基于正交试验的泥浆絮凝因素分析

杨春英,张清林，马洪波

(1.中国建筑股份有限公司技术中心，北京　101300；2.中冶天工集团有限公司渤海分公司，天津　300301)



基于正交试验的泥浆絮凝因素分析

杨春英1,张清林1，马洪波2

(1.中国建筑股份有限公司技术中心，北京101300；2.中冶天工集团有限公司渤海分公司，天津300301)

泥浆与絮凝剂的作用受到膨润土、Na2CO3、CMC、砂、重晶石等常用成份制约，采用正交试验方法安排多因素多水平试验，采用单因素分析及公示评分分析两种方法阐述泥浆成份对絮凝效果的影响程度。提出了不同考察指标时絮凝剂的最优选型。结果表明若重点以分离出液体的清净度和滤产率为考察指标时，选择粘度较大的阴离子聚丙烯酰胺效果较好；砂对泥浆各项絮凝结果起积极作用，重晶石对控制水质清净度起促进作用；膨润土、Na2CO3是影响絮凝效果的两个重要因素，CMC为第三因素。

泥浆成份；絮凝；正交试验

泥浆性质决定着其发挥作用的程度与优劣，例如在地下连续墙成槽施工全过程中泥浆需始终充满槽段，保证开挖槽面的稳定、并起悬浮泥渣、冷却切削机具的作用，泥浆的性质是地下连续墙成槽成功与否的关键[1]，而决定泥浆性质的是材料及配比。工程上根据使用需求往往要配置不同成份的泥浆。工程结束后，产生的大量废弃泥浆，目前认为行之有效的方法为絮凝固液分离。虽然絮凝处理泥浆的实验方法已有报道：文献[2]研究了不同类型、不同分子量和不同加药量对钻孔粘土泥浆压滤脱水性能的影响规律；文献[3]研究了复合絮凝剂对废弃泥浆脱水性能的影响；文献[4]通过对钻孔泥浆中添加阳离子聚丙烯酰胺，分析了泥浆pH值、粘度、Zeta电位在絮凝过程中随时间的变化规律，但絮凝成因复杂，这些试验和报道中并没有研究到泥浆不同成份及试验环境对絮凝效果的影响程度及规律。

泥浆与絮凝剂的作用受到内因(泥浆成份)主要为膨润土、Na2CO3、CMC、砂、重晶石等常用组份。明确泥浆各组成成份对絮凝效果的影响规律将有助于快速确定絮凝剂种类及用量，提高工作效率，节约处理成本。

由于絮凝效果受多种因素制约，各种因素又有多种水平，如果对每个因素的每个水平都相互搭配进行全面试验，需要做的试验数量会非常庞大，这就要求选择一种有效方法，在不影响试验效果的前提下，尽可能地减少试验次数。本文基于正交试验[5-6]理论开展研究，分析内因对泥浆絮凝效果的影响规律。试验所用泥浆来源为根据工程经验自配置泥浆，各泥浆成份差异为膨润土、Na2CO3、CMC、砂、重晶石的含量不同，各组分均取两位级；絮凝剂采用两种阴离子聚丙烯酰胺，分别为PAM2530、PAM2540，两者的区别在于粘度不同。

1　正交试验原则

1) 根据效果指标评定主要因素与次要因素(通过位级指标计算、极差R大小比较及方差分析，分析絮凝的主要影响因素)。

2) 分别列举试验的滤产率(絮凝后分离出的上清液体积减去絮凝剂用量之后与絮凝前试样总体积的比值，值大者为佳)之和、分离出的固体含水率(值小者为佳)之和，及水质清净度(采用观察法，评分高者为佳)，计算极差，并进行方差分析。

3) 判别试验结果，辅以公式评分法。对考察指标进行排队评分，即根据考察指标的重要程度对各指标进行公式计算，例如Z+Y-X等。

2　泥浆絮凝内因试验

查明除粘土以外的泥浆成份(膨润土、Na2CO3、CMC、砂、重晶石)对效果的影响的程度，各因素均取两位级，以正交表L8(27)来安排试验。

泥浆成份位级见表1，正交实验方案见表2。

表1　泥浆成份位级表(粘土含量均为20%)　%

五个两位级因素，絮凝剂种类为阴离子PAM，实验温度20 ℃，pH=7。

各试验泥浆样本均为500 mL，其中试验N-1至N-8使用絮凝剂阴离子PAM2530进行，N-9至N-12使用絮凝剂阴离子PAM2540进行。两种絮凝剂的区别在于后者较前者粘度更高。

