关于废弃工程泥浆的水凝胶固结方法的研究

门 本 马 强

(四川公路桥梁建设集团有限公司大桥工程分公司，四川 成都 610015)

1 概述

近年来，我国建筑业随着我国经济的不断发展，基础工程、桥梁工程、市政工程等施工项目不断增多，工程泥浆由于其能够悬浮土渣、防止孔壁坍塌的作用被广泛地使用在钻孔灌注桩、地下连续墙、盾构掘进等施工工作中。与此同时，产生了大量的废弃泥浆，废弃泥浆有着pH相对较高、含水率变化较大、悬浮物含量高等特点，直接排放到环境中或是经由雨水的冲刷渗入地下都会对植物、土壤以及水环境产生不良影响。当前，我国基础建设体量庞大、环保要求日益提高，因此废弃泥浆的处治压力剧增。

国内现有以下几种处治技术：高速离心脱水回收、化学强化固液分离、MTC转化、注入安全地层等。高速离心脱水回收技术主要针对泥浆中各组分的密度不同，利用高速旋转设备产生强大的离心力使各个组分在较短时间内进行分离，并对沉淀物进行回收作业。化学强化固液分离则是在固液分离的工序前对泥浆进行化学强化造粒絮凝，使泥浆形成密实絮体颗粒再对浆体进行离心分离。此外，通过在泥浆中加入高炉矿渣等胶凝材料将泥浆转化成水泥浆的MTC技术也同样用于泥浆的处治作业中。上述处治泥浆的技术普遍存在效率较低、设备投入及能耗较大、无法资源化利用等不足。此外，泥浆地处治周期较长，在处治过程中泥浆的长期堆积不仅占用大量土地资源，而且大幅度增加工程造价。有必要寻求简便高效、经济适用、环保无害,并可资源化利用的新手段及方法，兼顾环保意义与经济价值，达到资源循环利用可持续发展的目的。

针对既有现状，国内学者对废弃工程泥浆的处治做了一些相关研究。

黄俊妤等[1]对城市建筑泥浆的管理现状、污染问题进行了研究。研究结果表明废弃工程泥浆存在资源化利用技术水平较低，易造成环境污染等问题。

翟玉新[2]提出一种基于化学破乳原理的废弃泥浆处理方法，将泥浆中的水和固体废弃物进行固化。实验结果显示将聚丙烯酰胺投放入泥浆中，静止24 h后有明显沉淀凝结。

陶祝华[3]以上海某工程项目为基础，对施工泥浆固化处理进行了研究分析。通过对泥浆进行振动分离、离心沉淀，实现泥浆的脱水与干化处理。提出了一种新的泥浆处治工艺流程。

董娅玮等[4]提出了采用铁盐破胶的方法，使用粉煤灰、石灰为主凝固剂，外加黄土为辅料对泥浆进行固化处治。结果表明该种工艺行之有效，处理后得知各项指标满足国家污水排放标准。

陈原野等[5]为了达到泥浆的无害化处治，采用了“预处理—破胶—固化—无害化处理施工—无害化退场”处理工艺的研究。结果发现，聚合氯化铝铁为最佳破胶剂，处理后的水能达到无害化要求。

综上所述，国内的废弃工程泥浆的处治与国外相同，主要是以高速离心脱水回收技术、化学强化固液分离技术等为主要处治手段。处治方法较为成熟，但固化时间长、工作量大，后期的压实、挖运和堆放等暴露已久的问题没有得到解决。

由此本文提出，使用阳离子瓜尔胶为基体，硼砂为交联剂制备水凝胶体系，通过水凝胶形成的网络结构将泥浆中的颗粒包裹起来，从而达到固化泥浆的作用。瓜尔胶是一种水溶性高分子聚合物，其化学名称为瓜尔胶羟丙基三甲基氯化铵，其结构如图1所示。分子结构以聚甘露糖为分子主链，其中甘露糖与半乳糖单元之摩尔比为2∶1，与硼酸盐离子进行反应时形成五元环结构产生交联，如图2所示。国内外学者也对瓜尔胶—硼砂体系在改变流体的流变特性以及吸附液体中的颗粒物的能力和应用做了一些研究。

范亮姣[6]通过利用硼砂交联黄原胶/瓜尔胶混合溶液，改变了液体的流变特性。

Nandkishore Thombare[7]使用不同比例的硼砂交联瓜尔胶制备水凝胶，检验了该体系在水净化方面应用的可能性。结果表明，该体系能有效地对水中的铝和钾进行吸附。

