高吸水材料改善高含水率淤泥流动性的试验研究

纪文栋 ，张宇亭 ，颜容涛，王 欢 ，孟 毅

（1. 交通运输部天津水运工程科学研究所 水工构造物检测诊断与加固技术交通行业重点试验室，天津 300456；2. 交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456；3. 桂林理工大学 土木与建筑工程学院，广西 桂林 541004）

1 引 言

在市政工程尤其是湖泊及城市河流的疏浚工程中会产生大量高含水率的淤泥，这种淤泥强度几乎为零，具有含水率大于液限，呈现流态，含有重金属及有机污染物等特点。随着城市建设施工环境标准的提高，对这种污染土体的处理要求也越来越高。

后续不论采用何种方式处理此类淤泥，前期都会面临着一个比较突出的问题，即淤泥的流动性非常高，难以成型，如果不进行预处理，堆放和运输都会非常的不方便。现在一般采用的措施是围堰自然脱水和利用脱水设备进行机械脱水。围堰自然脱水需要占用场地大，容易造成二次污染，效率也很低，所以在城市建设和疏浚工程中已经基本弃用。机械脱水可以较快的进行脱水，但也存在噪音大，能源消耗大、滤带和絮凝剂的消耗比较多的缺点。因此需要一种可以使得淤泥流动性能够迅速降低的方法，从而实现淤泥的便利周转和运输。

对于淤泥的流动性，学者们开展了一系列的研究，丁建文等[1－2]做了相关研究，开展了高含水率疏浚淤泥固化过程中流动值改善的研究，发现以水泥为主体的固化材料添量和淤泥流动值有线性相关关系。顾欢达等[3－5]、李建望等[6]开展了通过调整淤泥的含水率，然后在掺入固化剂的基础上使得淤泥保持一定的流动性，从而实现淤泥的回填或者回灌处理的研究。侯天顺[7]研究了轻质土流动性上下限含水率之间时的强度特性。朱伟等[8]根据以污泥、淤泥为主的各种泥状物产量巨大，需要研究安全、高效处理方法的现状，提出建立泥科学与应用技术的学科方向。

本次通过系列试验验证了应用一种全新的材料-高吸水材料处理高含水率淤泥的可行性。高吸水材料可以在短时间内吸收大量的水，使得淤泥中自由水含量迅速降低，从而实现淤泥的流动性降低，进而具备一定的可塑性，便于疏浚泥的堆放、运输及下一步处理。

高吸水材料为发展迅速的树脂材料，其典型特征为可以在短时间内吸收自重数百倍的水分，并且无毒、无臭、无腐蚀性。现已经广泛的应用于农林、防洪、医用、化工等多个领域[9－12]，生产的技术手段已经比较成熟，且根据不同的需求也已开发出了耐盐、耐酸、可降解等不同特性的高吸水材料，可以满足多领域的不同需求。

2 试验原理与设备

2.1 试验方法

在塑限和液限之间的土可以用液性指数来判定其软硬状态，当土的含水率大于液限的时候，土就处于流塑状态了，此时液性指数就不再适用衡量土的软硬状态了，需要用流动值来表征淤泥的流动性。

本文对淤泥流动性的研究借鉴了混凝土和易性指标中流动性测试的思路，参照丁建文等[1]思路制作了流动性测试仪器，用于测试不同状态下淤泥的流动值。由于国内还没有相关的测试规范，流动性测试仪器主要依照日本对淤泥流动性测试的仪器来制作，同时据日本相关规范的标准，依据流动值是否大于18 ±2 cm判断淤泥流动固化的可行性，即当大于此值的时候淤泥就比较易于流动，因此本文就借鉴此临界值，把小于18 cm当作淤泥是否具有一定可塑性，便于运输、存放的界限。

2.2 试验仪器

试验仪器的示意图如图1所示。由两个主要组件构成，组件1为一个内径为80 mm、高度为80 mm的圆柱体，其内壁光滑，组件2为一块透明有机玻璃平板，上表面光滑，底面标有刻度，直接读数。

图1 试验仪器Fig.1 Test instrument

3 试验方案

3.1 试验样品及基本参数

本次研究所用的淤泥取自天津市滨海新区西中环快速路旁贯穿城区的一条河流清理出来的淤泥。现场采集样品时，此淤泥已经经过了较长时间的晾晒，呈现较为松散的状态。土体中的污染物以重金属离子和有机物为主，此地区曾为近海潮间带，所以土体中盐含量偏高。对土样进行常规土工测试得到其基本物理指标见表1。

