化學(xué)吸水與絮凝對(duì)盾構(gòu)渣土流變性能的影響研究*

張 水，陽(yáng) 棟，李水生，侯亞康，李 晃

(中國(guó)建筑第五工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷加快及城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，城市軌道交通建設(shè)取得了快速發(fā)展，“十三五”期間我國(guó)城市軌道交通建成投運(yùn)線路超過(guò)3 000km，投資規(guī)模達(dá)(1.7～2)萬(wàn)億元，“十四五”期間我國(guó)城市軌道交通投運(yùn)線路有望新增 5 000km[1]。 城市軌道交通建設(shè)促進(jìn)了城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展，緩解了城市日益突出的交通擁擠問(wèn)題，但也產(chǎn)生了巨量的盾構(gòu)渣土，成為威脅環(huán)境安全和人們健康的重大隱患[2]。

目前，對(duì)盾構(gòu)渣土的處理方式多采用粗放式堆填。然而，由于盾構(gòu)渣土顆粒細(xì)小、含水率高(土壓平衡盾構(gòu)渣土含水率為10%～40%、泥水平衡盾構(gòu)渣土含水率為60%～80%)，呈現(xiàn)弱流動(dòng)或泥漿狀態(tài)，在運(yùn)輸過(guò)程中容易撒漏，導(dǎo)致城市路面、空氣質(zhì)量污染；高含水率盾構(gòu)渣土甚至需罐車(chē)運(yùn)輸，降低了渣土運(yùn)輸效率，增加了渣土運(yùn)輸成本[3-5]。渣土由于顆粒細(xì)小、含水率高，體積穩(wěn)定性差，直接堆放存在安全隱患。2015年12月20日，位于深圳市光明新區(qū)的紅坳渣土受納場(chǎng)因渣土失穩(wěn)發(fā)生滑坡事故，造成了大量人員傷亡和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[6]。當(dāng)前，在盾構(gòu)渣土資源化利用方面，通常也需對(duì)渣土進(jìn)行脫水處理，在低含水率狀態(tài)下將其用于制作燒結(jié)或免燒磚、陶粒等建材產(chǎn)品。

脫水處理已成為盾構(gòu)渣土減量化和無(wú)害化處理、資源化利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，決定了渣土處置的效率和成本。因此，研究高效的盾構(gòu)渣土脫水技術(shù)具有重要的社會(huì)效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 試驗(yàn)概況

1.1 原材料

1)渣土 取自于長(zhǎng)沙市地鐵6號(hào)線某區(qū)間段，為土壓平衡盾構(gòu)渣土，為強(qiáng)風(fēng)化板巖產(chǎn)出，外觀如圖1所示。對(duì)其含水率、液限、塑限等物理性能進(jìn)行測(cè)試，可得含水率為30%，液限為41.4%，塑限為26.4%，塑性指數(shù)為15.0。對(duì)其顆粒級(jí)配進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。其中，中值粒徑D50=7.351μm，粒徑<100μm的占比98%。

圖1 盾構(gòu)渣土外觀

圖2 盾構(gòu)渣土粒徑分布

2)高吸水性樹(shù)脂(SAP) 由鞏義市云森凈水材料有限公司生產(chǎn)，主要化學(xué)成分為低交聯(lián)型聚丙烯酸鈉，顆粒粒徑為50～200μm(D50=107μm)，在去離子水中的飽和吸水倍率為150。

3)聚丙烯酰胺(CPAM) 鞏義市云森凈水材料有限公司生產(chǎn)的陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺分子量為8×106～12×106Da，固含量≥90%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將渣土裝入1L量筒中，將不同摻量的SAP置于渣土表面，并用塑料薄膜將量筒口包裹住，靜置一段時(shí)間后取出SAP，將渣土攪拌均勻，再測(cè)試渣土含水率、稠度和流動(dòng)度。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)(1)

將不同摻量的CPAM與渣土攪拌均勻，靜置一段時(shí)間后，再測(cè)試渣土含水率、流動(dòng)度、稠度和Zeta電位。試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)(2)

