高吸水性樹脂快速改善廢棄泥漿流動性試驗

摘要：高含水率、高流動性且低強度的工程廢棄泥漿的有效利用是亟待解決的工程實際問題。利用高吸水性樹脂材料對廢棄泥漿進(jìn)行處理，進(jìn)行了廢棄泥漿流動性試驗，探究不同初始含水率、不同質(zhì)量濃度吸水樹脂下廢棄泥漿流動性變化規(guī)律。結(jié)果表明：泥漿流動性隨著泥漿初始含水率的增加而增加，試驗范圍內(nèi)的泥漿初始含水率與流動值擬合曲線呈二次函數(shù)關(guān)系；在吸水樹脂質(zhì)量濃度為0～10 g/L范圍內(nèi)，泥漿流動性隨著吸水樹脂的質(zhì)量濃度增加而降低，而在10 g/L后泥漿呈塑性固化狀態(tài)；在10 min攪拌時間后，泥漿流動值變化處于較為穩(wěn)定狀態(tài)（流動值小于15 cm），具備可塑性，使得泥漿轉(zhuǎn)運或再利用過程快速便捷。影響泥漿流動性的關(guān)鍵因素是泥漿初始含水率和吸水樹脂的質(zhì)量濃度，攪拌時間也存在一定影響。

關(guān)鍵詞：工程廢棄泥漿 高吸水性樹脂 含水率 質(zhì)量濃度 流動性 吸水機理

中圖分類號：X799.1; TQ324.8" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" 文章編號：1671-8755（2024）03-0057-06

Experimental Study on Superabsorbent Resin to Rapidly Improving

the Fluidity of Waste Slurry

YU Kang1，LIU Junxin1，LI Xiaoge2，HUANG Boxiang1，REN Tianbin1

（1. School of Civil Engineering and Architecture， Southwest University of Science and Technology， Mianyang

621010， Sichuan， China; 2.China Railway Construction Group Co.， Ltd.， Beijing 100043， China）

Abstract：" The effective utilization of engineering waste slurry with high water content， high fluidity， and low strength is a practical engineering problem that needs to be solved urgently. Utilizing highly absorbent resin material to treat waste slurry， the waste slurry fluidity test was carried out to investigate the change rule of waste slurry fluidity under different initial water content and different quality concentrations of absorbent resin. The results show that slurry fluidity increases with the increase of slurry initial water content， and the fitting curve of slurry initial water content and flow value in the test range is a quadratic function; Slurry fluidity decreases with the increase of the mass concentration of water absorbent resin within the range of 0-10 g/L， and the slurry is in the state of plastic curing after 10 g/L;" After 10 min of mixing time， the mud flow value is in a relatively stable state （the flow value is less than 15 cm） and is with plasticity， which makes the mud transfer or reuse process become fast and easy. The key factors affecting the flowability of the slurry are the initial water content of the slurry and the quality concentration of the water-absorbing resin， and the mixing time also has a specific effect.

Keywords：" Engineering waste slurry；Super absorbent resin；Water content；Mass concentration；Fluidity；Water absorption mechanism

由于我國工程建設(shè)進(jìn)程的不斷推進(jìn)，在高速道路、大型橋梁、泥水盾構(gòu)、地下連續(xù)墻等土木工程建設(shè)施工過程中無法避免地產(chǎn)生了許多廢棄泥漿。建設(shè)施工中產(chǎn)生的廢棄泥漿具有含水率高、承載力低且因具有污染性的特點，不能直接排放。如何有效快速地處理施工過程中產(chǎn)生的廢棄泥漿成為長期困擾工程施工方的一大難題［1-3］。

