法的關(guān)鍵之一是絮凝效果的好壞。本文從模擬絮凝干化處理方法工藝原理角度出發(fā)，設(shè)計(jì)出一套科學(xué)且簡(jiǎn)單易操作的試驗(yàn)，對(duì)絮凝材料性能效果進(jìn)行客觀和參數(shù)指標(biāo)化的研究分析，通過試驗(yàn)測(cè)試分析數(shù)據(jù)得出一些有益的建議，以期做到在地下工程泥漿干化處理絮凝劑的選擇和使用上能提供一定的幫助。

2 廢棄泥漿處理絮凝機(jī)理

地下工程所用泥漿以膨潤(rùn)土加外加劑調(diào)配而成居多，是一種較為穩(wěn)定的膠體分散體系，其自然沉降比較困難，需添加絮凝劑破壞其膠體分散體系的穩(wěn)定性使結(jié)合水與泥漿中的固體顆粒分離。泥漿作為較為穩(wěn)定的膠體分散體系，膠體微粒吸附離子后產(chǎn)生靜電斥力阻礙微粒之間相互靠近和聚集；膠體微粒帶電荷越多，其電位就越大，膠體分散體系就越穩(wěn)定。

利用絮凝劑使泥漿液體膠體顆粒結(jié)構(gòu)表面起化學(xué)作用，中和泥漿顆粒表面所攜帶的電荷，使泥漿中的微小固體顆粒聚集而形成比較大的絮凝團(tuán)，并析出結(jié)合水，從而加速泥漿固液分離進(jìn)程。向泥漿中添加絮凝劑后所發(fā)生的絮凝反應(yīng)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，在這個(gè)過程中受到泥漿膠體體系的物理和化學(xué)性質(zhì)，以及外加動(dòng)力等各方面的作用和影響。關(guān)于絮凝機(jī)理有壓縮雙電層理論、吸附電中和理論、吸附架橋理論和卷掃絮凝理論等四種常見理論，而絮凝的過程，是這幾種機(jī)理綜合作用的結(jié)果。向泥漿中添加絮凝劑后，其對(duì)泥漿中的膠體粒子主要起靜電中和和吸附架橋作用。

3 絮凝效果試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 試驗(yàn)?zāi)康呐c思路

1)試驗(yàn)?zāi)康摹８鶕?jù)現(xiàn)有壓濾式泥漿固化處理設(shè)備對(duì)經(jīng)絮凝后的廢棄泥漿的狀態(tài)要求，對(duì)絮凝材料的考量主要有：

a.絮凝劑對(duì)不同含泥量的泥漿的適應(yīng)性；b.絮凝速度；c.絮凝效果。為使試驗(yàn)更貼近實(shí)際應(yīng)用情況，從模擬該工藝原理角度出發(fā)，設(shè)計(jì)出一套科學(xué)且簡(jiǎn)單易操作的試驗(yàn)，以對(duì)絮凝材料的性能進(jìn)行客觀，參數(shù)指標(biāo)化的有效分析。此外，通過該試驗(yàn)方法得出的數(shù)據(jù)結(jié)果，也能對(duì)固化設(shè)備的設(shè)計(jì)及濾布的選用提出一定建議。

2)試驗(yàn)思路。基于上述試驗(yàn)?zāi)康?，本試?yàn)的設(shè)計(jì)思路為：通過將廢棄泥漿與預(yù)制備的絮凝劑溶液混合攪拌，破壞泥漿的膠體結(jié)構(gòu)，使其失去穩(wěn)定性，然后對(duì)混合物的靜置沉淀效果和采用負(fù)壓模擬壓濾后的若干指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定記錄，完成對(duì)絮凝材料的廢棄泥漿絮凝性能的有效客觀評(píng)價(jià)。

3.2 實(shí)驗(yàn)儀器及材料

1)設(shè)備儀器：真空抽濾器(見圖1)、濁度儀、含泥量測(cè)定器、pH儀、電子稱(0.01 g)、秒表、攪拌器、燒杯(1 000 mL，2 000 mL)、濾紙、量筒(50 mL，100 mL，250 mL)、坩堝、烘箱；2)材料：常用絮凝劑(聚丙烯酰胺)粉末樣品若干、不同含泥量鉆孔樁循環(huán)泥漿樣品若干、透氣度為(120～280)×10-3m2·s濾布若干。

3.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)操作步驟：

1)預(yù)制備1‰濃度絮凝劑溶液；2)絮凝劑與廢棄泥漿混合攪拌3 min；3)將混合物靜置5 min，記錄沉積容量；4)倒出上層清液并記錄清液量和濁度；5)在布氏漏斗上放置與漏斗口尺寸相同的濾布，同時(shí)組裝抽濾裝置；6)根據(jù)布氏漏斗尺寸，將沉積物倒入布氏漏斗中并將表面抹平；7)打開抽濾泵抽濾3 min，記錄抽濾水量和濾水濁度；8)稱量并記錄抽濾后的殘余固體物質(zhì)量；9)烘干殘余固體物，記錄質(zhì)量，計(jì)算抽濾后固體殘余物含水率。

