氢氧化钙与聚丙烯酰胺对高含水率泥浆固结的影响

2018-08-15，，

长江科学院院报 2018年8期

，，

(1.上海大学土木工程系, 上海 200444；2.中南大学土木工程学院, 长沙 410083)

1 研究背景

钻井施工、地铁隧道盾构施工及地下连续墙施工中常排放出大量高含水率工程泥浆，泥浆在施工过程中起着平衡土压力、冷却钻具、携带钻渣等作用,但施工结束后却成为废弃物。由于泥浆含水率高、细颗粒含量大、稳定性强等特点导致其处置困难，乱排乱放会带来严重环境问题。随着环境岩土工程的发展，大批量工程废浆处理成为岩土工程研究领域的一个热点。有专家学者针对工程废浆处理进行了研究并取得一定进展。李冲等[1]研究了阴离子型聚丙烯酰胺(Anionic Polyacrylamidle，简称APAM)不同分子量、APAM溶液添加量、废浆pH值及与聚合氯化铝(PAC)混和使用等对工程废浆絮凝效果的影响。张欣喜等[2]比较了有机絮凝剂与无机絮凝剂对钻孔灌注桩废弃泥浆絮凝脱水效果，并分析了药剂对废浆的絮凝机理。鲍树峰等[3]提出了真空预压联合化学加固处理高黏粒含量吹填淤泥的思路，并结合室内模型试验进行了研究，取得良好的处理效果。刘禹杨等[4]对疏浚底泥掺外加剂后进行了真空预压脱水试验，证明了外掺剂联合真空预压法处理高含水率软土是可行的。

但是，化学药剂对处理废浆的效果存在差异，需要对药剂改良后废浆排水固结特性进行研究。此前，武亚军等[5-6]对添加含有机絮凝剂APAM溶液的废浆进行了真空预压处理研究，取得良好的效果，但是没有针对一维压缩固结与真空预压固结2种加载方式下废浆的固结特性变化规律展开探究。而高含水率废浆的脱水过程本质上为软土的排水固结过程，添加剂对废浆的改良作用本质上体现为软土的固结特性的变化。因此，本文通过一维固结试验与真空预压固结模型试验，对2种加载方式下改良废浆固结特性变化规律进行研究，对各自的作用机理进行阐述和改良后废浆的固结特性进行对比分析。通过一维固结试验，观察氢氧化钙与APAM溶液在废浆中的最佳添加量，并对氢氧化钙改良废浆排水固结效果和添加APAM溶液改良效果进行对比。

2 试验材料及药剂

废浆取自上海市静安区某钻孔灌注桩施工工地，浆液基本性质见表1。颗分试验结果如图1所示，废浆中粒径<0.075 mm颗粒含量占91.21%，粒径<0.005 mm的颗粒占22.73%，砂粒含量较低，主要以粉、黏粒为主，含水率高。

表1 原状废浆基本性质Table 1 Properties of original waste slurry

图1 原状废浆颗分曲线Fig.1 Grain distribution of original waste slurry

本文选用的无机改良剂采用市场易购买的食品级氢氧化钙。有机絮凝剂采用APAM，分子量为2 000万。根据笔者所在课题组研究结果[5]，APAM试验前配置成质量分数0.2%的水溶液。氢氧化钙与APAM溶液添加时均按照占原状泥浆的质量百分数进行添加。

3 一维固结试验

3.1 试验仪器和步骤

试验器材主要包括：烧杯、搅拌棒、烘箱、GJZ-2双联中压固结仪(采用4 cm高的环刀)、精度0.01 g的电子天平。试验时，先用烧杯取一定量的废浆，在其中加入药剂 (5种质量百分比的药剂添加量如表2所示)，然后搅拌5 min再静置48 h，使废浆与絮凝剂充分反应，由于经48 h静置后泥浆存在上清液，为保证固结试验前废浆含水率一致，所以将其含水率统一调至110%，再分层填入固结仪的环刀中。固结试验初级荷载12.5 kPa，加荷率为1，最大荷载为400 kPa，试验按照《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)[7]中的规定进行。

