渤海灣海洋疏浚泥的藥劑絮凝與固結(jié)特性*

李運紅，戚慶學(xué)，王彥軍，武亞軍，陳國公，許嘉樂

(1.中國冶金地質(zhì)總局青島地質(zhì)勘查院，山東 青島 266109；2.上海大學(xué) 土木工程系，上海 200444)

為解決沿海城市土地資源短缺的問題，圍海吹填造陸已成為中國沿海地區(qū)最主要的造地方式。吹填泥沙主要來源于海洋、河流航道疏浚與整治，疏浚出來的泥沙通過輸泥管排送到預(yù)定區(qū)域，經(jīng)沉淀排水后形成大片疏浚泥場地[1]。一些地區(qū)的疏浚泥具有含水率高、顆粒粒徑細(xì)、滲透性差等特點，吹填以后要經(jīng)過很長時間才能完成自重固結(jié)[2]，為了滿足工程建設(shè)需求必須進(jìn)行地基處理以加快土體固結(jié)。

真空預(yù)壓法作為處理高含水率吹填軟土地基的有效方法，最早于1952 年由瑞典的杰爾曼教授提出[3]，目前已被廣泛應(yīng)用到各類高含水率軟土地基處理工程中。在實際工程應(yīng)用中真空預(yù)壓法面臨種種問題，特別是塑料排水板的淤堵問題，即在真空預(yù)壓處理軟土過程中緊靠塑料排水板的周圍會出現(xiàn)滲透性極低的“土柱”，這些“土柱”本身比周圍的超軟土具有更高的強度和密度，其形成和存在起到了類似砂井地基中的涂抹作用，阻礙了周圍軟土的排水固結(jié)，導(dǎo)致其強度極低[4-5]，在一定程度上阻礙了外圍土中水向塑料排水板處的流動。為解決這一問題，許多學(xué)者進(jìn)行了研究與探討:沈宇鵬等[6]進(jìn)行了增壓式真空預(yù)壓法軟土處理試驗，證明通過增加正向壓力與負(fù)壓進(jìn)行迭加可以提高真空預(yù)壓地基處理效率；劉松玉等[7]提出氣壓劈裂真空預(yù)壓法，通過向地層中注入高壓空氣使土體產(chǎn)生裂隙并增加土體滲透性，減輕真空預(yù)壓過程中的淤堵現(xiàn)象；王軍等[8]采用防淤堵排水板對直排式真空預(yù)壓技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，整體式排水板濾膜為無凹凸結(jié)構(gòu)親水性材料，濾膜與芯材軋在一起能提高排水效率；雷華陽等[9-10]從微觀角度探討了增壓式真空預(yù)壓法的加固效果優(yōu)于常規(guī)真空預(yù)壓法的機理。

雖然這些方法均在防淤堵方面取得一定的效果，但是仍然無法從根本上解決淤堵問題。武亞軍等[11]提出藥劑真空預(yù)壓法取得了很好的防淤堵效果，該方法是先通過添加化學(xué)藥劑對吹填高含水率土進(jìn)行絮凝或調(diào)質(zhì)，以增加土顆粒粒徑、改變土體顆粒與孔隙的接觸特征、改善土體的滲透與固結(jié)特性，再施加真空荷載，從而達(dá)到防止淤堵、增強真空預(yù)壓處理效果的目的；蒲訶夫等[12]提出一種絮凝沉積-水平真空兩段式脫水法處理高含水率疏浚淤泥，該研究顯示絮凝劑的添加可以大幅提高疏浚淤泥的脫水效率。目前藥劑真空預(yù)壓法在高含水率軟土及市政污泥處理中均取得很好的效果[13-14]。