表1 试样的物理指标Table 1 Physical indices of samples

3.2 试验步骤

流动性测试的试验步骤为：① 试验仪器清洗干净，并将待测淤泥试样充分搅拌后灌注到组件1内，将上表面抹平，清理组件1筒壁外侧和组件2的平板上洒落的淤泥，如图2（a）所示。② 迅速将组件1垂直向上提起，此时淤泥将会在组件2的平板上摊开，如图2（b）所示。③根据组件2的刻度读出淤泥向4个方向流动的距离，把4个值进行平均就得到了淤泥的流动值。

图2 试验步骤Fig.2 Test procedure

4 不同添加量的试验结果

4.1 含水率对流动值的影响

大于液限的淤泥可当做流体来看待，其流动性是流体运动黏度的一种体现。流体本身性质的差异，导致其运动黏度的影响因素也不一致。现在对淤泥流动性影响因素的研究成果并不是很多，根据工程经验及淤泥液塑限的控制因素推断，含水率为影响淤泥流动性的一个重要因素。

表2 不同含水率试样方案Table 2 Test scheme of different moisture contents

根据工程中遇到的实际情况，制备了不同含水率的淤泥试样，分别测定了其流动值。制备的样品信息见表2，试验测试的结果如图3所示。

图3 含水率与流动值关系Fig.3 Relationship between flow value and moisture content

由试验结果可以看出，随着含水率的增加，淤泥的流动值也在逐渐增加，对于此种类型的淤泥，在所测试的含水率范围内，其流动性和含水率的关系大致可以用一元二次函数来表征，根据实测数据点拟合出来的曲线表达式为

此曲线拟合优度可以达到0.999 81，说明此淤泥在试验所测含水率的范围内，流动值和含水率之间的关系非常符合式（1）所表达的关系，可由含水率直接求得流动值的大小。

土中的水分为矿物成分水和土孔隙中的水，土孔隙中的水又进一步分为结合水和自由水。矿物成分水一般归属于土的固相成分中，在工程中不会考虑它对土体性质的影响。在此次试验中，土中结合水的含量是一定的，变化的只是土孔隙水中的自由水。因此是土中自由水含量的不同导致了淤泥流动性的不同。

4.2 不同添加量的影响

实际工程中处理的淤泥沉积稳定后的含水率一般在2.0～3.0倍液限之间[4]，考虑到沉积不充分的情况下含水率还会增高，本次试验所进行的试样含水率从2.3倍液限开始，直至3.8倍的液限。对不同含水率的试样分别按照试样质量的1%、2%、3%质量百分比添加高吸水材料，试验安排见表 3。试验过程中，当发现某一掺入量已经使淤泥流动值降低到比较低的程度，便不再进行下一级添加量的试验，对应于表中标注为“-”的试验项。

表3 不同添加量的试验方案Table 3 Test scheme of different addition values

由图4的试验结果及图5的试验照片可知，高吸水材料对于改善淤泥流动性有非常明显的效果，对于 75.0%和 87.5%含水率的试样，仅仅需要添加相当于试样总质量 1%的高吸水材料，便可以使得淤泥的流动性降低到18 cm的参考值以下；2%比例的高吸水材料添加量就可以满足处理3.4倍液限以下含水率的需要；对于最高的125%含水率的试样，3%质量百分比的添加量便可以使得淤泥的流动性降低到非常低的水平。处理后淤泥试样可以直立于桌面上，见图 5。对于达到此种流动程度的淤泥，已经完全可以运用传统的处理工艺和机械来进行挖掘、堆放和运输，可以极大的提高淤泥处理的效率和便利性。

图4 添加量与流动值关系Fig.4 Relationships between flow value and addition value

图5 125%含水率的试验图片Fig.5 Photographs of samples with a moisture content of 125%

由前述试验结果可知，淤泥中自由水的含量对淤泥流动性有直接的影响，本次试验所用的高吸水材料可以吸收自身重量几百倍的水，加入到淤泥中后大量的自由水被高吸水材料吸收变成了结合水，淤泥中的自由水含量降低使得淤泥的流动性下降，这就是利用高吸水材料降低淤泥流动性的机理。

4.3 处理效果的定量分析

将不同含水率淤泥在添加高吸水材料后的流动性测试结果进行对比，如图6所示。从图中可以看出，添加一定比例的高吸水材料后，流动值依然随着含水率的增大而增大，但是，在不同含水率下淤泥流动值的减小量是明显不同的。为了定量地分析高吸水材料的改善效果，在此引入“净流动值”参数：