高吸水性樹脂材料（SAP）是一種含有多種親水性基團(tuán)且有一定交聯(lián)度和獨特三維離子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的水溶脹型功能高分子聚合物［4］。與傳統(tǒng)吸水材料如纖維素、海綿相比，其高分子鏈上含有大量的親水性官能團(tuán)如羧基（ COOH）、羥基（ OH）等［5］，可以在短時間內(nèi)迅速吸收比自重高成百上千倍的大量水分，無毒、環(huán)境友好、人體接觸無刺激性，而且具有能夠被反復(fù)使用的特點，是高分子功能材料的研究熱點［6］；SAP在常溫條件下具有優(yōu)良的保水性［7-8］，吸水后形成凝膠狀，即使在一定受熱和受壓下也不容易失水，整體穩(wěn)定性較好［9-11］。吸水樹脂表面粗糙，有褶皺，疏松多孔，有利于廢水中的分子、離子滲透到吸水樹脂網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)部，發(fā)生物理吸附［12］。目前國內(nèi)高吸水樹脂材料生產(chǎn)技術(shù)成熟，被廣泛運用到化工、農(nóng)林、衛(wèi)生醫(yī)療、建筑等領(lǐng)域［13-19］。

為快速改善高含水率廢棄泥漿的高流動性，使泥漿的流動性降低，具備一定的可塑性，便于廢棄泥漿的轉(zhuǎn)運、堆放及后期資源化再利用，本文利用高吸水性樹脂材料對廢棄泥漿進(jìn)行處理，通過室內(nèi)流動性試驗，探究了不同泥漿初始含水率、不同吸水樹脂質(zhì)量濃度下廢棄泥漿流動性變化規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗研究所用工程廢棄泥漿取自四川省綿陽市某施工現(xiàn)場，其外觀為褐色，具有含水率高、流動性較大的特點，試驗樣品如圖1所示。依據(jù)《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50123—2019）測定工程廢棄泥漿的各項物理性質(zhì)指標(biāo)，結(jié)果如表1所示。

試驗所用高吸水性樹脂材料產(chǎn)自宜興市可信的化工有限公司，屬于低交聯(lián)型聚丙烯酸鹽類高分子吸水樹脂，其外觀為白色粉粒，粒徑大小0.040～0.075 mm，理論吸水（無離子水量）率最大為700 g/g，中性，具有快速吸水、高效環(huán)保的特點。

1.2 試驗方法

1.2.1 高吸水性樹脂在廢棄泥漿中的吸水率測定

為了測試高吸水性樹脂材料在廢棄泥漿中的實際吸水性能，設(shè)計了高吸水樹脂的吸水率試驗，吸水率為每克高吸水樹脂吸收水的克數(shù)。試驗采用濾袋法，在燒杯中加入500 mL廢棄泥漿，之后稱取1.0 g高吸水樹脂，利用濾紙將其包裹并固定在內(nèi)，放入燒杯中多次攪拌；充分吸水后將包裹著的吸水樹脂取出，靜放30 min，稱取質(zhì)量，按公式（1）計算吸水樹脂的吸水率［20］：

吸水率=m2-m1m0（1）

式中：m2為燒杯中泥漿的總質(zhì)量，g；m1為經(jīng)過高吸水樹脂處理后泥漿的質(zhì)量，g；m0為高吸水樹脂的質(zhì)量，g。重復(fù)上述試驗步驟并進(jìn)行3次平行試驗，取其平均值即可得到該高吸水樹脂處于此廢棄泥漿中的實際吸水率，最終測得此吸水樹脂在該廢棄泥漿中的吸水率為108.47 g/g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實際理論吸水值。這是由于高吸水性樹脂的吸水率可能受溶液種類、鹽度、離子濃度和pH值的影響，因此在實際施工現(xiàn)場應(yīng)用中有必要通過吸水率試驗來確定該樹脂在此廢棄泥漿中的實際吸水率，從而初步確定施工時吸水樹脂的用量。

1.2.2 廢棄泥漿流動性試驗

本試驗主要裝置如圖2所示。主要由一塊邊長為50 cm、另一塊邊長100 cm且?guī)в锌潭瘸叩挠袡C玻璃板和一個半徑為4 cm、高度為8 cm的有機玻璃圓柱筒組成（有機玻璃板表面光滑且圓柱筒內(nèi)壁光滑）；還有部分輔助儀器如：電子天平，型號：華興電子天平，精度0.01 g；恒溫烘箱，型號：HX-T；pH值測試筆，型號：?，擯H818；多個燒杯、玻璃棒等實驗器材。