本文希望通过瓜尔胶—硼砂体系的建立，有效地改变浆体的流变特性，利用其形成水凝胶所需要的时间较短的特性，加快固化废弃工程泥浆的速度；并利用其形成的固结物具有一定强度、便于进行搬运、堆放的优势，缩短废弃工程泥浆的处治周期，给废弃工程泥浆的处治带来经济效益。

2 实验材料与方法

2.1 实验材料

本文主要通过化学物理的方式，构筑瓜尔胶—硼砂体系，将泥浆包裹在瓜尔胶—硼砂凝胶体系内，形成含泥水凝胶。

本文使用的瓜尔胶为工业级阳离子瓜尔胶和上海鑫达精细化工有限公司的四硼酸钠进行试验。

本文的研究目标为四川广元市三江新区基础设施建设项目中桩基工程的废弃工程泥浆。该项目共包括2条一级公路兼城市主干路、1条次干路、2处互通立交、1处分离式立交和1座小净距隧道、28道涵洞。涉及多个地区需要进行桩基工程和盾构工程，需要处理大量的废弃泥浆；随着环保要求提高，处治造价攀升，对工程建设带来更大压力。在技术方面，所在区域土地主要有耕土、素填土、粉质黏土及砂岩、泥质砂岩、砂质泥岩等，这使废弃泥浆的成分变得更加复杂，也使处治难度增加。本文针对该项目的具体情况选取下述3种不同的泥浆进行试验。

将废弃工程泥浆干燥处理后的粉末进行复水，制成泥浆A进行固结；同时根据施工地区的不同，选取了两种不同的泥浆B和C原液进行相关试验。其含泥量如表1所示。

表1 使用的三种泥浆的含泥量

2.2 泥浆处治方法

由于没有成熟的含泥水凝胶的制备工艺作为参考，本实验中按照下述方法进行水凝胶的制备：称取一定量的泥浆于塑料碗中，固定于搅拌机支架上，持续慢速搅拌(100 r/min)。将瓜尔胶加入塑料碗中，将搅拌机转速提高至700 r/min，持续搅拌约5 min；待瓜尔胶全部溶解于泥浆后，搅拌机降速至200 r/min。加入硼砂，持续搅拌30 s，制得含泥水凝胶样品。

同时，本实验使用絮凝剂对废弃工程泥浆进行絮凝，通过加入泥浆质量0.05%的阳离子丙烯酰胺进行絮凝，其结果作为参照组与水凝胶固化实验结果进行对比。

2.3 含泥水凝胶的环境耐受性试验

为了验证制备的含泥水凝胶在潮湿环境下不会溶解、分解到水体中，本研究进行了含泥水凝胶的环境耐受性试验。

环境耐受性试验是将制备完成的含泥水凝胶填充于10 cm×2 cm×2 cm的硅胶模具中，放置于露天场所。72 h后脱模后测量其尺寸，观察样品在日晒下是否变形或开裂，在雨水的冲刷下是否重新溶解扩散于水中。

3 分析与讨论

本文首先通过针对含泥量为20%的泥浆A进行了絮凝试验。经过24 h的絮凝，三杯泥浆都呈现出分层现象，泥浆中的固体颗粒物均有一定程度的沉淀，除去上层清液后剩余质量为总体泥浆质量的62.3%，泌水率为37.7%。结果表明，絮凝剂能有效地使泥浆中的颗粒物沉淀下来，便于泥浆的处治。不过，沉淀过程所花费的时间较长，且根据絮凝剂浓度的增加，上层清液呈现出粘稠化的趋势，如何适量地投入絮凝剂保证上层清液达到国家污水排放标准同样需要进一步研究。此外，经过絮凝沉淀处理后的泥浆下层溶液没有固化，需要其他工序对其进行处理便于搬运。

其次，本文使用泥浆A进行了水凝胶的制备试验。试验结果显示，瓜尔胶—硼砂体系能够将泥浆中的颗粒进行网罗包裹住，形成了有一定强度的固结物，其性状如图3所示。水凝胶形成所花费的时间约为5 min，相较于耗时24 h的絮凝，使用水凝胶对废弃工程泥浆进行固化处理更加高效。形成的含泥水凝胶拥有较好的强度，并且有一定的饱水性，能够以固体的状态进行挖掘、运输，给泥浆处治工艺上带来便利。笔者认为，可以根据废弃工程泥浆的实际情况选择在制备含泥水凝胶之前对泥浆进行絮凝作业，泌出部分水分减少泥浆质量，减小运送压力。

