钙质絮凝剂对固化高含水率疏浚泥流动性影响研究

2022-04-23宋苗苗齐永正卞子君吴发红

盐城工学院学报（自然科学版） 2022年1期

宋苗苗，齐永正，卞子君，姚达，吴发红，唐鹏

(1.盐城工学院土木工程学院，江苏盐城 224051；2.江苏科技大学土木工程与建筑学院，江苏镇江 212003；3.苏州西热节能环保技术有限公司，江苏苏州 215153；4.江苏鸿基水源科技股份有限公司，江苏扬州 225002)

为保证港口、河道等的水质和通航能力，我国每年都要进行大规模的疏浚清淤，同时填海造陆、人工岛修筑、航道建设等工程中也涉及大规模的海底清淤，从而产生了大量的高含水率疏浚泥[1-3]。传统疏浚泥吹填和抛泥处置方法，不仅需要长期占用大量土地，还易带来污染河流、影响海洋生态环境等问题。因此，近年来国内外开始对疏浚泥进行固化处理，用于填海造陆、港口等工程[4-6]，不仅很好地解决了土地资源不足、疏浚泥处置难等问题，还实现了疏浚泥的资源化利用。

由于直接疏浚产生的淤泥含水率较高，甚至可高达300%以上，直接采用固化法效果极其有限，很难满足实际工程的要求[6-8]。因此，在采用固化法处理疏浚泥前，需降低其含水率。已有研究表明，高含水率疏浚泥的自重沉积通常需要经历几个月甚至数年[9-10]，很难满足工程建设周期的需要。因此，为快速降低疏浚泥的含水率，一些学者尝试采用絮凝剂对高含水率疏浚泥进行预处理，以加快疏浚泥的自重沉积[9-14]。武亚军等[11]采用无机药剂(生石灰、熟石灰、氯化钙和硫酸钙)对高含水率泥浆进行预调理，发现真空预压作用下无机药剂的添加可缩短泥浆达到相同排水量所需时间。詹良通等[13]指出在高含水率泥浆中加入高价阳离子(如Ca2+)可提高泥浆的自重固结速率。

流动固化技术是指使疏浚泥在固化初期具有一定的流动性，再通过管道泵送方式将其泵送到施工场地的技术。该技术作为高含水率疏浚泥资源化利用的有效方式之一，具有施工不占用场地、成本低、效率高等优点，已在日本中部国际机场[15]、大连港大窑湾[5]、横沙东滩围垦工程[16]等得到了成功的应用。采用流动固化技术处理高含水率疏浚泥时，固化疏浚泥的流动性是影响其工程应用的关键指标之一[15-17]。本文分别以CaCl2和Ca(OH)2处理疏浚泥为研究对象，开展一系列的流动度测定试验。对钙质絮凝剂固化疏浚泥的流动性进行研究，明确钙质絮凝剂添加对疏浚泥流动性的影响，并对絮凝剂添加引起固化疏浚泥流动性变化的原因进行分析。

1 试验方案

1.1 试验材料

试验材料为安徽蚌埠某堆场的疏浚泥，其液限和塑限分别为58.3%、26.3%。由土体的液限和塑限可知，试验所用土样为高液限黏土。采用密度计法测定土中砂粒(>75 μm )、粉粒(5～ 75 μm)和黏粒(<5 μm)的质量分数，分别为3.5%、48.3%和48.2%。

试验所用Ca(OH)2和CaCl2均为分析纯，其杂质质量分数均低于1.0%。试验所用固化剂为P·O 42.5普通硅酸盐水泥。

1.2 流动度试验方案

参照日本对流动固化疏浚泥流动性测定的试验规范(JHSA313-1992)[18]测定试验所用固化疏浚泥的流动度。试验所用装置为两端开口的有机玻璃圆筒，其高度和直径都为8 cm。

试验前，先将现场取回的疏浚泥搅拌均匀并测定含水率；然后取一定质量搅拌均匀的疏浚泥放入塑料桶内，加入水和絮凝剂搅拌均匀，密封后静置1 h以保证土颗粒和絮凝剂分子间充分作用，其中，絮凝剂和外加水的质量根据表1中的絮凝剂掺量及泥浆初始含水率确定；最后，将含絮凝剂的疏浚泥再次搅拌均匀，在加水泥前和加入水泥后，分别快速进行流动度测定试验。