表2　泥浆成份对絮凝效果影响分析实验表　%

3　试验结果分析

3.1阴离子PAM2540与PAM2530比较

表3是各试验结果数据。图1～图4分别是两种絮凝剂的用量、水质清净度、固体含水率、滤产率对比曲线图。

试验号1. 阴离子2530初始絮凝；2. 阴离子2530最佳絮凝；3. 阴离子2540初始絮凝；4. 阴离子2540最佳絮凝图1　两种絮凝剂对不同种类泥浆的用量对比

试验号1. 阴离子2530清净度分值；2. 阴离子2540清净度分值图2　两种絮凝剂对不同种类泥浆的水质清净度分值对比

表3　内因对絮凝效果的影响实验结果

试验号1. 阴离子2530含水率；2. 阴离子2540含水率图3　两种絮凝剂对不同种类泥浆的含水率对比

试验号1. 阴离子2530滤水率；2. 阴离子2540滤水率图4　两种絮凝剂对不同种类泥浆的滤产率对比

除试验N-7对应的泥浆两种絮凝剂效果近似外，其他泥浆的分离出的水质清净度，均为阴离子2540效果明显优良。单独以滤产率为考察指标，同样为阴离子2540更胜一筹。

根据试验含水率对比，可以确定阴离子2540对含CMC的泥浆絮凝效果优良。

因此，在工程应用中，若重点以分离出液体的清净度和滤产率为考察指标时，选择粘度较大的阴离子聚丙烯酰胺效果较好。

3.2内因结果分析

3.2.1单因素分析

各因素单独分析结果见表4、表5，其中表4为极差分析值，表5为极差分析结果。

1) 泥饼含水率分析。含水率值越高，则絮凝分离效果越差。根据试验极差数据，膨润土、Na2CO3、CMC中(Ⅰ-Ⅱ)为负值，表明这三种因素对对控制含水率起负作用，即含量越高，同样的试验条件下，絮凝分离出的泥饼含水率越高，效果越差；Na2CO3不同位级对应的含水率极差绝对值最大，表面其对絮凝效果影响最大，膨润土次之，CMC相较于二者小。

砂、重晶石中(Ⅰ-Ⅱ)为正值，表明此两种因素易于发育低含水率的泥浆固相物，前者相较于后者作用程度更深，即重晶石虽然不抑制絮凝发育，但促进作用也不明显。

根据方差分析F检验结果，Na2CO3的F值26.1大于F0.05(1，2)=18.51，为重要因素，其次为膨润土。

因此，综合极差、方差分析结果，以含水率为控制指标时，泥浆的各种成份中Na2CO3为重要因素，膨润土次之。

表4　内因实验分析表(单因素极差分析)

表5　内因实验方差分析表

F0.05(1，2)=18.51；F0.01(1，2)=98.5

2　水质清净度分析

与含水率相反，清净值越高，表明分离出的液体更清澈，絮凝效果越好。膨润土、Na2CO3中(i-ii)为正值，表明这两种因素对控制水质清净度起负作用，即膨润土、Na2CO3含量越高，析出的液体越浑浊。Na2CO3不同位级对应的水质清净度极差绝对值也为最大，因此同样质量分数下，Na2CO3为影响絮凝水质效果的主要因素，膨润土次之。

CMC、重晶石、砂三种因素的(i-ii)为负值，表明几种成份对水质清净起积极作用，但很微小。

根据方差分析，F检验中同样为Na2CO3的F值39.38大于F0.05(1，2)=18.51，为主要因素，膨润土的F值15.38接近F0.05(1，2)，对清净度也有较为重要的影响。

3　滤产率分析

滤产率为分离出的液体体积与絮凝剂用量的差值与泥浆体积之比。滤产率越高，表明分离出的液体量越大，絮凝效果越好。根据极差分析，只有砂对提高滤产率起积极作用，其余各种成份均起抑制作用。CMC较重晶石影响略大，但均不是主要因素。

