桥梁钻孔灌注桩泥浆固化实验研究

蔡海燕，范晶晶，艾建杰

（西南科技大学城市学院建筑工程学院，四川 绵阳 621000）

0 引言

随着经济的快速发展，我国基础设施的未来建设朝着“大规模、大空间”方向的发展，由此产生的建设工程废弃泥浆的处理问题已成为工程建设中不可避免的巨大难题之一。目前建设工程废弃泥浆基本上是直接利用土方车外运废弃为主，这不仅造成了施工隐形成本的大幅增加，也给繁重的城市交通运输系统增加了额外的压力，由于泥浆运输过程中的漏洒以及废弃泥浆的随意排放对于周边自然环境及国土资源产生了不利的影响。其具体表现在：①废弃泥浆的外运处理占据了施工方大量的资金与时间成本，不利于施工成本的控制和施工进度效率的提高；②大量的土方车运输给交通带来了巨大的压力，由土方车引起的交通事故频繁发生，给社会及人民生命财产安全造成了不利的影响；③运输过程泥浆漏洒给道路行车安全及道路保养增加隐患；④废弃泥浆若采用就地简单填埋的方式，将会使得填埋场地的土体资源长时间无法正常使用，因填埋场地的地基承载力低，部分工程废弃泥浆甚至还会造成土地资源的污染。

1 国内外泥浆固化的研究现状

目前，国内外工程废弃泥浆的处理方法有高速离心脱水回收技术、化学强化固液分离技术、MTC 转化技术、注入安全地层或环形空间[1]。

（1）化学絮凝固液分离处理法在需要处理的泥浆溶液中加入絮凝剂使得泥浆原有的胶体体系结构被破坏，而在絮凝剂的作用下将泥浆溶液中的细微颗粒聚结使待处理废弃泥浆黏土颗粒表面性质得到调整，然后再在机械设备的作用下实现废弃泥浆固体和液体分离的目的，分离出的液体还需要进一步的处理，达到相关标准后再排放至周围水体中，而分离出的固体颗粒物质可用于路基回填或种植土。该方法虽然处理工艺与技术相对比较简单、工作效率较高，但是所用的絮凝剂与固液分离设备所需要花费的工程成本很高[2]。

（2）高速离心脱水回收将需要脱水处理的废弃泥浆防止在高速离心装置进行脱水处理，脱水处理后将固体物质外运，而脱出的水经处理后继续循环使用。该方法对于废弃泥浆的处理效率较低，设备投入资金以及所使用的电能较多[3]。

（3）化学絮凝加高速离心脱水的处理方法在需要处理的废弃泥浆中加入化学絮凝剂，经沉淀将其分离出无法直接堆放和运输的含水量较高的固体，再将所分离出的含水率较高的固体置于高速离心装置中进行高速离心脱水，进一步降低固体物质的含水率以便直接运输或堆放。该方法的泥浆固化效率仍较低，需要投入大量的资金用于设备的购买，且对于操作者的技术要求较高[4]。

（4）注入安全地层在地理与地质条件适宜地区可将废弃的泥浆直接注入不向周围渗透且压裂梯度较低的安全地层中。该方法虽然操作较简单，但是需要购买专用的设备，对地质条件有较苛刻的要求，同时还存在对已有地下水体的污染的可能性，因此很难普遍使用此种方法处理废弃泥浆[5]。

（5）回填处理将工程施工过程中所产生的废弃泥浆直接集中排放在事先挖好的存储坑内，过很长一段时间后经自然沉淀，将分离出的上层液体直接排放，在待坑中沉淀物自然风干后用作工程土直接使用或直接就地填埋。该方法虽处理工艺简单、对周围环境的影响性小，但所需要的时间较长且需要占用大量的工程用地，对于场地受限且工期有严格要求的项目不适用。

（6）再循环使用将工程施工过程中所产生的泥浆直接运输到距离较近的下一个施工点继续使用，此种方法虽然能将废弃泥浆循环使用，但在运输的过程中很容易漏洒在施工便道上，污染施工环境，影响施工区域的交通安全。

（7）采用化学固化剂处理法直接在需要处理的工程废弃泥浆中加入化学固化剂，待泥浆与固化药剂反应生成具有一定强度或适宜植被生长的土壤后，再将其直接填埋或用作施工的填料。该方法对于周围生态环境影响较小，且比较容易回填还耕。

2 桥梁钻孔灌注桩泥浆特性

目前，在桥梁钻孔灌注桩的施工过程中常采用高岭土或膨润土制造泥浆，因所用土在水中分解为较小颗粒物而形成悬浮液和胶体溶液的混合型液体。桥梁钻孔灌注桩所使用的泥浆所具有的特点为：①泥浆因黏度较大，呈现出流体或者半流体状态，泥浆组成物中固体颗粒物粒径极小，水分含量较高很难机械脱水，而在自然风干的过程中失水较缓慢，遇水后又极易回复成流体或半流体的状态，采用自然排放后对施工场地周围的土壤和植被影响较大；②由于在造浆时加入了大量膨润土或粘土，并在钻孔过程中携带了泥砂及表层土等，导致废弃泥浆固体物质含量较高；③在泥浆制造过程中必须加入由多种无机成分和有机成分所组成的化学处理剂，而处理剂的加入使得废弃泥浆中的CODCr含量、表面化学活性剂及重金属等有害物质含量严重超出了国家允许排放的标准要求[6]。

