吸水树脂快速固化高含水率疏浚淤泥试验

赵辰洋，王保田

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京 210098;2.河海大学岩土工程研究所，江苏南京 210098)

为了适应港口航道和海岸工程的发展速度，保证河道的通畅运行和正常泄洪，改善湖泊水质，我国每年均开展大规模的疏浚和清淤工程，从而产生大量的疏浚淤泥［1］。疏浚淤泥通常具有黏粒含量高、含水率高、强度低、渗透性差等工程特性，难以在工程中直接利用，一般通过设置陆地储泥场或者进行海洋抛弃等方式处理。这种处理方式不仅增加了工程造价，而且也带来了土地占用和环境污染等问题。另一方面，沿海地区港口工程建设需要大量土源作为工程填料，因而将废弃淤泥转化为良质土工材料不失为一种处理疏浚淤泥的好方法。目前，国内外大规模有效处理疏浚淤泥的方式是化学固化处理，诸多学者对这种固化方式进行了一系列的研究［2-6］。然而此类研究主要是用无机复合材料处理低含水率(一般初始含水率低于1倍液限)淤泥。虽也有报道高含水率淤泥的固化处理，但强度较低，效果不甚理想［7］。若想获得高强度的固化淤泥则需加入高掺入比的固化材料，但这会导致工程造价增加，从而限制高含水率淤泥固化的推广应用。本文采用吸水树脂快速固化高含水率疏浚淤泥，探索高效、廉价的疏浚淤泥固化处理技术;在此基础上，探讨该方法处理疏浚淤泥的适宜性问题，给出不同情况下吸水树脂快速固化疏浚淤泥最合理的使用方式，经济合理地将疏浚淤泥转化为良质土工材料。

1 吸水树脂的吸水机理

高吸水性树脂又称为超强吸水剂，是一种含有羧基、羟基等强亲水性基团并具有一定交联度的水溶胀型高分子聚合物。该材料分子中含有大量的羧基、羟基等强亲水性基团，因而具有高分子电解质的分子扩张性能;同时，由于微交联三维网络结构阻碍了分子的进一步扩张，使得分子在水中只溶胀、不溶解，具有特殊的吸水和保水能力。高吸水性树脂能吸收相当于自身质量几百倍甚至几千倍的水，并有很强的保水能力，即使在受热、加压条件下也不易失水，在光、热、酸碱环境下稳定性较好，还具有良好的生物降解性能［8-10］。刘廷栋等［11］、伍亚华等［12］从网络结构方面对高吸水性树脂的吸水机理进行分析，认为其具有轻度交联的空间网络结构，是由化学交联和高分子链间的相互缠绕等物理交联构成的。

2 试验材料和方案

2.1 试验材料

试验所用吸水树脂为进口HE-700型高吸水树脂，是一种聚丙烯酸钠盐有限交联聚合物，其粒径大小在150～300目(每平方英寸上的孔数目)之间，该HE-700型高吸水树脂理论吸水(去离子水)率最大为800 g/g。试验所用疏浚淤泥取自南京秦淮河，其天然质量含水率(下文含水率均指质量含水率)为90% ～95%、塑限为38.6%，液限为72.2%，塑性指数为34，相对密度为2.70，黏粒质量分数为16%。

2.2 试验方案

为了检验吸水树脂的实际吸水能力，设计吸水树脂的吸水率试验，吸水率就是每克吸水剂吸收水的克数，用α表示，单位为g/g。试验采用滤袋法，滤袋规格为100目。预先称取0.5 g树脂放入滤袋中，并称取树脂和滤袋的总质量M1，然后缝好袋口。将该滤袋放入盛有800 cm3试验用水的1 000 cm3烧杯中，让袋中的树脂充分吸水，15min后再次称量滤袋的总质量M2，则α=(M2-M1)/0.5。重复上述步骤进行几次平行试验，取其平均值即可得到该吸水树脂的吸水率，此试验得出的吸水率为该吸水树脂吸收在该试验用水中的吸水率。

吸水树脂的吸水能力会受溶液pH、溶液中离子含量和种类的影响，因此在实际应用中有必要知道该树脂在淤泥中的实际吸水能力。因此取淤泥中含有多种离子的滤出液按上述试验方案进行试验，测出吸水树脂吸收淤泥中污水的能力。