受黃河與渤海海相兩方面因素的影響，山東省東營地區(qū)軟土兼具黃河三角洲和海洋沉積的特性，由吹填渤海海底泥沙形成的場地，部分地區(qū)含沙量很高，場地工程地質(zhì)特性較好，但更多的場地疏浚泥顆粒細(xì)、含水率高，采用真空預(yù)壓法地基處理會面臨因淤堵導(dǎo)致的加固效果差、時間長等缺點。本文擬將藥劑真空預(yù)壓法引入東營地區(qū)吹填軟土處理中，從東營港區(qū)吹填現(xiàn)場取樣，測試疏浚泥樣的各項物理指標(biāo)與礦物組成成分。為了模擬疏浚泥的天然沉積過程與不同藥劑絮凝過程進(jìn)行沉降柱試驗，并對不同藥劑絮凝后的絮凝體進(jìn)行固結(jié)試驗，系統(tǒng)研究了疏浚泥的基本物理性質(zhì)、藥劑絮凝與固結(jié)特性，對進(jìn)一步采用藥劑真空預(yù)壓法處理東營疏浚泥具有指導(dǎo)意義。

1 疏浚泥礦物組成與基本物理性質(zhì)

1.1 疏浚泥樣及其礦物成分

試驗土樣取自山東省東營市東營港區(qū)(圖1)。為盡量減少擾動土樣，所有土樣在現(xiàn)場及時用臘及膠帶封存，保持其天然濕度和結(jié)構(gòu)，并及時送回實驗室進(jìn)行試驗。通過X 射線衍射試驗(XRD)和X 射線熒光光譜試驗(XRF)對東營地區(qū)疏浚泥的礦物成分和氧化物(含元素)進(jìn)行測試分析，分析結(jié)果見圖2 及表1、2。

圖1 試驗土樣

圖2 土體中的礦物成分

表1 疏浚泥中的主要化合物及含量

由圖2 和表1 可知，東營疏浚泥氧化物以SiO2為主，約占41.6%，CaCO3含量約占24.7%，黏土礦物約占33.7%。

從表2 可知，該地區(qū)疏浚泥中主要的氧化物為SiO2、Fe2O3、CaO 和Al2O3，約占總量的90%；元素主要以O(shè)、Ca、Fe、Al 和Si 為主，約占總量的90%。同時，這些氧化物和元素與礦物成分的分析結(jié)果基本一致，二者可以相互印證。

表2 疏浚泥中的主要元素及含量

1.2 疏浚泥的基本物理性質(zhì)

該地區(qū)的疏浚泥經(jīng)過多年的自重沉積，內(nèi)部已經(jīng)形成一定的結(jié)構(gòu)強度，該疏浚泥的基本物理指標(biāo)見表3。根據(jù)含水率、液塑等各項指標(biāo)可知該軟土為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。

表3 疏浚泥的基本物理指標(biāo)

從表3 可知，泥的初始含水率為43.7%，液限、塑限分別為33.0%、18.8%，含水率大于液限，孔隙比大于1.0。顆粒級配曲線見圖3。從圖3可知，砂粒、粉粒、黏粒、膠粒分別占2%、69%、15%、14%；東營疏浚泥的顆粒級配大部分是粉粒(占69%)，砂粒僅占2%，黏粒與膠粒分別為15%與14%；不均勻系數(shù)(Cu)與曲率系數(shù)(Cc)分別為8.87 與1.26，滿足Cu≥5 和1≤Cc≤3 的條件，表明疏浚泥級配較好，滲透性相對較差。

圖3 土顆粒粒徑累積分布曲線

2 疏浚泥的絮凝特性

2.1 絮凝劑與絮凝模擬方案

絮凝劑一般有無機絮凝劑(生石灰、熟石灰、氯化鈣等)、有機絮凝劑(聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉、聚乙烯吡啶鹽、聚乙烯亞胺等)、微生物絮凝劑和植物絮凝劑4 種類型。微生物絮凝劑與植物絮凝劑研究剛剛起步，機理不很清楚，基本沒有工程應(yīng)用，因此，本文采用生石灰(CaO)和有機絮凝劑(APAM)兩種絮凝劑進(jìn)行研究，其中CaO 按照泥漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行添加，分別為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%；APAM 按照100、150、200、300 g∕m3添加。