表2 药剂添加量Table 2 Dosages of reagents

3.2 试验结果与分析

土的固结系数是反映土体固结快慢的一个重要指标，固结系数越大，在其他条件相同的情况下，土体内水分排出速度越快，土的固结沉降速度也越快[8]。

3.2.1 氢氧化钙对废浆固结特性的影响

本文采用时间平方根法[8]计算固结系数，根据废浆固结系数计算渗透系数，绘制了e-lgp,Cv-p,k-p曲线，添加氢氧化钙的试验结果如图2所示。

图2 氢氧化钙对废浆固结特性的影响Fig.2 Effect of calcium hydroxide on consolidation performance of waste slurry

从图2(b)来看，原状废浆与经氢氧化钙改良废浆固结系数随着荷载增加而增大。谢新宇等[9]提出了饱和软土固结系数3种变化规律：①随着荷载增大而增大；②随着荷载增大而减小；③随着荷载增大先减小后增大。高岭土、钙蒙脱土和马斯纳黏土固结系数随荷载变化分别对应以上3种规律。本文废浆的固结系数变化规律与高岭土的相似。掺入氢氧化钙的废浆的固结系数均比原始废浆的固结系数要大，尤其氢氧化钙添加量在0.2%～0.8%范围内增加幅度更明显。主要原因为氢氧化钙能电离出高价的Ca2+离子，由叔采儿-哈迪(Schulze-Hardy)法则与双电层理论[8，10]，高价阳离子置换土颗粒表面低价阳离子，土颗粒反离子层减薄，渗透斥力下降，废浆渗透性提高，孔隙水易于消散，荷载作用下废浆易于排水固结稳定；同时由于Ca(OH)2具有桥连作用，能将带负电的土颗粒吸附絮凝而增大[11-12]，废浆孔隙增大,渗透性提高。在相同荷载下，加入氢氧化钙能提高废浆固结系数。特别是添加比例为0.8%时，其固结系数约是原始废浆的3～4倍，有效加快了废浆的排水固结速率。但是Ca(OH)2添加比例过大时，废浆渗透性下降，废浆固结系数也随之减小。

真空预压处理软土时，软土的渗透性对排水固结效果有重要影响。图2(c)为渗透系数与荷载之间的关系。原状废浆的渗透系数较低，加载过程中变化范围为1.69×10-6～0.75×10-7cm/s，随荷载增大逐渐减小。加入氢氧化钙后，废浆的渗透系数在较低荷载下(12.5～100 kPa)最大能够提高3倍以上，在较高荷载下(200～400 kPa)提高不明显。实际工程中，真空预压荷载为80～90 kPa，位于低荷载水平范围。因此，加入氢氧化钙能够有效改善废浆的渗透性。

3.2.2 APAM对废浆固结特性的影响

添加APAM的试验结果如图3所示。

图3 APAM对废浆固结特性的影响Fig.3 Effect of APAM content on consolidation performance of waste slurry

图3试验结果表明，加入APAM溶液后废浆固结系数均随着荷载增大而增大，与加入氢氧化钙后泥浆固结系数的变化规律一致。在APAM添加比例为11.2%情况下，固结系数最大，比原始废浆固结系数大2倍左右，主要原因是APAM溶于水后借助其溶解在水中形成的长链状、环状等大分子结构，能够吸附、网捕和卷扫土颗粒, 促使其形成粒径较大的絮体颗粒[13]，絮体颗粒间孔隙较大，废浆渗透性提高，固结系数增大，废浆内部孔隙水更容易排出。而当APAM添加比例为14.9%时，废浆固结系数反而减小，根据吸附架桥理论[14]:过多絮凝剂导致土颗粒完全被吸附包围，不能通过架桥作用形成更大颗粒，因而APAM溶液添加量过多导致土颗粒絮凝效果变差，固结系数减小。

由图3(b)可见，加入APAM溶液后，废浆渗透系数有着明显的提高，11.2%溶液下渗透系数提高至8.13×10-6～1.54×10-7cm/s，随着荷载的增加，废浆的渗透系数均逐渐减小。当荷载为12.5～100 kPa时，废浆渗透系数相较于原状废浆能够提高3倍以上，而当荷载加至200～400 kPa时，渗透系数逐渐减小，直至与原状废浆接近。可见适度添加APAM溶液对于废浆渗透系数也有较大幅度提高。

