地下工程泥浆絮凝干化处理絮凝效果试验研究

罗云峰

(上海市基础工程集团有限公司，上海 200433)

1 概述

向地层中开挖钻进是地下工程施工领域必须采用的施工手段，而泥浆堪称地下工程施工的“血液”。地下工程施工技术中比较有代表性的如地下连续墙、钻孔灌注桩、顶管、盾构等工艺和设备的运用无不依赖于泥浆的作用。大规模地下工程施工相应的也会使用和产生大量的泥浆，未经处理的泥浆若排放到环境中，会对环境造成极大污染，泥浆处理排放已成为困扰工程施工的重大技术难题。泥浆絮凝干化处理方法作为一种无害化的方法应运而生，该方法通过往泥浆中添加适量絮凝剂使其絮凝成团，再通过真空或机械压滤干化成干土外运，泥浆絮凝干化处理方法的关键之一是絮凝效果的好坏。本文从模拟絮凝干化处理方法工艺原理角度出发，设计出一套科学且简单易操作的试验，对絮凝材料性能效果进行客观和参数指标化的研究分析，通过试验测试分析数据得出一些有益的建议，以期做到在地下工程泥浆干化处理絮凝剂的选择和使用上能提供一定的帮助。

2 废弃泥浆处理絮凝机理

地下工程所用泥浆以膨润土加外加剂调配而成居多，是一种较为稳定的胶体分散体系，其自然沉降比较困难，需添加絮凝剂破坏其胶体分散体系的稳定性使结合水与泥浆中的固体颗粒分离。泥浆作为较为稳定的胶体分散体系，胶体微粒吸附离子后产生静电斥力阻碍微粒之间相互靠近和聚集；胶体微粒带电荷越多，其电位就越大，胶体分散体系就越稳定。

利用絮凝剂使泥浆液体胶体颗粒结构表面起化学作用，中和泥浆颗粒表面所携带的电荷，使泥浆中的微小固体颗粒聚集而形成比较大的絮凝团，并析出结合水，从而加速泥浆固液分离进程。向泥浆中添加絮凝剂后所发生的絮凝反应是一个非常复杂的过程，在这个过程中受到泥浆胶体体系的物理和化学性质，以及外加动力等各方面的作用和影响。关于絮凝机理有压缩双电层理论、吸附电中和理论、吸附架桥理论和卷扫絮凝理论等四种常见理论，而絮凝的过程，是这几种机理综合作用的结果。向泥浆中添加絮凝剂后，其对泥浆中的胶体粒子主要起静电中和和吸附架桥作用。

3 絮凝效果试验设计

3.1 试验目的与思路

1)试验目的。根据现有压滤式泥浆固化处理设备对经絮凝后的废弃泥浆的状态要求，对絮凝材料的考量主要有：

a.絮凝剂对不同含泥量的泥浆的适应性；b.絮凝速度；c.絮凝效果。为使试验更贴近实际应用情况，从模拟该工艺原理角度出发，设计出一套科学且简单易操作的试验，以对絮凝材料的性能进行客观，参数指标化的有效分析。此外，通过该试验方法得出的数据结果，也能对固化设备的设计及滤布的选用提出一定建议。

2)试验思路。基于上述试验目的，本试验的设计思路为：通过将废弃泥浆与预制备的絮凝剂溶液混合搅拌，破坏泥浆的胶体结构，使其失去稳定性，然后对混合物的静置沉淀效果和采用负压模拟压滤后的若干指标进行测定记录，完成对絮凝材料的废弃泥浆絮凝性能的有效客观评价。

3.2 实验仪器及材料

1)设备仪器：真空抽滤器(见图1)、浊度仪、含泥量测定器、pH仪、电子称(0.01 g)、秒表、搅拌器、烧杯(1 000 mL，2 000 mL)、滤纸、量筒(50 mL，100 mL，250 mL)、坩埚、烘箱；2)材料：常用絮凝剂(聚丙烯酰胺)粉末样品若干、不同含泥量钻孔桩循环泥浆样品若干、透气度为(120～280)×10-3m2·s滤布若干。