廢棄泥漿轉(zhuǎn)運或再利用過程的便捷程度取決于其流動性大小。流動值能夠很好地反映廢棄泥漿的流動性，為了評價廢棄泥漿流動性變化，本研究以流動值作為評價指標(biāo)。借鑒丁建文等［21］的研究制作了廢棄泥漿流動性測試裝置（如圖2所示）。由于目前國內(nèi)還沒有統(tǒng)一的試驗規(guī)范，因此根據(jù)日本規(guī)范JIS R5201［22］開展了一系列的流動性試驗，測試了不同初始含水率、不同質(zhì)量濃度吸水樹脂下廢棄泥漿的流動值。具體實驗操作如下：將500 mL不同含水率的廢棄泥漿加入多個500 mL的燒杯中，再分別加入質(zhì)量濃度為0，2，4，6，8，10" g/L（前期預(yù)試驗可知質(zhì)量濃度在10 g/L以上時，泥漿已基本喪失流動性）的高吸水性樹脂材料（其中留下一組燒杯不加任何試劑作為空白組對照），用玻璃棒勻速攪拌，觀察各燒杯廢棄泥漿的狀態(tài)并緩慢倒入有機玻璃圓柱筒內(nèi)，用刮刀將上表面刮平，然后迅速將圓柱筒垂直提起，此時泥漿將會在有機玻璃板上均勻攤開，根據(jù)有機玻璃板底部的刻度測量泥漿向4個方向上流動的距離，并將4個刻度值進(jìn)行平均，即得到此狀態(tài)下泥漿的流動值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同泥漿初始含水率對泥漿流動性的影響

泥漿初始含水率是影響泥漿流動性的一個重要因素。根據(jù)實際工程中遇到的多種情況，調(diào)制了不同初始含水率的泥漿試樣，分別在同一時間內(nèi)測試了其流動性。試驗調(diào)制了7種不同含水率的泥漿，分別為：72%，77%，82%，87%，92%，97%，102%。試驗結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，泥漿流動值隨著泥漿初始含水率增大而增大。其初始含水率與流動值的關(guān)系可用如下函數(shù)來表示：

y=0.00482x2-0.17885x+3.3739（2）

曲線的R2=0.99986，接近于1，擬合優(yōu)度較好，說明泥漿初始含水率和流動值高度相關(guān)。這是因為泥漿中的水分為結(jié)合水、自由水，結(jié)合水的含量是不變的，產(chǎn)生變化的是泥漿中的自由水，自由水含量的不同導(dǎo)致了廢棄泥漿流動性的差異。由于這種高度相關(guān)性，可根據(jù)初始含水率初步判斷泥漿的流動性。

2.2 高吸水性樹脂的質(zhì)量濃度對泥漿流動性的影響

不同質(zhì)量濃度吸水樹脂處理廢棄泥漿的狀態(tài)描述見表2，泥漿照片如圖4所示。這里僅展示原始廢棄泥漿試驗結(jié)果，其他不同含水率的泥漿照片類似，限于篇幅不再展示。

不同含水率廢棄泥漿在添加高吸水性樹脂后的流動值對比如圖5所示。從圖5可以看出，隨著吸水樹脂添加的質(zhì)量濃度增加，泥漿流動值減小，而隨著初始含水率增大，泥漿流動值也不斷增大，但整體流動值呈下降趨勢，表明添加吸水樹脂后泥漿的流動性不斷減小。這是由于泥漿中的自由水含量對泥漿流動性有直接影響，加入泥漿中后大量的自由水被吸水樹脂中強親水性基團(tuán)吸附變成結(jié)合水，吸水樹脂質(zhì)量濃度/g·L-1廢棄泥漿試驗前后狀態(tài)