固结试验表明，无论是氢氧化钙还是APAM溶液对废浆的固结特性均有着明显影响。加入氢氧化钙或APAM溶液后废浆的孔隙比、固结系数、渗透系数比原状废浆均有明显提高，表明氢氧化钙与APAM两种药剂均有一定增渗作用。

4 真空预压模型试验

4.1 试验设备

真空预压模型试验中的试验仪器有真空泵、气液分离瓶、模型箱(图4)，模型箱由圆柱形有机玻璃桶和密封盖组成，有机玻璃桶高度500 mm、外径500 mm和内径477 mm；密封盖采用20 mm厚的硬质有机玻璃板(便于测量沉降)，采用直径为48 mm的软式透水管，其中滤膜的等效孔径为180 μm，从密封盖中心孔穿出与真空泵连接，上下均不透水，抽真空期间保证模型箱内真空度在80 kPa左右。

图4 模型试验装置Fig.4 Schematic diagram of model test devices

4.2 试验步骤

根据固结试验中得到的固结系数与渗透系数变化规律，选用表3所示氢氧化钙、APAM添加比例在2个搅拌桶中进行真空预压试验，并用原状废浆真空预压试验作为对照组。

表3 药剂添加量Table 3 Dosages of reagents for vacuum preloading test

注：1号为含氢氧化钙废浆；2号为含APAM废浆；3号为原状废浆

为使药剂与废浆充分反应，加药后进行低速搅拌，搅拌均匀后分别倒入模型箱静置48 h，废浆沉降基本稳定，记录废浆固液分离面刻度。排去上清液后进行真空预压排水固结试验。试验过程中确保模型箱密封，记录的数据有模型箱真空度、废浆沉降量、废浆排水量，并相应进行原状废浆的对比试验。所有模型试验均按上述步骤完成，在模型箱抽滤过程中排水量<50 mL/h时停止抽滤。

图5 静置后废浆排水量Fig.5 Volume of water discharge of waste slurry after static storage

4.3 结果分析与讨论

4.3.1 模型试验静置阶段排水量及分析

静置48 h后各模型箱内固液分离均基本稳定，1号—3号箱排出上清液水量分别为V1，V2，V3。如图5所示，48 h静置阶段后各模型箱中排出上清液体积大小关系为V2>V1>V3。2号模型箱上清液体积最大，除去加入絮凝剂时所含水体积，达到19.46 L，占废浆所含水分约40%。原因是APAM絮凝作用较好，因此有较好的固液分离效果。氢氧化钙也能增快废浆固液分离速率、提高废浆上清液排水量，静置48 h后1号模型上清液排水量为9.03 L。就絮凝效果而言，有机絮凝剂絮凝效果优于氢氧化钙的絮凝作用。而原状废浆粉黏粒含量高，体系比较稳定，在自重下落淤速率较慢[3]，所以上清液排水体积最少。

4.3.2 模型试验真空预压阶段排水量及分析

固液分离结束后排出上清液，在各模型箱内进行真空预压试验。在达到相同的稳定标准时，1号—3号模型均持续抽真空36，136，178 h。真空预压抽滤阶段排水量随时间的变化如图6所示。

图6 废浆排水量与真空预压时间关系曲线Fig.6 Relationship between water yield and vacuum preloading time

由图6可见，添加氢氧化钙的模型箱废浆排水量随时间变化前期为一段较陡曲线，后期趋于平缓，表明真空预压前期废浆排水速率较快，后期排水速率逐渐降低；加入APAM的废浆在前20 h排水速率较原状废浆快，随着含水率降低，后期排水速率逐渐小于原状废浆排水速率；原状废浆在整个过程中的排水量变化比较平缓，其整个真空预压处理时间最长，是添加氢氧化钙废浆处理时间的3～4倍，是加APAM溶液废浆真空预压时间的1.3倍。试验结果表明药剂提高了原状废浆的渗透系数，能够促进废浆排水固结，这与固结试验结果是一致的，且废浆中添加氢氧化钙比加入APAM排水速率更快。

一维固结试验结果表明，原状废浆由于其本身的渗透系数小，所以真空预压过程排水固结速率较慢。固结试验结果表明加入APAM后废浆的渗透系数与加入氢氧化钙废浆的渗透系数接近，但加APAM模型真空预压时间是加氢氧化钙模型的3倍，说明加入APAM后，在其真空预压期间渗透系数急剧减小。