考慮到吹填初期場地內(nèi)土體的含水率極高(約500%)，為了模擬海洋土從吹填到自重固結(jié)的整個沉積過程，試驗前將取回的土樣統(tǒng)一加水配制成含水率為500%的泥漿，使用該泥漿進(jìn)行沉降柱試驗。沉降柱為橫截面積12.56 cm2、容積500 mL的玻璃量筒，外壁的刻度線精度為5 mm。首先將計算好質(zhì)量的疏浚泥樣與水倒入1 000 mL 的大量筒內(nèi)，分別配制成體積約為450 mL 的試驗?zāi)酀{，再加入相應(yīng)的CaO 或者APAM，采用玻璃棒攪拌使絮凝劑與泥漿充分混合均勻，配置成450 mL疏浚泥泥漿混合液。分別取400 mL 混合液倒入500 mL量筒內(nèi)進(jìn)行沉降柱試驗，為防止蒸發(fā)帶來的誤差，使用保鮮膜封頂，試驗過程中采用便攜式無線攝像機進(jìn)行實時跟蹤記錄，得到任意時刻各個沉降柱內(nèi)泥水混液面隨時間的連續(xù)變化情況(圖4)。

圖4 絮凝試驗裝置

2.2 疏浚泥的絮凝特性

通過沉降柱試驗探究不同添加量的CaO 與APAM 對絮凝速度和絮凝后泥漿含水率的影響，通過綜合評價確定適合工程實際的藥劑類型與添加量。

沉降柱試驗的沉降過程見圖5。從圖5 可以看出:1)加入不同量的APAM 后絮凝沉降速度大大加快，比原狀泥漿的絮凝速度均有較大程度的提升；2)加入不同量的APAM 絮凝沉降速度不同，速度隨著添加量的增加而加快，添加量為300 g∕m3時速度最快，基本在5 min 內(nèi)能完成沉降，之后趨于穩(wěn)定；3)不同添加量絮凝劑得到的最終混液面高度相當(dāng)，基本接近最優(yōu)添加量。

圖5 不同絮凝劑的沉降柱試驗

在加入不同摻量CaO 的泥漿中，可以看到加入藥劑后絮凝速度明顯低于原狀泥漿的絮凝速度，且隨著添加量的增加泥漿絮凝速度先減小后增加，最終的混液面高度也出現(xiàn)了較大差別，隨著CaO添加量的增加混液面高度逐漸增加，但添加量較大時高度保持一致。

圖6 為不加絮凝劑、添加CaO 與APAM 時，沉降柱試驗進(jìn)行到25 h 排出上清液后下部絮凝體的含水率分布。從圖6 可以看出:不加絮凝劑時，前期絮凝速度最慢，但3～5 h 沉降速率增加很快，25 h 絮凝體的含水率最低，為145.9%；添加APAM 后，泥漿的絮凝速度非常快，絮凝體的含水率隨添加量的增加顯示出先減小后增加的規(guī)律:在添加量為150 g∕m3時含水率最低，為145.6%；添加量為300 g∕m3時含水率最高，為177.8%，可以認(rèn)為150 g∕m3為最優(yōu)添加量。添加CaO 后的含水率均比不加絮凝劑時的高，同時，添加量越高含水率越高，結(jié)合絮凝沉降曲線，說明加入CaO會縮短了絮凝沉降過程，但是絮凝過程中絮體顆粒會包裹部分水同時沉降。另外，CaO 與水反應(yīng)生成Ca(OH)2，Ca(OH)2與土顆粒發(fā)生離子交換和火山灰反應(yīng)，所形成的結(jié)晶水化物具有一定的結(jié)構(gòu)強度，起到了固化作用，不利于絮凝體體積的減小。以上APAM 與CaO 絮凝劑的含水率變化規(guī)律與沉降變化規(guī)律是一致的，即絮凝體體積小、含水率低。

圖6 絮凝后泥漿含水率

3 疏浚泥的固結(jié)特性

為探究APAM 與CaO 絮凝作用對疏浚泥固結(jié)特性的影響，進(jìn)行室內(nèi)固結(jié)試驗，以確定疏浚泥的固結(jié)系數(shù)，再利用飽和土一維固結(jié)微分方程反推其滲透系數(shù)。

從絮凝試驗可知，過高含水率(500%)的泥漿不加絮凝劑時已能很快固結(jié)分離，考慮到固結(jié)試驗需要一定的時間，施加初級荷載時可能已經(jīng)發(fā)生固液分離，如果采用500%含水率的泥漿進(jìn)行固結(jié)試驗無法反映真實情況，根據(jù)經(jīng)驗，過高含水率疏浚泥泥漿在固結(jié)儀中會發(fā)生漿液擠出而影響結(jié)果的現(xiàn)象?；谶@兩點考慮，本文在固結(jié)試驗時確定采用含水率為200%的泥漿。