2無明顯的塑性體出現(xiàn)，試驗時有少量泥漿從圓柱筒的底部流出，流動穩(wěn)定后泥漿形態(tài)為圓餅狀，泥漿的稠度較小，流動值大。

4變?yōu)樗苄泽w的泥漿處于整體底部，未被固化的泥漿處在整體上部，微微傾斜燒杯時有明顯的分區(qū)，流動穩(wěn)定后泥漿的流動值較大。

6燒杯中的部分泥漿緩慢變成可塑狀態(tài)，微微傾斜燒杯時只有少量較好流動性的泥漿，流動穩(wěn)定后泥漿呈現(xiàn)圓臺狀，流動值小。

8燒杯內(nèi)的大多數(shù)泥漿呈塑性體，較前者更難攪拌，流動值較小。

10燒杯中的泥漿已完全變?yōu)樗苄泽w，極大傾斜燒杯時也無可流動的泥漿，可矗立在有機玻璃板上，不再具有流動性。

水分子迅速脫離，泥漿中的水分被吸水樹脂以凝膠的形式固定，泥漿中的自由水含量降低，導(dǎo)致泥漿的流動性下降，而且因為高吸水樹脂具有增稠性能，含水率下降的黏土礦物被團(tuán)聚在一起， 大大降低了廢棄泥漿的流動性。試驗發(fā)現(xiàn)，流動值大于15 cm時泥漿容易流動而缺乏可塑性，本文將流動值小于15 cm作為泥漿是否具有可塑性的范圍，此時泥漿易于形成可塑狀態(tài)。當(dāng)加入質(zhì)量濃度為10 g/L的吸水樹脂時，廢棄泥漿基本喪失流動性，固化為塑性體，可以直接矗立于有機玻璃板上，對于達(dá)到此種流動程度的泥漿，已經(jīng)完全可以運用傳統(tǒng)的處理工藝和機械方式來進(jìn)行轉(zhuǎn)運及再利用，可以極大提高泥漿處理效率和操作便捷度。

從上述試驗可知，在泥漿中添加一定比例的高吸水樹脂材料后，流動值也隨著含水率的增大而增大，但是不同含水率下泥漿流動性降低值顯然不同。為了定量化分析高吸水性樹脂材料對泥漿流動性的改善效果，在此引入?yún)?shù)相對流動值FC：

FC=L-D2（3）

式中：FC為相對流動值，cm；L為試驗測得的流動值，cm；D為泥漿試樣的初始直徑，cm。由于本次試驗所使用的有機玻璃圓柱筒的直徑為8 cm，因此式（3）中D統(tǒng)一取值8 cm。相對流動值可以直觀消除泥漿在有機玻璃圓柱筒中初始流動值的影響，可以更加精確地反映泥漿經(jīng)過處理后的流動性能，結(jié)果如圖6所示。在不同吸水樹脂摻量下泥漿相對流動值的降低幅度存在差異，將不同含水率的泥漿在不同摻量下相對流動值降低幅度進(jìn)行了比較，對比結(jié)果如圖7所示。

從圖6可以看出，相對流動值仍然隨著含水率的增大而增大，并且曲線變化趨勢越來越緩。由圖7可知，在加入同一摻量的高吸水性樹脂后，攪拌充分的泥漿其相對流動值降低幅度基本保持一致，并且不會因為泥漿的初始含水率不同而產(chǎn)生較大的差異。所以實際工程應(yīng)用中可以通過已知的初始含水率，在添加不同質(zhì)量濃度的高吸水樹脂材料后，由泥漿相對流動值的降低幅度來預(yù)測同類泥漿但不同含水率條件下的相對流動值，繼而可以預(yù)測添加高吸水樹脂后廢棄泥漿的流動改善效果。

2.3 攪拌時間對泥漿流動性的影響

不同攪拌時間條件下泥漿流動性的改善效果存在一定差異，在添加高吸水性樹脂材料后，泥漿的流動性需要多長時間才能降低到相對穩(wěn)定的狀態(tài)，在工程實際運用中至關(guān)重要。取兩個500 mL燒杯，在燒杯中加入300 mL的原始廢棄泥漿和含水率為102% 的廢棄泥漿，然后加入質(zhì)量濃度為 5 g/L的高吸水性樹脂材料，期間勻速攪拌，每攪拌2 min測量一次泥漿的流動性。試驗結(jié)果如圖8所示，泥漿狀態(tài)如圖9所示。