4.3.3 模型箱中含水率测定

测量真空预压结束后模型箱中土样的含水率，距软式透水管不同距离处取样，取样位置及含水率测试结果如图7所示。

图7 含水率与距透水管中心距离的关系Fig.7 Relationship between water content and distance to center of pipe

由图7可见，氢氧化钙模型和APAM模型内废浆平均含水率由154%降低至40%～50%，而原状废浆真空预压178 h后含水率沿半径分布较不均匀，最终含水率在60%以上。药剂真空预压法对废浆排水固结效果较好。此外可以看出，距离软式透水管半径5 cm内原状废浆含水率最低，离软式透水管越远,原状废浆含水率上升很快，平均含水率高达70%以上。加氢氧化钙废浆与加APAM废浆含水率变化不大，两者较为接近。

4.3.4 真空预压沉降结果分析

真空预压过程中各模型箱内废浆的沉降随时间变化关系如图8所示。由图8可见，添加氢氧化钙废浆沉降曲线与排水量变化有相似的规律，20 h内沉降十分明显，在真空预压期间沉降速率明显快于原始废浆和添加APAM的废浆。说明氢氧化钙能够有效促进废浆在真空预压期间的排水固结。而添加APAM的废浆在真空预压初期沉降量稍大于原始废浆，其原因是废浆絮凝静置后高度最小，所以真空预压后期其沉降量逐渐被原始废浆沉降量超越。

图8 废浆的沉降量随预压时间的变化曲线Fig.8 Settlement of waste slurry against vacuum preloading time

在达到稳定标准后停止抽真空，由于各药剂的絮凝效果不同，所以絮凝沉降后高度也不相同，所以不能仅从沉降量大小来直接比较药剂对废浆排水固结的效果。因此本文采用双曲线法[15]和对数曲线法分别计算出各模型箱中废浆的最终沉降量，取2种方法预估的沉降量平均值作为最终沉降量，如表5所示。

表5 各模型预估沉降量Table 5 Estimated settlements of different models

图9 各模型平均径向固结度Fig.9 Average radial consolidation degree of different models

4.3.5 废浆真空预压固结特性分析

Hansbo[16]基于径向固结理论将砂井地基简化成轴对称砂井计算模型。本文运用Hansbo径向固结理论应用于真空预压模型试验固结系数的计算。

图10 各模型平均径向固结系数Fig.10 Average radial consolidation coefficient against time

由图10可见：

(1)添加了氢氧化钙、APAM的废浆以及原状废浆的固结系数均随真空预压时间变化而减小，表现出非线性固结特性。

(2)真空预压初始阶段，添加氢氧化钙的模型箱废浆固结系数最大，因此，此时添加氢氧化钙废浆的固结速度非常最快，而添加APAM的模型箱和原状的模型箱废浆固结系数远小于添加氢氧化钙模型箱废浆固结系数。

笔者对加入2种药剂的废浆进行了扫描电镜(SEM)试验，所得SEM图像如图11所示。

图11 絮凝后废浆放大1 000倍的SEM图像Fig.11 SEM images of flocculated waste slurry magnified by 1 000 times

由图11(a)可见，加入有机絮凝剂APAM的废浆形成的絮体结构非常疏松，土颗粒间通过APAM在水中形成的柔性长链连接形成的骨架不稳定;在真空负压作用下，部分疏松骨架长链易断开并造成土颗粒发生移动，堵塞已形成的孔隙通道，使得废浆渗透性下降，排水速度减慢，固结系数减小。因此加APAM溶液废浆经真空预压136 h才达到停止抽滤标准。

由图11(b)可见，氢氧化钙的桥连与胶结作用所形成具有一定强度的团块状结构能够起骨架构建作用[11,17]，在负压条件下不易变形，同时电离出的Ca2+离子能够使土颗粒反离子层减薄，减小渗透斥力，所以真空预压期间废浆渗透性比较大，固结速率较快。以上分析结果表明，废浆的真空预压试验中氢氧化钙的加入能够显著提高其渗透系数，使其在较短时间内完成排水固结。因此，氢氧化钙的添加能够有效促进废浆的排水固结效率。