钙质絮凝剂对高含水率吹填淤泥自重沉积特性的影响

宋苗苗，王正宏，徐桂中，张 丹，翁佳兴，唐 鹏

(1.盐城工学院土木工程学院，江苏 盐城 224051；2.江苏省工程勘测研究院有限责任公司，江苏 扬州 225000；3.江苏鸿基水源科技股份有限公司，江苏 扬州 225002；4.江苏科技大学土木工程与建筑学院，江苏 镇江 212003)

近年来随着我国沿海地区经济的快速发展，土地资源紧张的现状越发严重。填海造陆和海涂围垦是解决这一问题的有效途径[1-3]。随着环境和生态保护要求的提高，河沙、山石料等的开采日益受到限制，使得这类工程常面临理想填料资源短缺的难题。另一方面，为保证水质及通航能力，港口、河道每年都要进行疏浚清淤，同时围海造陆、人工岛修筑、航道建设等工程也涉及海底清淤，这些清淤处理每年将产生数亿方以上的高含水率疏浚淤泥[2-6]。疏浚出的淤泥一般以黏土颗粒为主，呈流动状态，在工程上难以直接利用而常作为废弃物处理[4-7]。传统的吹填和抛泥处置方法，不仅需占用大量土地，还易污染周边环境[4]。因此，近年来国内外一些工程开始将疏浚淤泥用于填海造陆、港口等工程[1-3,5]，不仅可以很好地解决土地资源不足、砂石料短缺、疏浚泥处置等问题，还实现了疏浚淤泥的资源化利用，符合资源节约型、环境友好型社会建设要求。

已有研究表明，高含水率淤泥的自重沉积特性对吹填工程设计与施工、吹填场地沉降计算、场地地基处理等都具有重要的影响[7-10]。张先伟等[8]通过研究天津滨海新区吹填泥浆的自重沉积固结特性，提出了吹填工程设计的控制指标，并给出了含水率临界值的经验计算公式。此外，国内外学者通过试验研究和理论分析，认为高含水率泥浆自重沉积过程一般包括絮凝阶段、沉降阶段和固结阶段，且初始含水率、砂粒含量、土体液限等都将影响其自重沉积特性[11-15]。由于吹填淤泥初始含水率和黏粒含量都比较高，其自重沉积通常需要经历几个月甚至数年[15-16]。为缩短吹填淤泥自重沉积历时，改善后续堆载预压、真空预压、固化处理等的效果，一些学者尝试采用絮凝剂对吹填淤泥进行预处理[17-24]。研究表明，添加絮凝剂可加速泥浆的自重沉积过程，提高真空预压处理效果，固化淤泥强度等。

针对目前工程常用的各种无机絮凝剂，詹良通等[25]认为在泥浆中添加高价阳离子(如Ca2+)可提高泥浆自重固结速率和固结后密实度。倪俊峰[26]对初始含水率分别为125%和155%的石灰处理吹填淤泥开展自重沉积试验，发现添加石灰对吹填淤泥自重沉积特性的影响随初始含水率的增加而显著。为进一步明确钙质絮凝剂对高含水率吹填淤泥自重沉积特性的影响，本文将分别以CaCl2和Ca(OH)2处理吹填淤泥(初始含水率大于200%)为例，开展一系列的量筒沉积试验，探讨初始含水率、絮凝剂掺量和絮凝剂性质对泥浆自重沉积特性的影响。

1 试验方案

1.1 试验材料

试验所用高含水率吹填淤泥取自安徽蚌埠某疏浚泥堆场，液限为58.3% ，塑限为26.3%,相对密度为2.70 g/cm3，大于75 μm的砂粒质量分数为3.5%，5～75 μm的粉粒质量分数为48.3%，小于5 μm的黏粒质量分数为48.2%。其中，相对密度采用比重瓶法测定，土颗粒粒径分布采用密度计法测定，通过液塑限联合测定仪法获得土样的液限和塑限。由土体液限(58.3%)和塑限(26.3%)可知，试验所用土样为高液限黏土。

试验所用钙质絮凝剂为Ca(OH)2和CaCl2，分别购自天津市大茂化学试剂厂和天津市北方天医化学试剂厂，其中Ca(OH)2为白色粉末，CaCl2为白色固体。两种钙质絮凝剂主要化学成分质量分数均超过95%，杂质均低于1.0%。