3 泥浆固化处理室内试验

3.1 试验方案设计

本试验的主要研究内容为结合试验泥浆特性与现场施工的要求采用化学絮凝的方法将泥浆的胶体结构破坏分离出粘土就地实现桥梁钻孔灌注桩废泥浆的固液分离，再使用施工现场的通用设备经过简单的操作后，形成一种低成本、高效率、易操作的施工工艺，从而实现废弃泥浆处理安全快速且成本较低的目标，其具体的技术路线如图1 所示。

图1 泥浆固化技术研究路线

3.2 泥浆取样与土体物理性质试验

本试验所取泥浆为绵阳市涪江三桥桥址下游右侧50m 处的淤泥质土，取样后对所取试样进行土体物理性能试验测定，测定主要结果为：泥浆的天然含水率为74.9%，液限44.7%，塑限33.9%，塑性指数为10.8，该泥浆中的土体为低液限粉土。在对土样物理力学分析的基础上，采用1200 万～1600 万分子量的阴离子聚丙烯酰胺（APAM）作为泥浆固化的絮凝剂对试验所用的淤泥质土进行固化处理，从而获得用阴离子聚丙烯酰胺处理该淤泥质土泥浆的规律及相关试验数据。

3.3 絮凝剂的选择与溶液配置

絮凝剂种类的选择与泥浆的物理力学性质密切相关，还应考虑絮凝效果与成本以及絮凝剂是否有毒与用后对周围水资源的污染，因此必须选择无毒无害的絮凝剂。根据相关文献资料查询可知，无毒害性的聚乙烯酰胺可作为工程建设废弃泥浆固化的絮凝剂。再根据前期试验比对发现1200 万～1600 万分子量的阴离子聚丙烯酰胺（APAM）的对本试验的泥浆絮凝效果优于其他分子量的聚丙烯酰胺，为找出适宜与本试验泥浆的絮凝剂溶液浓度，需要配置一系列不同浓度的絮凝剂溶液，并且为了保证絮凝剂的充分溶解需要高速搅拌1.5h。

3.4 混凝试验

混凝试验主要是指将絮凝剂所配置的混凝溶液与泥浆溶液的混合，而两种溶液的混合是否需要搅拌以及搅拌时间的长短也将影响混凝试验的结果。若长时间搅拌会破坏新形成的泥浆胶体结构，从而导致絮团松散，各个絮团之间的水分充分饱和，所产生的固体沉淀物也不容易收缩；而若搅拌时间过短，则会使得絮凝剂与泥浆颗粒没有完成充分的接触从而化学反应不充分，使得未反应的部分泥浆颗粒仍然悬浮水中不能沉淀。

混凝试验步骤：取100mL 已搅拌均匀的废泥浆于150mL 烧杯中，按单位体积的泥浆加入絮凝剂的质量为标准（单位为mg/mL），把两种溶液按比例均匀混合，先700r/min 高速搅拌1min，再100r/min 低速搅拌1min，然后静30min，最后再观察实验烧杯中泥水的分离效果，并将其与析出水量作为选择絮凝剂种类与掺量的标准。具体实验数据如图2～5 所示：

图2 11200+1.22 混凝试验

图3 11500+1.22 混凝试验

图4 21600+1.22 混凝试验

根据混凝试验的结果图2 所示采用11200 溶质配制的梯度溶液，当溶液浓度为1 的时候混凝试验析水量较采用其他浓度的析水量大且形成的固态胶体较为稳定；图3 所示采用11500溶质配制的梯度溶液，当溶液浓度为1.5‰的时候混凝试验析水量较采用其他浓度的析水量大且形成的固态胶体较为稳定；图4所示采用21600 溶质配制的梯度溶液，当溶液浓度为0.8‰的时候混凝试验析水量较采用其他浓度的析水量大且形成的固态胶体较为稳定。在试验过程中，发现混凝效果较好的浓度分别为11500+1.0‰+35mL，以及21600+0.8‰+25mL。图5 所示采用固定浓度0.5‰溶液，可以看出试验用泥浆更适合选用21600 溶质所选用的絮凝剂其析水量大。

图5 0.5‰+1.22 混凝试验

3.5 废弃泥浆处理施工要点

（1）泵送泥浆根据泥浆固化的要求选择合适的泵送系统，以稳定的管道流量与压力确保泥浆流量与絮凝固化剂添加比例合理性。避免因设计不合理造成管道堵塞，增加损失，不利于泥水分离。

（2）泥浆分离絮凝后的泥浆需要通过离心机进行分离处理，所选设备应与混凝设备相匹配，并在排渣口分离出的水通过排出口流出，泥浆处理后的含沙量达到标准后可直接排放到沉淀池中，若不达标则需要再一次添加絮凝剂直至符合标准为止。

（3）渣土处置通过处理后的渣土应送至指定区域堆放或者排入周围空地，再通过运输设备将其堆放到指定地点，处理后的渣土也可通过改良作为路基土或种植土使用。

4 结语

本文主要通过相关试验研究分析出适宜于绵阳地区淤泥质泥浆的絮凝剂的种类与浓度为：21600+0.8‰，试验结果表明混凝与析出水量效果较好。为了更好地解决废弃泥浆固化所产生的一系列问题，还需要进一步针对不同岩土工程所产生的不同种类的废弃泥浆进行室内相关试验确定所需絮凝剂的种类及试验配置浓度，以保证工程的施工进度，减少对工程施工环境的影响，并在可能的前提下将所产生的废弃泥浆资源通过固化试验在用于工程建设使用，从而达到工程建设可持续发展的目的。