F检验结果表明，Na2CO3、膨润土F值甚至大于F0.01(1，2)=98.5，因此Na2CO3、膨润土为主要因素，二者对滤产率的影响程度近似。

综上所述，从整体出发，膨润土、Na2CO3是影响絮凝效果的两个重要因素，因为膨润土对泥浆粘度影响大，Na2CO3影响pH值，使得作业环境呈碱性。3.2.2公式评分分析滤产率(代号Z)及水质清净度(代号Y)越高，絮凝效果越好；分离出的固体含水率(代号X)越低，絮凝效果越好，因此公式评分分析中采用公式：Z+Y-X进行综合分析，极差值为正时，为负作用因素，极差绝对值高者为主要因素。公式评分极差分析结果见表6、方差分析见表7。

表6　内因实验分析表(公式评分分析)

表7　内因实验综合评分后方差分析表

极差分析结果表明，同样是砂对絮凝效果起积极作用；重晶石对水质清净效果的积极促进作用，使得公式分析显示其对综合效果起促进作用。膨润土、Na2CO3是影响絮凝效果的两个重要因素，CMC为第三因素，但对试验结果影响不大。

F检验结果同样表明，Na2CO3F值接近F0.01(1，2)=98.5，为第一重要因素，膨润土F值大于F0.05(1，2)=18.51，为第二重要因素。

4　结论

若重点以分离出液体的清净度和滤产率为考察指标时，选择粘度较大的阴离子聚丙烯酰胺效果较好。使用阴离子聚丙烯酰胺2530处理泥浆，分离出的泥浆固体含水率更低，相较于阴离子聚丙烯酰胺2540，前者用量更少，更易于控制成本，因此，在工程应用时可优先选择2530聚丙烯酰胺作为絮凝剂，待分离提取出上清液后，再使用2540聚丙烯酰胺进行水处理，提高水质清净度。

砂对泥浆各项絮凝结果起积极作用，重晶石对控制水质清净度起促进作用，膨润土、Na2CO3是影响絮凝效果的两个重要因素，CMC为第三因素。

[1]罗云峰.地下连续墙成槽施工中的泥浆性能研究和探讨[J].岩土工程学报，2010，32(2)：447-450.

[2]张烁，庞建勇，孙林柱，等.PAM絮凝剂对钻孔粘土废弃泥浆脱水性能的影响[J].安徽理工大学学报(自然科学版)，2014，34(1)：34-38.

[3]饶运章，陈桢干，朱锋.复合絮凝剂应用于废泥浆脱水的试验研究[J].江西理工大学学报，2014，35(3)：29-32.

[4]丁伟文，孙林柱，丁光亚，等.阳离子PAM絮凝剂对钻孔泥浆絮凝效果的试验研究[J].三峡大学学报(自然科学版)，2013，35(3)：65-68.

[5]北京大学数学系试验设计组编.正交试验法[M].北京：科学普及出版社，1979：8-200.

[6]夏伯忠.正交试验法[M].吉林：吉林人民出版社，1985：15-156.

(责任编辑：李丽)

Analysis of Mud Flocculation Factors Based on Orthogonal Test

YANG Chun-ying1, ZHANG Qing-lin1, MA Hong-bo2

(1. China State Construction Engrg .Corp. LTD. Technical Center, Beijing 101300, China; 2. MCC TianGong Group Corp. LTD. Bohai Branch, Tianjin 300301, China)

Bentonite, Na2CO3, CMC, sand, barite and other common ingredients restrict the role of mud and flocculants. In this paper, orthogonal test method was adopted for multivariate multilevel test, and the methods of single factor and public ratings were used to illustrate the degree of influence caused by the mud ingredients and flocculant. Optimal selection of flocculant was put forward for different indexes. The results show that if the indexes are fluid cleanliness and filtration yield, anionic polyacrylamide with larger viscosity will be better. The sand plays an active role in flocculation of the mud and barite plays a catalytic role in fluid cleanliness. Bentonite and Na2CO3are two important factors for flocculation, while CMC is the third one.

Mud Ingredients; Flocculation; Orthogonal Test

2015-10-16

杨春英(1985-)，女，河北唐山人，工程师，硕士，研究方向：岩土施工中废弃泥浆资源化。

X799.1

A

1672-1098(2016)03-0058-06