1.3 試驗(yàn)方法

含水率按GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行測(cè)試；稠度參照GB/T 1346—2019《水泥標(biāo)準(zhǔn)稠度、凝結(jié)時(shí)間、安定性檢驗(yàn)方法》進(jìn)行測(cè)試，以試桿沉入深度來(lái)表示，試桿沉入深度越大，表示其稠度越大；流動(dòng)度按GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動(dòng)度測(cè)定方法》進(jìn)行測(cè)試；采用ZetaProbe電位分析儀對(duì)渣土Zeta電位進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 SAP對(duì)盾構(gòu)渣土脫水性能的影響

SAP是含有強(qiáng)親水性基團(tuán)并具有一定交聯(lián)度的功能性高分子材料，具有吸收比自身重幾百至幾千倍水的高吸水功能。SAP對(duì)渣土含水率的影響如圖3所示，相應(yīng)渣土狀態(tài)如圖4所示。

圖3 SAP摻量對(duì)渣土含水率的影響

圖4 摻加SAP的渣土靜置12h狀態(tài)

由圖3可知，摻加SAP可以有效降低渣土含水率，摻加0.2%SAP的渣土與空白試樣相比，含水率下降了12.3%；隨著SAP摻量的增加，渣土含水率不斷下降，但下降幅度逐漸減小，尤其是SAP摻量>0.8%時(shí)，在試驗(yàn)摻量范圍內(nèi)，渣土含水率下降幅度<1%。 含水率的下降改變了渣土流變性能，使渣土黏度增大，體積穩(wěn)定性提高。

考慮到SAP的吸水量除與其吸水能力有關(guān)外，還受其吸水速率的影響，因此，還需開(kāi)展SAP吸水時(shí)間對(duì)其吸水量的影響研究。在前期試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上選定SAP摻量為0.2%，研究在不同靜置時(shí)間下，SAP對(duì)渣土含水率、稠度和流動(dòng)度的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 不同靜置時(shí)間下SAP對(duì)渣土流變性能的影響

由表3可知，隨著靜置時(shí)間的延長(zhǎng)，渣土含水率、試桿沉入深度、流動(dòng)度逐漸減小。與原狀盾構(gòu)渣土相比，摻加0.2%SAP的渣土試樣靜置12，24，48，72h，含水率分別下降了12.3%，13.3%，14.6%，17.4%。渣土含水率的下降造成渣土流變性能變差，具體表現(xiàn)為試桿沉入深度和流動(dòng)度減小。

渣土含水率對(duì)其流變性能有較大影響。隨著渣土含水率不斷下降，渣土顆粒周?chē)ず穸戎饾u減小，使渣土中結(jié)合水和毛細(xì)水的連接增強(qiáng)，渣土顆粒間的黏聚力增大；同時(shí)，水膜厚度的減小引起渣土顆粒間距減小，渣土顆粒間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)、滾動(dòng)時(shí)的嵌效應(yīng)逐漸增強(qiáng)，內(nèi)摩擦角增大。由法國(guó)科學(xué)家C.A. Coulomb的土抗剪強(qiáng)度理論可知，隨著渣土黏聚力和內(nèi)摩擦角的增大，抗剪強(qiáng)度不斷增大，抵抗變形的能力得到了提高，即流動(dòng)性能下降，體積穩(wěn)定性提高。

2.2 CPAM對(duì)盾構(gòu)渣土脫水性能的影響

CPAM為高分子絮凝劑，可吸附水中懸浮顆粒，使細(xì)顆粒形成較大絮團(tuán)，并且加快沉淀速度。CPAM摻量、靜置時(shí)間對(duì)渣土含水率的影響如圖5所示，相應(yīng)渣土狀態(tài)如圖6所示。

圖5 CPAM摻量對(duì)渣土含水率的影響

圖6 摻加CPAM的渣土靜置48h狀態(tài)

由圖5可知，不同CPAM摻量的渣土在不同靜置時(shí)間下，含水率變化無(wú)規(guī)律，含水率下降也不明顯，與空白試樣相比，含水率變化基本在1%以?xún)?nèi)，考慮到攪拌過(guò)程中水分散失和測(cè)試誤差，可說(shuō)明摻加CPAM對(duì)渣土含水率幾乎無(wú)影響，但能明顯改變其流變性能，可使弱流動(dòng)狀態(tài)渣土短時(shí)間內(nèi)變成可塑狀態(tài)。由圖6可知，摻加CPAM的渣土靜置48h后，在攪拌機(jī)作用下，渣土顆粒黏聚成團(tuán)，且隨著CPAM摻量的增加，渣土黏聚體呈現(xiàn)由散狀到粒狀、粒徑由大變小的現(xiàn)象。

