鉆孔灌注樁基泥漿固化再利用的試驗研究

楊成安 傅利軍 翁奇波

(1.浙江杭甬復線寧波一期高速公路有限公司，浙江 寧波 315000； 2.浙江交工集團股份有限公司，浙江 寧波 315000)

0 引言

在沿海地區(qū)，多采用鉆孔灌注樁作為橋梁樁基基礎。橋梁樁基鉆孔過程中會產(chǎn)生大量廢棄泥漿，目前往往采用直接外運處置或自然晾曬等方式來處理樁基廢棄泥漿。在這個過程中，可能會帶來較多問題：

1)效率低下且處理費用較高;

2)可能會產(chǎn)生較大的環(huán)境污染;

3)在運輸曬干過程中會產(chǎn)生泥漿滲漏，污染河道并堵塞市政設施;

4)泥漿曬干后也無法復耕再利用，產(chǎn)生較大浪費。

國內外針對泥漿的固化特性和固化的方法進行了一系列的研究和試驗。陳亮[1]對絮凝劑和破膠劑處理廢棄泥漿的脫水效果進行了研究，提出采用陰離子聚丙烯酰胺和氯化鋁處理廢棄泥漿脫水效果最佳。肖早早等[2]對復合絮凝劑處理廢棄泥漿的脫水效果進行了研究，提出使用復合絮凝劑比使用單種絮凝劑脫水效果更好。樓明浩[3]把樁基廢棄泥漿的固化和實際工程相結合，給出了一套工程中使用的泥漿固化流程。王烊[4]對現(xiàn)有的固化處理技術進行了總結，提出一種工程應用方法。雷鳴洲[5]對水泥和硅粉處理廢棄泥漿的固化效果進行了研究，提出了不同水泥和硅粉摻量下處理廢棄泥漿固化效果。

從以上學者的研究結果可以看出，目前針對廢棄泥漿的處理主要集中于單獨使用絮凝劑進行脫水處理或使用固化劑進行固化處理，絮凝劑與固化劑聯(lián)合處理廢棄泥漿的研究并不多見。故本文先使用絮凝劑對廢棄泥漿進行絮凝處理，再使用固化劑進行固化處理。對絮凝劑與固化劑聯(lián)合作用時工程廢棄泥漿的脫水固化特性進行了研究。得出了一種適用于樁基廢棄泥漿的脫水固化處理方法與絮凝劑、破膠劑、固化劑與泥漿的最優(yōu)配比方案。

1 試驗方案設置

1.1 實驗材料

采用陰離子聚丙烯酰胺(HPAM)、陽離子聚丙烯酰胺(CPAM)、非離子聚丙烯酰胺(NPAM)、聚合氯化鋁(PAC)、硫酸鋁、氯化鋁鐵、硫酸鐵、水泥、石灰、粉煤灰等對泥漿進行絮凝破膠與脫水固化處理。泥漿相關參數(shù)見表1。

表1 泥漿的實驗參數(shù)

1.2 實驗內容

此樁基廢棄泥漿來自杭甬復線寧波一期工程，樁基泥漿中未添加添加劑，故無需進行CODCr等環(huán)境污染指標檢測。具體試驗方法如下：

1)在90 mL密度1.2 g/L的泥漿中加入10 mL的2 g/L的各類絮凝劑，比較絮凝泥漿脫水情況，選出脫水效果最好的絮凝劑。

2)在泥漿中加入不同配比的脫水效果最好的絮凝劑，比較絮凝泥漿脫水情況，選出絮凝劑與泥漿的最佳配比。

3)在100 mL絮凝后泥漿中加入1 mL 的20 g/L的各類破膠劑，比較破膠后泥漿的脫水情況，選出脫水效果最好的破膠劑。

4)在泥漿中加入不同配比的破膠劑，比較破膠后泥漿脫水情況，選出破膠劑與絮凝泥漿的最佳配比。

5)采用正交試驗的方法，在絮凝泥漿中加入水泥、石灰、粉煤灰固化劑進行固化試驗，選擇最佳固化劑配比，并進行無側限抗壓強度實驗。

2 試驗結果分析

2.1 絮凝試驗結果

此樁基廢棄泥漿未添加添加劑，廢棄泥漿中電荷類型與相應地層中電荷類型相同，故需要對絮凝劑的使用進行初選。絮凝劑作為合成有機高分子材料，其具有很長的分子鏈，所以能在兩微粒間架橋，架橋后微粒會發(fā)生聚集并加快沉降速度。由于絮凝劑在溶解后加藥效果較好，故絮凝試驗選用90 mL泥漿和10 mL密度為2 g/L的HPAM，CPAM，NPAM進行混合，充分攪拌并靜置30 min后觀察各個混合物的出水率及其出水濁度。處理效果見表2。

表2 絮凝劑初選結果

由表2可知，不使用對應電荷的PAM對廢棄泥漿的絮凝無明顯作用，唯有HPAM試劑對此泥漿的絮凝產(chǎn)生了一定效果，故應選用HPAM對泥漿進行絮凝處理。分別選用2 g/L的HPAM 5 mL，10 mL，15 mL，20 mL添加至有100 mL泥漿的燒杯進行充分攪拌并靜置30 min后進行分析對比，詳細結果見表3。

表3 泥漿的絮凝實驗結果

由表3可知，當絮凝劑添加量小于10 mL時，廢棄泥漿無明顯絮體產(chǎn)生，隨著絮凝劑添加量的增大，絮團會逐漸出現(xiàn)并凝聚變大，當添加量大于15 mL時則無明顯增效，甚至會使出水率下降。故選用15 mL濃度為2 g/L的HPAM對此泥漿進行絮凝處理，可以得到最大出水率，并且濾出水的濁度和絮團都較其余濃度絮凝劑更佳，故應選用15 mL濃度為2 g/L的HPAM。