为了验证本方法可以对实际废弃工程泥浆进行处治，笔者对项目中的废弃工程泥浆进行了收集，使用B，C两种泥浆的原液进行了水凝胶固化试验。由于含泥量的不同，对B种泥浆的含泥水凝胶制备配比进行了调整。调整配比以及制备中材料情况如表2所示。

表2 水凝胶配比及状态

瓜尔胶：硼砂质量比为2∶0.5时，硼砂用量较多、无法完全溶解在液体中，形成的含泥水凝胶中有未能反应的硼砂颗粒存在；不过，含泥水凝胶有较好的强度及挑挂性质。含泥水凝胶的挑挂性质表征了其能否承受挖掘、搬运等工序的能力，是判断能否快速处理废弃工程泥浆的一个重要指标。样品2所制备含泥水凝胶强度及挑挂性质符合要求，硼砂固体也全部溶解。样品3则无法交联形成含泥水凝胶，无法进行挑挂，样品性状如图4所示。相较于图4a)的含泥水凝胶，右侧的则无法用木棍挑挂起来，泥浆整体呈现出半固体半液体状态。同时考虑泥浆的挑挂性质及材料用量多寡所对应的经济效益，本试验采用泥浆∶瓜尔胶∶硼砂质量比为100∶2∶0.4的配比进行含泥水凝胶的制备。

参照该配比，对使用泥浆B制备的含泥水凝胶进行了72 h的环境耐受性试验。一般来说，含泥水凝胶由于其网络状结构的特点，使其在干燥环境中很难再分散；在饱水情况下则可能产生一些剥落，导致体积损失。为了模拟工地实际可能遇到的气候、天气条件，本实验选取了干湿参半的气候环境对制备的含泥水凝胶进行了试验，试验中天气变化及气温变化如表3所示。试件尺寸变化如表4所示，放置72 h后，三个样品的长宽高变形均在3%以内，平均体积减少率为15%。交联反应时，各部分交联程度有差异，一部分交联形成体积较大的网络，一部分交联形成较小的网络。在两者之间链接不紧密时，雨水冲刷会导致交联较小的部分脱落，形成环境耐受性试验中样品体积损失的情况。试验结果显示，剥落部分所占比例不大，且剥离主体的部分不会溶解于水中，能够满足实际工地的堆放要求。

表3 试验周期天气及气温表

表4 环境耐受性试验试件尺寸变化

按照相同配比，对废弃工程泥浆C原液也进行了含泥水凝胶的制备。相较于A，B两种泥浆，泥浆C的粘稠度更大，在不进行静置沉淀作业的情况下，能形成如图5a)所示的含泥水凝胶，有较好的强度、良好的挑挂性质。当进行静置沉淀之后，下层浆体固形物增加，形成的含泥水凝胶表面比较粗糙，部分泥浆未能完全包裹在水凝胶网络中(如图5b)所示)。当泥浆中固形物过多时，固形物会吸附加入的瓜尔胶，导致用以交联的瓜尔胶不足，无法形成足够的网络结构对泥浆进行包裹。由此，针对不同含泥量、不同稠度的泥浆，使用瓜尔胶—硼砂体系进行处治时的材料选择以及配比需要进一步研究。

另外，由瓜尔胶—硼砂体系所构建的含泥水凝胶拥有较好的饱水性能，使用合理的配比进行制备的含泥水凝胶有作为培养基质材料再利用的可能性。

4 结语

本文以四川广元市三江新区基础设施建设项目为基础，旨在提出一种新型、高效的废弃工程泥浆处治方法。通过使用瓜尔胶—硼砂体系构建网络结构包覆泥浆中固形物，达到快速固化泥浆的目的。对三种不同的废弃工程泥浆进行了水凝胶的制备试验，并对形成的含泥水凝胶的性状进行了观察研究。试验结果表明：

1)瓜尔胶—硼砂体系形成的水凝胶网络结构可以对废弃工程泥浆进行固化，且固化过程耗时较短；

2)通过该体系形成的含泥水凝胶具有一定的挑挂性质，表明含泥水凝胶在形成之后能够承受挖掘、搬运等处理；

3)制成的含泥水凝胶有一定的环境耐受性，具有在阴雨天气下保证其自身不溶解、分散的能力。