1.2 试验方案

为明确钙质絮凝剂对高含水率吹填淤泥自重沉积特性的影响，分别以不含絮凝剂吹填淤泥、含Ca(OH)2吹填淤泥和含CaCl2吹填淤泥为研究对象，改变泥浆初始含水率和絮凝剂掺量，开展了24组量筒沉积试验，具体试验方案见表1。其中，试验所用量筒规格为1 000 mL，絮凝剂掺量为外加絮凝剂质量和泥浆中干土质量之比。

表1 量筒沉积试验方案

试验前，首先配制不同初始含水率的泥浆。之后，称取满足1 000 mL量筒沉积试验要求的泥浆放入烧杯内，并依据表1中的絮凝剂掺量计算需外加絮凝剂的质量，放入大烧杯内并使用小型搅拌器搅拌均匀。最后，将搅拌均匀的泥浆快速移入沉积试验所用量筒中，边移入边用细铁丝进行振捣，以避免移入过程中泥浆中产生大量的气泡和发生沉积。待泥浆量达到预定高度后，停止倒入泥浆并记录试验开始时间和泥水分界面出现时间。不同时刻泥水分界面的沉降量则通过沿量筒外侧竖直粘贴的刻度尺测定。需要注意的是整个试验过程中室温保持在(20±2) ℃，并在量筒敞口段覆盖密封膜，以避免温度变化和蒸发作用对泥浆自重沉积的影响。

2 试验结果与分析

2.1 泥水分界面沉降时程曲线

图1和图2为不同絮凝剂处理泥浆典型的泥水分界面沉降时程曲线，图中图例为泥浆中絮凝剂掺量。可以看出，泥水分界面沉降量随沉积时间的增加，呈先快速增加再逐渐趋于稳定的变化趋势，曲线形状与常规固结试验测定的沉降时程曲线类似。根据已有研究可知[6-7]，试验泥浆的沉降曲线为沉积沉降类型，即钙质絮凝剂处理后吹填淤泥泥浆的自重沉积过程也可分为絮凝阶段、阻碍沉降阶段和自重固结阶段。絮凝阶段的存在使得泥水分界面的出现需要一定的时间。在阻碍沉降阶段，泥浆自重沉降量较大。之后，随着沉积时间进一步增加，沉降逐渐减缓并进入自重固结阶段，该阶段泥浆自重沉降量整体较小。这和徐桂中等[7, 8, 17-19, 25]学者获得的吹填淤泥及絮凝剂处理吹填淤泥泥浆的泥水分界面沉降时程曲线变化规律基本一致。

图1 CaCl2处理高含水率泥浆典型的泥水分界面沉降时程曲线(w0 = 348%)

图2 Ca(OH)2处理高含水率泥浆典型的泥水分界面沉降时程曲线(w0 = 348%)

当絮凝剂为CaCl2时，泥水混合物中的Ca2+可通过离子交换作用和电中和作用，使黏土颗粒表面的扩散双层厚度减小，相应的黏土颗粒间斥力降低，使微小土颗粒更易絮凝形成大的团聚体[24-25]，故含絮凝剂泥浆更快地出现泥水分界面，且在阻碍沉降阶段泥水分界面沉降时程曲线都位于不含絮凝剂泥浆的下方。此外，由图1还可以发现泥浆自重沉积进入自重固结阶段时，泥水分界面沉降量随絮凝剂掺量的增加呈先增加后减小并逐渐趋于稳定的变化趋势。这主要是由于随着絮凝剂掺量的增加，黏土颗粒表面所带负电荷全部被中和，此时絮凝剂的絮凝效果达到最佳。之后，随着絮凝剂掺量的进一步增大，黏土颗粒表面开始带正电荷，颗粒间的斥力重新开始增大，絮凝效果开始减弱。当黏土颗粒表面所带正电荷达到饱和后，絮凝剂掺量的进一步增加将不再影响其絮凝效果。

已有研究表明[27]，采用Ca(OH)2加固土体时，Ca2+首先通过交换黏土颗粒表面的低价阳离子促进土颗粒的絮凝，之后再与黏土颗粒表面溶解的活性二氧化硅和氧化铝发生火山灰反应。由此可知，在沉降初期(絮凝阶段)，Ca(OH)2也主要通过离子交换作用和电中和作用，促进土颗粒间絮凝形成尺寸较大的团聚体。之后，随着沉积时间进一步增加，Ca(OH)2与土中的二氧化硅和氧化铝发生火山灰反应，生成具有凝胶作用的水化硅酸钙和水化铝酸钙，使土颗粒、土颗粒团聚体等进一步胶结形成稳定的土体结构。同时，由于团聚体内部包含一定量的自由水并吸附了大量的结合水，故和CaCl2不同，在阻碍沉降阶段和自重固结阶段，Ca(OH)2的添加将引起泥浆阻碍沉降阶段持续时间及沉降量的大幅度降低，且泥浆进入自重固结阶段所需时间随絮凝剂掺量的增加逐渐减小(图2)。尽管Ca(OH)2处理泥浆的自重沉降量均显著小于未加絮凝剂的泥浆，但Ca(OH)2的添加可改变泥浆的渗透性、强度特性等，对后续真空预压处理、流动固化等具有重要的促进作用[17, 24-26, 28-29]。