3.3 试验方法

试验操作步骤：

1)预制备1‰浓度絮凝剂溶液；2)絮凝剂与废弃泥浆混合搅拌3 min；3)将混合物静置5 min，记录沉积容量；4)倒出上层清液并记录清液量和浊度；5)在布氏漏斗上放置与漏斗口尺寸相同的滤布，同时组装抽滤装置；6)根据布氏漏斗尺寸，将沉积物倒入布氏漏斗中并将表面抹平；7)打开抽滤泵抽滤3 min，记录抽滤水量和滤水浊度；8)称量并记录抽滤后的残余固体物质量；9)烘干残余固体物，记录质量，计算抽滤后固体残余物含水率。

预制备絮凝剂溶液是根据制备量，将絮凝剂在搅拌转速200 r/min～500 r/min的条件下，定速搅拌不少于20 min所制备完成的。滤布的大小与布氏漏斗口大小一致，且放置后用水润湿，并抽滤10 s，保证其完整贴合在漏斗口底面。废浆与絮凝剂混合搅拌3 min应采用搅拌机进行定速搅拌。每次倒入布氏漏斗内的废浆容量不应超过漏斗容量的2/3。抽滤后所形成的泥皮可能与滤纸和滤布相粘连，若发生此情况可将泥皮与滤布或滤纸一同称重后一起放入烘箱内烘干。

4 试验结果

通过下层沉积量、静置后上层清液量、上层清液的浊度、抽滤后的滤液量、抽滤后的滤液浊度和抽滤形成的残余固态物质的含水量等来综合评价絮凝效果。

因本试验参数较多且较为复杂，采用传统的表格、折线图等表现形式不能有效的对多种材料的性能特征进行快速比较，采用六维雷达图对大量数据结果进行较为直观的展示。

由于实际实验现象絮凝剂性能的好坏与下层沉积量、上层清液量、抽滤水量成正比，与清液浊度、滤液浊度、含水率成反比，为了使数据具有统一性，取反比数据的倒数作为制图的实验数据。选取参数以每组数据最大数为参考值，取百分比，形成最终六维雷达图。

含泥量32.5%,33%,36.5%,41.7%,43%的泥浆准备若干份，每份150 mL，每份泥浆中分别添加100 mL絮凝剂溶液，试验结果如图2～图6所示。

由图2～图4可知，含泥量为32.5%,33.0%,36.5%时，所试验的9种絮凝剂中，F1,F5和F8三种絮凝剂各方面的性能较为均衡，其余种类絮凝剂在某一项或多项指标上存在明显短板。由图5,图6可知，含泥量为41.7%,43.0%时，所试验的9种絮凝剂在某一项或多项指标上均存在明显短板。

5 结语

泥浆是地下工程施工领域常采用的一种施工辅助介质，在施工过程中必须对不断产生的余浆、废浆进行处理以减少对环境的影响，在此背景下泥浆絮凝干化处理方法应运而生，该方法的关键之一是絮凝效果的好坏。本文从模拟絮凝干化处理方法工艺原理角度出发，设计出一套科学且简单易操作的试验，对絮凝材料性能效果进行客观和参数指标化的研究分析，通过一系列试验测试并进行分析数据发现：含泥量不同的泥浆，使用相同浓度的不同种类絮凝剂其絮凝效果随着含泥量的增加，呈一曲线形势，絮凝效果先增加后减小；含泥量相同的情况下，不同型号的絮凝剂其絮凝效果存在明显差异；当含泥量超过40%，所试验的9种絮凝剂絮凝效果都不理想，应是絮凝剂被消耗殆尽导致絮凝效果下降，此时需适当提高絮凝剂掺量，以提高絮凝效能；各种絮凝剂有各自的适用性，施工现场泥浆絮凝干化处理絮凝剂的选择和使用应结合该工程泥浆特点试验确定。本文所设计的试验方法和基于该试验得出的建议期望能在地下工程泥浆干化处理絮凝剂的选择和使用上提供一定的帮助和指导。