式中：fn为净流动值；f为所测得的流动值；d为淤泥试样的初始直径。

图6 不同含水率淤泥的流动值降低Fig.6 Flow values reduction under different moisture contents

本次试验所用的测试容器的直径为80 mm，所以式（2）中d统一取值80 mm。净流动值消除了淤泥流动初始值的影响，可以更为准确地反映淤泥的流动扩散性能。

表4 净流动值降低比例Table 4 Decrease amplitudes of net flow values

将不同含水率淤泥在不同添加量下净流动值的降低程度进行了对比，结果见表 4。可以看到在添加 1%比例的高吸水材料后，不同含水率淤泥的净流动值都降低到原先值 50%左右的水平，添加 2%比例的高吸水材料后，除已经可以直立于桌面上的试样（初始含水率为75%、87.5%），其他试样净流动值降低到原先值25%左右的水平。

试验结果表明，在添加一定比例的高吸水材料后，流动充分的淤泥其净流动值降低比例是基本保持一致的，并不会因为淤泥的初始含水率不同而改变。工程实际应用中可以通过已知的某含水率下添加高吸水材料后淤泥净流动性的降低比例来预测同类淤泥其它含水率条件下的净流动值，从而预测高吸水材料的流动改善效果。

5 处理效果与时间的关系

淤泥流动性的降低效果的时间相关性是工程应用必须面对的问题，在添加高吸水材料后，淤泥的流动值需要多长时间便降低至较为稳定的阶段，即高吸水材料改善淤泥流动性的时间效率问题，这将直接关系到此方法的工程实用性。

表5 短时间试验方案Table 5 Test scheme in a short time

制备初始含水率为 100%的淤泥试样，添加1.5%质量百分比的高吸水材料。在未添加高吸水材料的时刻标记为 0点，将高吸水材料撒到淤泥表面，然后每搅拌2 min测定一次流动值。试样方案见表5，试验结果如图7所示。由图中可以看出，添加吸水材料后，搅拌2 min后流动值已经由33.1降低到19.3，在很短时间内可以实现显著的降低。在此基础上继续搅拌 2 min，流动值略有降低，再继续搅拌，流动值不再持续降低，反而略有上升。

图7 短时间内流动性变化Fig.7 Flow value variation in a short time

根据试验的现场观测，当在淤泥中添加高吸水材料后吸水材料会优先吸收其周围的水分，使得淤泥中局部自由水含量迅速降低，而在淤泥中出现一些明显的团块。搅拌时间较短时，这些团块中聚集的高吸水材料还没有充分的打散，正是因为这些团块的存在，使得淤泥的流动扩散受到了限制。这就是加入高吸水材料后，在搅拌并不充分的情况下淤泥的流动性依然有较大改善的原因。如果再继续搅拌，高吸水材料最终将会均匀的分布到淤泥中，前期聚集的团块也消失不见，由于淤泥比较均质，其流动性反而略有上升，图8为不同搅拌时间后的试验图片。试验结果表明，搅拌时间及搅拌的强度对高吸水材料效果的发挥并不是一个重要的影响因素，即使是搅拌时间短、强度低，也可以使得淤泥的流动值有显著的降低。高吸水材料的这种特性对于工程应用是十分有帮助的，不但可以显著降低时间损耗，还可以降低工程工作量，节省工程费用。

图8 不同搅拌时间试验图片Fig.8 Photos taken at different times

6 结 论

（1）淤泥的流动性与其含水率有直接的关系，对本次试验的淤泥，通过对流动值和含水率数据进行曲线拟合发现两者成二次函数关系。

（2）通过添加较少量的高吸水材料就可以使淤泥的流动性迅速降低，添加原泥质量 1%的高吸水材料就可以使 87.5%以下含水率的淤泥流动值降低到参考标准值以下，87.5%～112.5%含水率淤泥仅需2%添加量，对125%的高含水率，3%的添加量足可以使得淤泥直立于桌面。

（3）净流动值可以定量地分析流动性的改善效果，添加一定比例的高吸水材料后淤泥的净流动值降低比例是基本保持一致的，并不会因为淤泥的初始含水率不同而改变。

（4）添加高吸水材料后搅拌2 min就可以使得淤泥流动值有明显的改善，并接近最优情况，搅拌的持续时间和强度对其改善淤泥流动性并无明显影响，可以有效地降低工作耗时和工作强度，对工程应用非常有利。

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