從圖8可以看出，兩種含水率的泥漿在攪拌2 min時流動值降低明顯，攪拌10 min時流動值基本穩(wěn)定不再繼續(xù)降低。在泥漿中添加高吸水性樹脂材料后，如吸水樹脂和廢棄泥漿混合不均勻，周圍包裹高吸水樹脂的泥漿水分被率先吸取，導(dǎo)致廢棄泥漿內(nèi)局部的自由水含量在短時間內(nèi)快速下降，因此在攪拌泥漿時會產(chǎn)生一些顯眼的較大團(tuán)塊。這是由于攪拌不夠迅速和攪拌時間不足，那些較大團(tuán)塊中集聚的高吸水樹脂沒有與廢棄泥漿充分混合而吸收泥漿整體的自由水，使得泥漿的流動性降低。在攪拌并不充分的情況下泥漿流動性仍然有很大改善，如果再繼續(xù)攪拌，前期聚集的團(tuán)塊會被打散，高吸水性樹脂最后將會均勻地散布在泥漿中。將高含水率廢棄泥漿和高吸水樹脂直接混合攪拌，短期內(nèi)能夠降低泥漿自身的含水率，宏觀表現(xiàn)為泥漿狀態(tài)的改變，迅速導(dǎo)致廢棄泥漿由流動狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭伤軤顟B(tài)（泥漿流動值小于15 cm），方便廢棄泥漿的轉(zhuǎn)運和再利用過程便捷快速進(jìn)行，縮短建設(shè)時間，節(jié)省費用，提高效率。

2.4 高吸水性樹脂材料的吸水機理

高分子骨架具有移動交聯(lián)的離子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（如圖10所示），強吸水性基團(tuán)（包括羥基和羧基等多種親水性基團(tuán)）所占比例越高，吸水率則越高。吸水樹脂在吸水過程中存在兩種主要的吸水方式：一種是通過自身表面的毛細(xì)管吸附及水分子的自由擴散來實現(xiàn)吸水；另一種是水分子通過樹脂主鏈或側(cè)鏈上較強的親水基團(tuán)（如羥基、羧基等）緊密結(jié)合，形成結(jié)合水。高吸水樹脂在吸水之前，高分子長鏈彼此互相絞纏聚攏，并且交聯(lián)為網(wǎng)狀構(gòu)造，陰離子此時處于固態(tài)網(wǎng)絡(luò)束縛狀態(tài)，還未能在離解作用下成為離子對；當(dāng)高吸水樹脂遇水時，水分子和其親水性基團(tuán)在離解作用下，高分子骨架上的陰離子被完全固定住，陽離子變?yōu)榭梢苿与x子，可以隨著水分子在結(jié)構(gòu)內(nèi)外移動；隨著親水基團(tuán)的一步步解離，高分子骨架上的陰離子數(shù)量逐漸增加，陰離子之間的靜電斥力增大導(dǎo)致離子交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)得以延伸擴展，因此離子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外會產(chǎn)生滲透壓差。在滲透壓作用驅(qū)使下，水分子向離子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)內(nèi)部移動滲透，最終滲透壓逐漸趨于動態(tài)平衡狀態(tài)，也即達(dá)到吸水平衡狀態(tài)，此時高吸水樹脂完成吸水過程（如圖10、圖11所

示）。 由此可知， 在高吸水性樹脂完成吸水過程中離子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的親水基離子是至關(guān)重要的，它具有擴展網(wǎng)絡(luò)作用和引起離子網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外滲透壓差的重要功能。

3 結(jié)論

利用高吸水性樹脂材料對廢棄泥漿進(jìn)行處理，進(jìn)行了廢棄泥漿流動性試驗，得到以下結(jié)論： （1）泥漿初始含水率和吸水樹脂的摻量是影響泥漿流動性的兩個關(guān)鍵因素，流動性隨著泥漿初始含水率的增加而增加，試驗范圍內(nèi)的廢棄泥漿初始含水率與流動值擬合曲線呈二次函數(shù)關(guān)系。（2）摻入少量的高吸水樹脂材料，泥漿流動性可快速降低，且泥漿流動性隨著吸水樹脂的添加量增加而降低。在廢棄泥漿中摻入適量的高吸水樹脂（10 g/L），經(jīng)過較短時間（10 min）攪拌后泥漿呈塑性固化狀態(tài)，具備可塑性，有利于泥漿的轉(zhuǎn)運和再利用。

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