不同CPAM摻量、靜置時(shí)間對(duì)渣土稠度、流動(dòng)度的影響如圖7所示。由圖7可知，摻加CPAM可明顯降低渣土稠度和流動(dòng)度，當(dāng)CPAM摻量為0.05%時(shí)，與空白試樣相比，試桿沉入深度下降了35.1%，流動(dòng)度則下降了13.0%；隨著CPAM摻量的增大，試桿沉入深度、流動(dòng)度不斷減小，當(dāng)CPAM摻量>0.15%時(shí)，渣土進(jìn)入可塑狀態(tài)，試桿沉入深度變化不明顯，流動(dòng)度也基本不變。當(dāng)CPAM摻量較少時(shí)，渣土稠度、流動(dòng)度隨著靜置時(shí)間的延長(zhǎng)有一定下降，但隨著CPAM摻量的增加，靜置時(shí)間對(duì)渣土稠度、流動(dòng)度的影響越來(lái)越小。

圖7 CPAM摻量、靜置時(shí)間對(duì)渣土稠度、流動(dòng)變的影響

Zeta電位是表征分散體穩(wěn)定性的常用指標(biāo)。Zeta電位的絕對(duì)值越高，體系就越穩(wěn)定；反之Zeta電位絕對(duì)值越接近于0，則表明體系顆粒越傾向于凝聚。對(duì)不同CPAM摻量渣土的Zeta電位進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，摻加少量CPAM即可顯著提高渣土Zeta電位，且隨CPAM摻量的增加總體呈先升高后降低的趨勢(shì)。當(dāng)CPAM摻量為0.05%時(shí)，與空白試樣相比，其Zeta電位提高了79.3%；當(dāng)CPAM摻量為0.15%時(shí)，渣土Zeta電位為-0.2mV，接近電性中和狀態(tài)。

圖8 CPAM摻量對(duì)渣土Zeta電位的影響

渣土顆粒表面攜帶負(fù)電荷，具有良好的親水性，可與水分子緊密結(jié)合，導(dǎo)致其脫水較困難。CPAM攜帶大量—NH3OH，—NH2OH—，—CONH3OH 等離子基團(tuán)，易與渣土顆粒發(fā)生電性中和，進(jìn)而降低渣土Zeta電位絕對(duì)值，減弱渣土顆粒間的靜電斥力，使渣土顆粒失穩(wěn)而絮凝團(tuán)聚；同時(shí)，CPAM水解形成的分子鏈吸附在渣土顆粒表面，縱橫交錯(cuò)的分子鏈形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可捕捉離散顆粒，使團(tuán)聚體粒徑不斷增大。但當(dāng)CPAM摻量過(guò)大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)分子間相互包裹、相互擠占，抑制了吸附架橋和網(wǎng)捕-卷掃作用，從而對(duì)絮凝起到負(fù)面效應(yīng)。

3 結(jié)語(yǔ)

1) SAP可有效降低渣土含水率，且隨著靜置時(shí)間的延長(zhǎng)，渣土含水率不斷下降。當(dāng)SAP摻量為0.2%時(shí)，靜置12，24，48，72h的渣土試樣與原狀渣土試樣相比，含水率分別下降了12.3%，13.3%，14.6%，17.4%。渣土含水率的下降，改變了渣土流變性能，使其稠度和流動(dòng)度減小，體積穩(wěn)定性提高。

2) CPAM可有效提高渣土Zeta電位，并明顯改變?cè)亮髯冃阅?。?dāng)CPAM摻量為0.15%時(shí)，渣土試樣Zeta電位接近電性中和狀態(tài)，與原狀渣土試樣相比，稠度、流動(dòng)度分別下降了78.4%，22.1%。渣土稠度、流動(dòng)度隨著靜置時(shí)間的延長(zhǎng)有一定下降，但隨著CPAM摻量的增加，靜置時(shí)間對(duì)渣土稠度、流動(dòng)度的影響越來(lái)越小。

3) SAP，CPAM分別通過(guò)化學(xué)吸水、化學(xué)絮凝的方式使渣土流動(dòng)性下降，體積穩(wěn)定性能提高，有利于渣土后續(xù)運(yùn)輸、堆放和資源化利用。