已有研究表明[14-15]，吹填淤泥的自重沉积特性和其初始含水率是密切相关的。因此，有必要对不同初始含水率下絮凝剂对泥浆自重沉积特性的影响进行分析。图3为不同初始含水率下含絮凝剂泥浆的泥水分界面沉降时程变化曲线。相同絮凝剂掺量下，初始含水率高的泥浆泥面沉降时程曲线始终位于初始含水率低的泥浆下方。这与已有不含絮凝剂高含水率泥浆自重沉积试验结果一致。对于含CaCl2泥浆，不同初始含水率泥浆泥面沉降量间的差异随初始含水率的增加逐渐减小。而对于含Ca(OH)2泥浆，相同沉积时间下初始含水率对泥浆泥面沉降量的影响随絮凝剂掺量的增加而增大。此外，相同初始含水率和絮凝剂掺量下，Ca(OH)2处理泥浆的沉降量都小于CaCl2处理泥浆。

图3 不同初始含水率下絮凝剂处理泥浆典型的泥水分界面沉降时程变化曲线

2.2 泥面沉降速率

除泥水分界面沉降量外，沉降速率v也是评价泥浆自重沉积特性的一个重要指标，其主要用于表征泥浆自重沉积的快慢。Xu等[15]的研究表明采用公式(1)计算泥浆的泥面沉降速率是合适的。

(1)

式中Si+1、Si分别为ti+1和ti时刻泥水分界面的沉降量。

为进一步探讨钙质絮凝剂对高含水率泥浆自重沉积特性的影响，对不同絮凝剂掺量下泥浆沉降速率进行分析，结果如图4所示。在泥水分界面刚出现时，泥浆沉降速率比较大，这主要是由于不同泥浆泥水分界面出现的时间不同造成的。之后泥浆的沉降速率快速降低到一个稳定范围内。随着沉积时间的进一步增加，当泥浆自重沉积趋于稳定时，泥浆的沉降速率将接近零。絮凝阶段，添加两种钙质絮凝剂都将引起泥浆自重沉积速率的增加。由此可见，Ca2+的絮凝作用在该阶段起主导作用；而在阻碍沉降阶段，两种絮凝剂对泥浆沉降速率的影响规律并不完全相同，这和前述添加絮凝剂对泥浆泥面沉降时程曲线的影响相一致。该阶段CaCl2对泥浆自重沉降速率的影响受絮凝剂掺量的影响，这可能是由于只有在适宜掺量下絮凝剂的絮凝效果才能达到最佳。而当絮凝剂为Ca(OH)2时，和未添加絮凝剂的泥浆相比，阻碍沉降阶段泥浆沉降速率随絮凝剂添加表现出降低的变化趋势，且沉降速率相对较快地趋近于零。这进一步表明阻碍沉降阶段Ca(OH)2主要通过火山灰反应影响泥浆的自重沉积特性。

图4 不同絮凝剂掺量下泥浆典型的沉积速率随时间变化曲线(w0 = 348%)

2.3 自重沉积稳定时间及沉降量

需要注意的是，沉积过程中泥水分界面并不是匀速下沉的。已有研究表明，对数坐标系下泥面沉降量随时间呈先逐渐增加再趋于平稳的变化趋势(图1和图2)。即当沉积达到一定时间后，泥浆在自重作用下沉降达到稳定。此时泥浆中的超静孔隙水压力消散完毕，自重沉积结束。故参考Imai[11]对泥浆自重沉积稳定时间的定义，根据泥水分界面沉降随时间在半对数坐标系下的变化曲线，计算泥浆自重沉积稳定时间tc，结果见表2。由表2可知，高含水率泥浆的自重沉积稳定时间随初始含水率的增加基本都是逐渐减小的。和未掺絮凝剂泥浆相比，相同初始含水率下含CaCl2和Ca(OH)2的泥浆将更快达到自重沉积稳定。需要注意的是，含CaCl2泥浆自重沉积稳定时间随絮凝剂掺量的增加并不总是减小的。由此可见，只有掺入适量的CaCl2才能使泥浆较快地达到自重沉积稳定。和CaCl2不同，泥浆的自重沉积稳定时间随Ca(OH)2掺量的增加而减小，故需要根据实际工程情况进一步设计Ca(OH)2掺量。

