一种新型复合添加絮凝剂在建筑泥浆处理中的研究与应用

沈夏磊

厦门市建安集团有限公司 福建 厦门 361000

阴离子聚丙烯酰胺（简称APAM）具有较大的相对分子质量，其较长的分子链能有效吸附泥浆颗粒，表现出良好的絮凝性和黏合性，能达到较好的泥水分离效果，实现泥浆的固化，可作为建筑泥浆处理的絮凝剂。研究发现，采用含有阴离子型聚丙烯酰胺成分的复合添加剂，还能有效滤除红土地区泥浆中含有的少量铅、镉等有害物质，达到“零排放、零污染、省成本”的优质成效。本文通过絮凝剂的使用，验证各个因素对福建地区建筑泥浆的最佳絮凝条件，使其达到较好的泥水分离效果，以追求最大的社会效益及工程经济[1-2]。

1 工程概况

厦门市集美区某桩基工程，共有930根大直径冲（钻）孔混凝土灌注工程桩、261根冲（钻）孔混凝土灌注支护桩，据估算，在灌注桩成孔过程中约产生80 000 m3的废弃泥浆。

在日常的建筑施工中，废弃泥浆常采用车辆外运或就地晾晒等常规的办法处理，存在处理效率低、拖延工期、消耗成本高等问题，施工过程也容易造成严重的环境污染，导致巨大的社会、经济效益损耗。

为减少施工中产生的工业废土、废水，减少对环境的污染和成本的损耗，提高泥浆处理效率，本工程创新使用了含有阴离子型聚丙烯酰胺成分的复合添加剂对泥浆进行绿色处理，可达到减轻环境污染和成本损耗的积极效果。

2 工程土质特点及适应性

建筑泥浆性质取决于施工现场的土质情况。中国长江以南的低山丘陵地带以红土为主要土质分布类型，福建地区地处亚热带季风气候，常年雨量充沛，热量丰富，土质类型以红土为主，掺杂少量黄土和人工填土，这在红土地区有一定的代表性；建筑施工中生成的泥浆，富含铁﹑铝氧化物和石英、云母等矿物，具有较高的稳定性和黏附性，适合选用含有阴离子聚丙烯酰胺成分的复合添加剂作为絮凝剂。

3 工作原理

3.1 阴离子聚丙烯酰胺

图1 分子链极性基吸附架桥作用示意

3.2 复合添加剂

在阴离子聚丙烯酰胺絮凝原理的基础上研究出一种新型复合添加剂（专利号ZL201710339699.8），该添加剂以阴离子聚丙烯酰胺为主要成分，加入适量的甘油酯、硅烷偶联剂和烷基伯胺等药剂来增强施工效果。当泥浆中的有害物质含量超过GB 3838—2002《地表水环境质量标准》时，使用新型复合添加剂不但可絮凝泥浆，还可把泥浆中的铅、镉等有害物质锁定在絮团中，大大降低有害物质含量，并调节水的pH值。在建筑施工中，使用新型复合添加剂来处理次生泥浆，能达到最佳的社会、经济效益。

4 试验设计与效果

为了能准确计量新型复合添加剂的使用效果与使用方法，专项技术小组联合有关专家进行科研技术攻关，有针对性地结合工程实际，以阴离子聚丙烯酰胺的比对效果进行科学研究，设计了以下3个试验。

试验1：阴离子聚丙烯酰胺的使用效果。

试验2：复合添加剂的使用效果。

试验3：复合添加剂的最佳投放量。

4.1 试验1：阴离子聚丙烯酰胺的使用效果

4.1.1 泥浆样品分析

该样品由微米级别硅酸盐类矿物微粒形成高度分散混合悬浮体系，且含有铅、镉有害物质成分，整体显酸性。

4.1.2 表观反应

取1 000 mL建筑泥浆样品装入量杯中，加入100 mg的阴离子聚丙烯酰胺试剂，用玻璃棒顺时针搅动10回合，通过观察可以发现泥浆中逐渐有大絮团生成，并快速沉降到杯底，形成沉降界面，液体也变得澄清。

4.1.3 微观反应

取1 000 mL建筑泥浆样品装入量杯中，加入100 mg的阴离子聚丙烯酰胺试剂，用玻璃棒顺时针搅动10回合，静置30 s、45 s、1 min、2 min、3 min、5 min、7 min、9 min、14 min、19 min、25 min（在泥水初步分离过程中先密集检测，后增大检测时间间隔），对上清液进行取样分析检测，做好观测记录。

1）对铅含量的影响。经检测，原泥浆样品中铅含量为0.27 mg/L，加入阴离子聚丙烯酰胺试剂后，铅含量先快速下降，后逐渐稳定在0.22 mg/L，降低比例为18.5%，阴离子聚丙烯酰胺对泥浆中铅含量的影响有限，无法有效降低铅污染。

2）对镉含量的影响。经检测，原泥浆样品中镉含量为0.03 mg/L，加入阴离子聚丙烯酰胺试剂后，镉含量变为0.02 mg/L，变化量小，阴离子聚丙烯酰胺对泥浆中镉含量的降低基本上不起作用。