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泥漿，調(diào)制成含水率200%，在其中加入絮凝劑。其中CaO 分別按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、APAM 按照150、200、300 g∕m3添加。然后分層填入4 cm 環(huán)刀中，固結(jié)試驗初級荷載為12.5 kPa，加荷率為1，最大荷載為200 kPa，試驗按照GB∕T 50123—2019《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[15]中的方法進(jìn)行。

采用時間平方根法計算固結(jié)系數(shù)，結(jié)果見圖7。從圖7 可以看出，隨著荷載的增加，泥漿的固結(jié)系數(shù)逐漸增加，且在前期的加載中固結(jié)系數(shù)增加更為明顯，隨著荷載增大固結(jié)系數(shù)增長變緩。在加入CaO 藥劑的泥漿中，其固結(jié)系數(shù)均比原狀固結(jié)系數(shù)大。在0.2%～0.6%添加量范圍內(nèi)，固結(jié)系數(shù)隨著藥劑添加量的增加而顯著增加；在添加0.6%的CaO 時，固結(jié)系數(shù)比于原狀泥漿增大2～3 倍，能夠大幅度提高泥漿固結(jié)沉降速度；但在加入0.8%的CaO 時泥漿的固結(jié)系數(shù)反而下降。這是因為Ca(OH)2電離出的Ca2＋置換土顆粒表面低價陽離子，土顆粒表面雙電層變薄，同時Ca(OH)2具有橋連作用，小顆粒聚集形成排水通道，孔隙水易于排出，土體滲透系數(shù)增加。但當(dāng)添加過量時，反而使小顆粒無法聚集從而滲透性下降，固結(jié)系數(shù)降低?？傮w來說，添加CaO 能夠提高泥漿滲透性2～3 倍，且荷載在12.5～100 kPa 時顯著提高，在大于100 kPa 時提高并不明顯。實際真空預(yù)壓處理吹填泥漿時，真空荷載一般約為80 kPa，因此添加CaO 能夠顯著提高泥漿滲透性，從而提高真空預(yù)壓處理吹填場地的效果和效率。

圖7 絮凝疏浚泥的固結(jié)系數(shù)-荷載曲線

在加入APAM 藥劑的泥漿中，隨著荷載的增加泥漿的固結(jié)系數(shù)逐漸增大，與添加CaO 藥劑的規(guī)律相似。在添加不同量的APAM 時，泥漿固結(jié)系數(shù)隨著添加量的增加而增大，且在50～200 kPa時變化較為明顯，比原狀泥漿固結(jié)系數(shù)有所提升，但是相比于添加CaO 藥劑的泥漿，添加APAM 藥劑后固結(jié)系數(shù)變化并不顯著，最大只有1.5 倍，遠(yuǎn)小于添加CaO 藥劑后固結(jié)系數(shù)的變化幅度。

4 結(jié)論

1)該地區(qū)疏浚泥礦物成分以石英、碳酸鈣為主，且含有一定量的白云母、綠泥石等黏土礦物，物理性質(zhì)較差，排水固結(jié)較慢。

2)加入有機絮凝劑APAM 可大大提高固液分離速率，并能排出大量的上清液，最終上清液的體積比不加絮凝劑的約增加1∕4～1∕3；同時，加入有機絮凝劑會增大疏浚泥的固結(jié)系數(shù)，并且添加量越多固結(jié)系數(shù)越大。

3)無機絮凝劑CaO 的加入同樣能加快固液分離，但是上清液的體積比不添加絮凝劑的少，這一點與有機絮凝劑完全不同；加入無機絮凝劑后，固結(jié)系數(shù)隨著添加量的增加，呈先增加后減小的變化規(guī)律，因此，為了取得最佳的固結(jié)效果，應(yīng)該按照最優(yōu)添加量添加。

4)在本研究基礎(chǔ)上，為了探討藥劑真空預(yù)壓法處理的可行性，還需要進(jìn)一步開展真空固結(jié)研究工作。