表2 不同絮凝剂掺量下泥浆自重沉积稳定时间

图5为不同初始含水率下泥浆自重沉积稳定时的沉降量Sc随絮凝剂掺量的变化规律。相同初始含水率下Sc随CaCl2掺量的增加呈先增大后减小并逐渐趋于稳定的变化趋势，但整体而言，添加CaCl2引起高含水率泥浆Sc的变化量较小，基本上都在(-1.0 cm，0.5 cm)范围内变化。由此可知，CaCl2主要影响高含水率泥浆达到自重沉积稳定的时间，对其自重沉积稳定时的沉降量基本不产生影响。结合泥浆自重沉积泥水分界面沉降时程曲线、自重沉积稳定时间和自重沉积稳定时的沉降量可知，当CaCl2掺量超过2.0%后，泥浆的自重沉积稳定时间和自重沉积稳定时的沉降量基本相同，而掺量增加将使工程造价提高。故对于本文研究所用泥浆，

图5 不同初始含水率下泥浆自重沉积稳定沉降量随絮凝剂掺量变化规律

CaCl2的掺量以不超过2.0%为宜。

前述分析表明，和CaCl2不同，Ca(OH)2对泥浆自重沉积特性的影响还包括火山灰反应。通过火山灰反应生成的水化硅酸钙和水化铝酸钙，一方面使土颗粒、土颗粒团聚体等进一步胶结形成稳定的土体结构，且团聚体内部包含一定量的自由水并吸附了大量的结合水；另一方面该化学反应还将一部分的自由水转化为结晶水，使得相同初始含水率下泥浆Sc随Ca(OH)2掺量的增加而显著减小，且减小幅度随Ca(OH)2掺量的增加而降低(图5(b))。如对于初始含水率为348%的泥浆，当Ca(OH)2掺量由0逐渐增大到0.5%，1.0%和2.0%时，Sc则由11.9 cm依次减小为5.5 cm、3.7 cm和1.7 cm。对于含Ca(OH)2的泥浆，不同初始含水率泥浆Sc间的差异随Ca(OH)2掺量的增加逐渐减小。此外，和未加絮凝剂泥浆类似，含絮凝剂泥浆的Sc随其初始含水率的增加也是增大的。

综上可知，絮凝剂类型、絮凝剂掺量及泥浆初始含水率等因素都会影响钙质絮凝剂处理吹填淤泥的自重沉积特性。因此，采用絮凝-真空联合、絮凝-固化联合等方法处理高含水率吹填淤泥时，需根据实际工程需要，综合各方面影响因素确定絮凝剂类型和掺量，以使疏浚泥的自重沉积与后续工程处理措施相配套。

3 结 论

a.和未加絮凝剂泥浆类似，含絮凝剂泥浆泥水分界面沉降时程曲线也可分为絮凝阶段、阻碍沉降阶段和自重固结阶段。相同初始含水率下，含CaCl2泥浆的泥水分界面沉降时程曲线基本都位于不含絮凝剂泥浆的下方，而含Ca(OH)2泥浆的泥水分界面沉降时程曲线基本都位于不含絮凝剂泥浆的上方。添加钙质絮凝剂对泥浆絮凝阶段和阻碍沉降阶段的影响更显著。

b.絮凝阶段和阻碍沉降阶段，相同沉积时间下添加CaCl2将引起泥浆泥水分界面沉降量和沉降速率的增加。这主要是由于Ca2+的出现促进了黏土颗粒间的絮凝。此外，还将引起高含水率泥浆自重沉积稳定时间的减少，对其自重沉积稳定时的沉降量则基本不产生影响。

c.沉积初期，Ca(OH)2主要通过离子交换作用和电中和作用影响泥浆自重沉积性状，故含Ca(OH)2泥浆和原泥浆泥水分界面沉降曲线间差异较小；而和含CaCl2泥浆不同，添加Ca(OH)2将引起泥浆自重沉积稳定时间及其所对应沉降量的大幅度减小，且不同初始含水率泥浆自重沉降稳定时的沉降量的差距随Ca(OH)2掺量的增加逐渐减小，这主要是由于含 Ca(OH)2泥浆中存在火山灰反应。