3）对pH值的影响。原泥浆pH值为5.7，加入阴离子聚丙烯酰胺试剂后，pH值先快速上升，后逐渐稳定在5.8，上升比例为1.8%，可认为阴离子聚丙烯酰胺不影响泥浆pH值。

4.1.4 结论

阴离子聚丙烯酰胺可使泥浆絮凝沉降，但无法有效消除泥浆中铅、镉等有害物质及调节pH值。

4.2 试验2：复合添加剂的使用效果

为了增强添加剂的施工效果，技术小组联合科研院校进行了大量的配比试验，研究制备出可大幅度改变泥浆中铅、镉、pH值的复合添加剂。

4.2.1 试验程序

重复4.1.1、4.1.2和4.1.3的试验程序，在试验样品中再加入新型复合添加剂进行测试，记录观测到的试验数据。

4.2.22 种试剂分别作用下的试验比对

经过大量的试验数据分析，绘制出铅含量（图2）、镉含量（图3）和水pH值（图4）变化图。

图2 铅含量变化

1）铅含量变化。从铅含量变化图可看出，复合添加剂对铅含量的影响在刚开始时反应剧烈，铅含量快速下降，后面趋于平缓；复合添加剂对镉含量的影响比阴离子聚丙烯酰胺试剂高出很多。

图3 镉含量变化

图4 水的pH值变化

2）镉含量变化。从镉含量变化图可看出，复合添加剂对镉含量的影响在刚开始时反应剧烈，镉含量快速下降，后面趋于平缓；复合添加剂对镉含量的影响比阴离子聚丙烯酰胺试剂高出很多。

3）水pH值变化。从水的pH值变化图可看出，复合添加剂对水pH值的影响在刚开始时反应剧烈，水的pH值快速提高，后半段趋于平缓；而阴离子聚丙烯酰胺试剂对水pH值变化作用不明显，复合添加剂对水pH值的影响比阴离子聚丙烯酰胺试剂高出很多。

4.2.3 结论

复合添加剂不仅能够将泥浆中的重金属有效锁定在絮团中，对泥浆中的铅含量、镉含量和水pH值的调节比阴离子聚丙烯酰胺试剂更有效果，可防止分离出水的污染物对工程建设施工造成新的危害。

4.3 试验3：复合添加剂的最佳投放量

为了对复合添加剂的投放剂量进行质量控制，更体现出经济实效，技术小组收集了大量的工程实测资料进行数据分析，对复合添加剂投放的最佳剂量范围进行了大胆的推测，以寻求最佳投放量。

4.3.1 投放量实测

泥浆含泥率过高不利于絮凝反应，将泥浆样品含泥率稀释为18%，并投加分子量为1200万的复合添加剂；当投加量为76 mg/L时，产生絮团小且易悬浮，沉降速度慢，能初步形成沉降界面；此时对铅、镉含量、pH值的影响开始显现并可观测，并逐步提高。

当投加量达到106 mg/L时，泥浆溶液形成稳定的沉降界面，有大絮团，沉降速度快，压实层缩小，上清液浊度98.5 NTU；此时对铅、镉含量和pH值的影响曲线已完全平稳，不再变化。

4.3.2 结论

经过大量工程数据收集和试验验证，得出：当泥浆含泥率低于20%时，复合添加剂对其有较好的絮凝分离效果，同时最佳投放量范围为76～106 mg/L。

5 工程质量控制

在本工程中，通过絮凝剂的使用，使泥浆达到泥水初步分离。工程实践总结出如下工程质量控制要点与方法：

1）在拌和絮凝溶液时，为避免过强的剪切力使分子链断裂，宜采用低速桨叶，控制搅拌速度（60 r/min）；另外，调配好的絮凝溶液不能长时间存放。

2）泥浆含泥率宜控制在20%以下。建筑泥浆含泥率过大时会使得泥浆初步分离难以实现，因此，施工现场若泥浆含泥率过大，应加入清水使泥浆浓度在20%以下，使絮凝溶液对泥浆达到最佳效果。

3）泥浆与絮凝溶液比例。试验结论得出复合添加剂最佳投放量范围为76～106 mg/L；若施工现场以1 m3药剂溶液与9 m3泥浆混合，1 m3药剂溶液浓度范围应为760～1 060 g/m3。

4）絮凝溶液应与泥浆充分拌和。压滤机在抽取混合浆料前，应先在漏斗状的反应罐中充分拌和、静置。

6 工程应用效果

在本工程的泥浆处理过程中，通过复合添加剂的使用，达到了最佳的絮凝效果，大大减少了絮凝材料的使用量，也扩大了絮凝技术的使用范围[3-5]，能有效应用在红土土质地区。通过本工程次生泥浆消纳绿色施工体系的高效应用，所应用的泥浆消纳技术与传统泥浆外运处理方式相比，经过测算可节约成本138.8万元。