为达到高效处理高含水率疏浚淤泥的目的，结合淤泥自然沉积后含水率的稳定范围，取淤泥的初始含水率为93.9%(为1.3倍液限含水率)。根据树脂在淤泥滤出液中的吸水率，称取不同质量的树脂与淤泥进行拌和，观察疏浚淤泥状态的变化、测定其界限含水率。然后将不同树脂掺量的淤泥取出部分装入铝盒后放入恒温干燥箱中进行干燥，将干燥箱的温度设定为恒温30℃(模拟自然环境利用太阳能烘干)，定时称量各试样的质量，计算淤泥的含水率变化。定义淤泥失水率为所失水质量与淤泥中初始含水量之比［13］，从而得到固化疏浚淤泥所用吸水树脂的合理掺量。

利用吸水树脂对高含水率疏浚淤泥进行快速脱水试验研究吸水树脂循环利用的可行性，试验使用方形有机玻璃模型槽(长、宽、高分别为32 cm，14 cm和18 cm)，共设计3种试验方案。

方案1:仅在淤泥表面布置吸水树脂。在模型槽中铺大约15 cm厚的淤泥，预先测定淤泥质量为10 kg，在淤泥表面垫1层土工布，树脂掺量按树脂质量与淤泥中水质量之比称取树脂，均匀撒在土工布上让其吸水，再将模型槽顶部密封，静置24 h后取出树脂，测定模型槽不同位置淤泥的实际含水率。

方案2:沿水平方向布置吸水树脂。分别称取与试验方案1中相同质量的吸水树脂和淤泥，各平均分为3份，取其中1份淤泥装入模型槽中，在其表面铺1层土工布，取其中1份树脂均匀地撒在土工布上后再铺上一层土工布，按同样的方法填入剩余的2份树脂和淤泥，填筑完毕后将模型槽顶部密封，静置24 h后取出树脂，测定模型槽不同位置淤泥的含水率。

方案3:沿竖直方向布置吸水树脂。称取与试验方案1中相同质量的吸水树脂和淤泥，将淤泥铺在模型槽中，厚度大约为15 cm，沿模型槽长度方向每隔8 cm插入1块塑料排水板，将树脂平均分为3份均匀地装入3块塑料排水板中，再将模型槽顶部密封，静置24 h后取出树脂，测定模型槽不同位置淤泥的含水率。

最后将3组试验中吸水饱和的树脂在恒温30℃的烘箱中烘干，碾碎后测定其吸水率。

3 试验结果分析

3.1 吸水树脂吸水率确定

通过吸水树脂在不同溶液中的吸水率试验得出:初始状态的树脂在自来水、淤泥滤出液、0.9%NaCl溶液中的吸水率分别为204.4 g/g，116.1 g/g，47.8 g/g;将在自来水、淤泥滤出液中吸水饱和的树脂放入0.9%NaCl溶液中的吸水率分别为68.9 g/g，70.7 g/g;然后，将在0.9%NaCl溶液中失水的树脂分别重新放入自来水和淤泥滤出液中，此时树脂的吸水率分别为166.6 g/g，90 g/g。由此可见，吸水树脂在自来水中吸水率最高，在0.9%NaCl溶液中吸水率最低，在淤泥滤出液中的吸水率居中，但都与树脂在去离子水中的理论最高吸水率800 g/g有较大差距，因此对于现场淤泥需要通过吸水率试验确定其真实吸水率。此外，利用树脂在0.9%NaCl溶液中吸水率较低的性质，实际处理过程中，对于含水率较高的淤泥可以将在淤泥中吸水饱和的树脂取出转入到NaCl溶液中，失水完毕后再将树脂转回淤泥中，这样循环使用可以实现高含水率淤泥的快速脱水，并能节约成本。

3.2 树脂合理掺量确定

根据树脂吸收淤泥中水的实际能力，按树脂质量与淤泥中所含水质量之比为1/110称取该吸水树脂，掺入到淤泥中并拌和均匀，观察淤泥状态的改变并逐步增加树脂掺量。

不同树脂掺量下淤泥状态如图所1示。由图1可见，随着树脂掺量的增加，淤泥由流动状态逐渐变成可塑的固态。通过液塑限试验测定淤泥掺入树脂前后的界限含水率，如表1所示。

由表1可见，掺入树脂后淤泥的液限、塑限升高，直接表现为淤泥状态的改变:由流动状态变为可塑态。淤泥掺入树脂后的这一特性可以方便淤泥的转运和堆放。

图1 不同树脂掺量下的淤泥Fig.1 Different mixtures of sludge and resin

掺入树脂后淤泥失水率随时间的变化关系曲线如图2所示。由图2可见，在外界环境下(温度为30℃)，不同树脂掺量的淤泥均会失去部分水分，24 h内失水率均较低，在5% ～15%之间，240 h内淤泥失水率在55%～95%之间。掺入树脂后淤泥的失水速率较未掺树脂的淤泥明显下降，说明树脂的掺入使淤泥失水速率减慢，因为淤泥中的大量自由水被树脂中的强亲水性基团吸附，水分子脱离变得更加困难;随着树脂的掺入及掺量的增加，淤泥失水速率逐渐变低，结合界限含水率试验结果，树脂的合理掺量选取为1/90。