2.2 破膠試驗結果

破膠劑對泥漿的絮凝沉淀有兩個方面的作用，其一陽離子強電解質可以中和黏土顆粒表面負電荷，以此減小顆粒間斥力，破壞泥漿膠體結構，絮凝產(chǎn)生的絮團中的水分得以分離。其二是高分子材料的陰離子基團會和破膠劑的金屬陽離子發(fā)生反應，形成的物質會降低高分子鏈內和鏈間的斥力，隨后高分子鏈會發(fā)生卷曲并將失穩(wěn)的粘土顆粒包裹并帶出，且與泥漿中的高分子化合物反應形成新物質，會使CODCr降低，達到減輕環(huán)境污染的目的。由于絮凝處理后的泥漿濾出水中仍帶有大量泥漿和殘留的HPAM，所以要對泥漿進行破膠處理。現(xiàn)選用1 mL濃度為20 g/L的PAC、硫酸鋁、氯化鋁鐵、硫酸鐵分別添加至100 mL的絮凝后泥漿中進行破膠，以此完成破膠劑初選，詳細結果見表4。

表4 破膠劑初選結果

由表4可知，選用PAC對此泥漿進行破膠處理會有效的破壞泥漿膠體結構，使得泥漿可以較快的產(chǎn)生沉淀，并產(chǎn)生較大出水率，故應選用PAC作為此泥漿的破膠劑。選用絮凝后的泥漿進行絮凝—破膠聯(lián)合試驗，分別選用1 mL，1.5 mL，2 mL，2.5 mL濃度為20 g/L的PAC對絮凝后的泥漿進行破膠處理，詳細結果見表5。

表5 泥漿的破膠實驗結果

由表5可知，當PAC添加量為2 mL的20 g/L時，泥漿的出水率為47%，泥漿脫水效果最佳。對絮凝后的泥漿添加破膠劑PAC劑量小于2 mL時可以有效的對上部清液中散布的泥漿進行凝結沉淀，可得到無色、清澈的上層清液。但當PAC添加量大于2.5 mL時，會對下部大團絮體產(chǎn)生分散作用，使得泥漿上層清液再次變得渾濁。因此，應選用0.4 g/L的PAC對絮凝泥漿進行破膠處理。

2.3 固化試驗結果

破膠—絮凝處理后的泥漿仍具有一定的含水率，所以，對泥漿進行固化處理使其具有一定抗壓強度并可應用于覆土回填和普通路基填筑就顯得較為關鍵。粉煤灰中含有大量二氧化硅和三氧化二鋁，存在潛在的水化物質和火山灰活性，利用這一特性，可以由生石灰作為誘發(fā)劑激發(fā)其火山灰活性。同時，火山灰反應后，則會進入第二階段，以粉煤灰為誘導的水化反應，這兩階段的反應均會產(chǎn)生一定強度的固結物。不僅如此，粉煤灰具有一定的吸附作用，可吸收廢棄泥漿內的有害物質。水泥是硅酸鈣作為主要成分的燒結體，可與水反應生成具有較高強度的水化反應物，常常作為廢棄泥漿處理的固化材料。所以選用粉煤灰、石灰、水泥作為寧波廢棄泥漿的固化材料，選用正交實驗的方法對不同配合比的粉煤灰A、石灰B、水泥C組成泥漿固化物進行無側限抗壓強度試驗，得到最佳配合比。對100 mL泥漿絮凝破膠處理后的泥漿絮團添加固化劑進行正交試驗，正交試驗影響因素及各因素水平見表6，具體正交試驗組合見表7。

表6 正交試驗因素

表7 正交試驗組合

根據(jù)表7所設置的9組配比進行試驗，將所得到養(yǎng)護7 d以后的無側限抗壓強度結果列于表8，各影響因素極差見表9。

表8 正交試驗結果

表9 正交試驗各要素的極差

由表9可知，對于無側限抗壓強度，三種固化劑對其的影響主次順序依次為粉煤灰、石灰、水泥,由表8可知，對于影響因素A，K12數(shù)值最大，對于影響因素B，K22數(shù)值最大，對于影響因素C，K33數(shù)值最大，所以，固化劑的最佳摻量為A2B2C3,這種組合已經(jīng)在9種組合中出現(xiàn)，故無需進行補充實驗。粉煤灰、石灰、水泥添加量分別為35 g，6 g，10 g時，對固化物的無側限抗壓強度奉獻最大。泥漿固化土的無側限抗壓強度值為0.221 MPa，滿足規(guī)范要求的一般路基填筑的無側限抗壓強度需大于0.1 MPa的要求，可用于路基填筑。故最終選定此配比作為泥漿固化劑配比。

3 結論

本文進行了廢棄泥漿的絮凝破膠實驗以及固化劑固化實驗，對廢棄泥漿脫水情況與固化完成后的力學性能進行了評價，得到了以下結論：

1)樁基廢棄泥漿可選用HPAM與PAC配比1∶1.25的復合絮凝劑進行脫水處理，當HPAM與PAC用量分別為0.3 g/L與0.4 g/L時，泥漿絮團的脫水率達47%，脫水效果較好。

2)粉煤灰、石灰、水泥的添加量為30%，8%，5%時固化效果最佳時，泥漿固化土的無側限抗壓強度可達到0.221 MPa，滿足規(guī)范要求的一般路基填筑的無側限抗壓強度需大于0.1 MPa的要求，可用于路基填筑。