預(yù)制備絮凝劑溶液是根據(jù)制備量，將絮凝劑在攪拌轉(zhuǎn)速200 r/min～500 r/min的條件下，定速攪拌不少于20 min所制備完成的。濾布的大小與布氏漏斗口大小一致，且放置后用水潤(rùn)濕，并抽濾10 s，保證其完整貼合在漏斗口底面。廢漿與絮凝劑混合攪拌3 min應(yīng)采用攪拌機(jī)進(jìn)行定速攪拌。每次倒入布氏漏斗內(nèi)的廢漿容量不應(yīng)超過漏斗容量的2/3。抽濾后所形成的泥皮可能與濾紙和濾布相粘連，若發(fā)生此情況可將泥皮與濾布或?yàn)V紙一同稱重后一起放入烘箱內(nèi)烘干。

4 試驗(yàn)結(jié)果

通過下層沉積量、靜置后上層清液量、上層清液的濁度、抽濾后的濾液量、抽濾后的濾液濁度和抽濾形成的殘余固態(tài)物質(zhì)的含水量等來綜合評(píng)價(jià)絮凝效果。

因本試驗(yàn)參數(shù)較多且較為復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的表格、折線圖等表現(xiàn)形式不能有效的對(duì)多種材料的性能特征進(jìn)行快速比較，采用六維雷達(dá)圖對(duì)大量數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行較為直觀的展示。

由于實(shí)際實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象絮凝劑性能的好壞與下層沉積量、上層清液量、抽濾水量成正比，與清液濁度、濾液濁度、含水率成反比，為了使數(shù)據(jù)具有統(tǒng)一性，取反比數(shù)據(jù)的倒數(shù)作為制圖的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。選取參數(shù)以每組數(shù)據(jù)最大數(shù)為參考值，取百分比，形成最終六維雷達(dá)圖。

含泥量32.5%,33%,36.5%,41.7%,43%的泥漿準(zhǔn)備若干份，每份150 mL，每份泥漿中分別添加100 mL絮凝劑溶液，試驗(yàn)結(jié)果如圖2～圖6所示。

由圖2～圖4可知，含泥量為32.5%,33.0%,36.5%時(shí)，所試驗(yàn)的9種絮凝劑中，F(xiàn)1,F5和F8三種絮凝劑各方面的性能較為均衡，其余種類絮凝劑在某一項(xiàng)或多項(xiàng)指標(biāo)上存在明顯短板。由圖5,圖6可知，含泥量為41.7%,43.0%時(shí)，所試驗(yàn)的9種絮凝劑在某一項(xiàng)或多項(xiàng)指標(biāo)上均存在明顯短板。

5 結(jié)語(yǔ)

泥漿是地下工程施工領(lǐng)域常采用的一種施工輔助介質(zhì)，在施工過程中必須對(duì)不斷產(chǎn)生的余漿、廢漿進(jìn)行處理以減少對(duì)環(huán)境的影響，在此背景下泥漿絮凝干化處理方法應(yīng)運(yùn)而生，該方法的關(guān)鍵之一是絮凝效果的好壞。本文從模擬絮凝干化處理方法工藝原理角度出發(fā)，設(shè)計(jì)出一套科學(xué)且簡(jiǎn)單易操作的試驗(yàn)，對(duì)絮凝材料性能效果進(jìn)行客觀和參數(shù)指標(biāo)化的研究分析，通過一系列試驗(yàn)測(cè)試并進(jìn)行分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：含泥量不同的泥漿，使用相同濃度的不同種類絮凝劑其絮凝效果隨著含泥量的增加，呈一曲線形勢(shì)，絮凝效果先增加后減小；含泥量相同的情況下，不同型號(hào)的絮凝劑其絮凝效果存在明顯差異；當(dāng)含泥量超過40%，所試驗(yàn)的9種絮凝劑絮凝效果都不理想，應(yīng)是絮凝劑被消耗殆盡導(dǎo)致絮凝效果下降，此時(shí)需適當(dāng)提高絮凝劑摻量，以提高絮凝效能；各種絮凝劑有各自的適用性，施工現(xiàn)場(chǎng)泥漿絮凝干化處理絮凝劑的選擇和使用應(yīng)結(jié)合該工程泥漿特點(diǎn)試驗(yàn)確定。本文所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方法和基于該試驗(yàn)得出的建議期望能在地下工程泥漿干化處理絮凝劑的選擇和使用上提供一定的幫助和指導(dǎo)。