表1 淤泥液塑限试验结果Table 1 Results of liquid and plastic limits test

图2 淤泥失水率随时间变化曲线Fig.2 Variation of water loss rate of sludge with time

3.3 淤泥快速脱水试验

利用吸水树脂对高含水率疏浚淤泥进行快速脱水，试验结果见表2。由表2可见仅在淤泥表面布置1/110掺量的吸水树脂时，经树脂脱水后淤泥含水率显著降低，尤其是表层含水率下降20%左右，但中层和底层含水率降低效果不理想，结合图3(a)发现试验过程没有充分发挥树脂的吸水作用，即使增加树脂掺量到1/90，淤泥含水率也没有进一步明显降低，可能是因为淤泥的渗透系数较小，渗透性能差，而渗径又较长所致。

水平布置吸水树脂时效果较好，淤泥整体含水率均已降至液限含水率以下，结合图3(b)(c)可见，表层树脂只有底面与淤泥接触，吸水率不高;中层树脂上、下两面都和淤泥接触，吸水率较高，说明减小渗径有助于淤泥脱水。实际工程中，对于准备要堆放高含水率疏浚淤泥的场地，可以利用土工布沿水平方向布置吸水树脂以快速降低淤泥的整体含水率。

图3 不同试验方案中的树脂Fig.3 Resin for different tests

竖直布置吸水树脂时效果也比较好，中层和底层淤泥的含水率已降至液限以下，但表层含水率比较高，原因可能是往排水板中添加树脂时，由于振捣作用大部分树脂下沉至淤泥中层和底层，表层树脂较少。由图3(d)可见，由于塑料排水板体积有限，一定程度上抑制树脂吸水后的膨胀作用，使树脂的吸水作用没有充分发挥。实际工程中，对于已经堆放高含水率疏浚淤泥的场地，可以利用塑料排水板沿竖直方向布置吸水树脂，同时不断变换塑料排水板的位置并适时取出塑料排水板循环利用树脂或更换新的树脂以快速降低淤泥整体含水率，节约工程成本。

将上述淤泥快速脱水试验中吸水饱和的树脂在恒温30℃的烘箱中烘干(模拟自然环境利用太阳能烘干)，然后碾碎进行吸水率测定试验，发现树脂在自来水中的吸水率为146.3 g/g，在淤泥滤出液中吸水率为84.6 g/g，降为初始吸水率的72%左右，说明循环利用树脂是可行的。该吸水树脂的售价约为15元/kg，处理1m3高含水率疏浚淤泥的价格约为200元，将吸水树脂循环利用1次成本降为115元左右，再将树脂循环利用可以进一步降低成本。

表2 吸水树脂脱水后不同位置淤泥的含水率Table 2 Water content of sludge in different positions after being dewatered by resin

4 结 论

a.提出可以将吸水树脂在高含水率疏浚淤泥和0.9%NaCl溶液中不断转换以实现对高含水率疏浚淤泥快速脱水的方法。

b.将吸水树脂和高含水率疏浚淤泥直接拌和可以提高淤泥的塑限和液限，快速地将淤泥由流动状态转变为可塑态，方便淤泥的转运和堆放。

c.准备堆放高含水率疏浚淤泥的场地，可以在堆放疏浚淤泥的过程中采用土工布沿水平方向在淤泥不同高度处布置吸水树脂;已经堆放高含水率疏浚淤泥的场地，可以利用塑料排水板沿竖直方向在淤泥堆场的不同位置布置吸水树脂，一段时间后变换排水板的位置并取出其中树脂循环利用或更换新的树脂。这样可以快速将疏浚淤泥的整体含水率由初始的1.3倍液限降至液限含水率附近。

d.吸水饱和的树脂在30℃左右的环境下烘干后吸水率降为初始吸水率的72%左右，可以循环利用，从而降低工程成本。

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