表1 流动度试验方案Table 1 Fluidity test scheme

流动度测定试验的具体操作如下：首先将流动度测定圆筒放置在平整光滑的有机玻璃板上；再将搅拌均匀的混合物分次快速倒入流动度测定筒内，边倒入边轻微振捣，以免有孔隙和气泡产生；然后沿竖直方向，双手均匀用力将流动度测定筒提起，测定混合物在有机玻璃板上扩散流动后的最大直径。重复进行3次试验操作，取3次试验测定最大直径的平均值作为混合物的流动度。

2 试验结果与分析

对于疏浚泥和固化疏浚泥，流动性对管道泵送及浇筑质量均具有重要的影响，是影响实际工程施工的重要参数。为更好地分析絮凝剂添加对固化高含水率疏浚泥流动性的影响，首先应明确未掺絮凝剂条件下疏浚泥的流动性。图1为不添加絮凝剂时不同初始含水率下疏浚泥及流态固化疏浚泥的流动度，其中，流态固化疏浚泥中的水泥掺量为200 kg/m3。疏浚泥初始含水率越大，其中的自由水就越多，自重作用下混合物自由流动形成的塌落体直径也越大。故初始含水率高的疏浚泥和固化疏浚泥通常具有更大的流动度(见图1)。由此可见，初始含水率对疏浚泥及流态固化疏浚泥流动性具有重要影响。

图1 疏浚泥及流态固化疏浚泥流动度随初始含水率的变化规律Fig.1 Variation law of fluidity of dredged mud and fluid-solidified dredged mud with initial moisture content

水泥与水接触后将发生水化反应，该反应为放热反应，故水泥的加入将不可避免地引起疏浚泥中自由水大幅度减少。同时，水泥水化反应生成的硅酸三钙、硅酸二钙等胶凝物质还将促进土颗粒间的絮凝，从而限制流态固化疏浚泥在自重作用下的自由流动。由此可推知，疏浚泥的流动度将随水泥的添加出现大幅度减小。

测定不同初始含水率和水泥掺量下流态固化疏浚泥的流动度，结果如图2所示。由图2可知，添加水泥后疏浚泥的流动度显著降低，进一步证实了前述推论的正确性。相同水泥掺量下，初始含水率高的流态固化疏浚泥中具有更多的自由水，宏观表现为具有更高的流动度。图2中，水泥掺量小于50 kg/m3时，流态固化疏浚泥流动度随水泥掺量增加而显著降低；当水泥掺量高于150 kg/m3后，进一步增加水泥掺量所造成的流态固化疏浚泥流动度变化很小。由此可见，当水泥掺量达到一定值后，继续提高水泥掺量对流态固化疏浚泥流动性的影响较小。

图2 水泥添加对流态固化疏浚泥流动度的影响Fig.2 Effect of cement addition on fluidity of flow state solidified dredged mud

实际工程中，只有当流态固化疏浚泥的流动度达到一定值后，才能满足流动固化技术的管道泵送要求。日本羽田国际机场、七尾港等工程，以及室内试验研究成果表明，流态固化疏浚泥的流动度在9～15 cm范围内时，既可满足管道泵送的要求，又可满足实际工程对固化疏浚泥强度的要求[15-17]。由图2可知，疏浚泥初始含水率越高，满足流动性要求所需的水泥掺量也越大。因此，在实际工程中，采用流动固化技术处理疏浚泥前，应尽可能地降低其含水率，以降低工程成本。对于初始含水率为174%的流态固化疏浚泥，当水泥掺量高于50 kg/m3后，即可满足流动固化技术对流动度的要求。同时，考虑到固化疏浚泥用作工程填料时还需要达到一定的强度(与流动度呈负相关关系)，本文选取水泥掺量200 kg/m3的含钙质絮凝剂流态固化疏浚泥为研究对象，分析絮凝剂添加对固化疏浚泥流动性的影响。

测定不同絮凝剂掺量下疏浚泥的流动度，结果如图3所示。相同掺量下，絮凝剂为Ca(OH)2的疏浚泥的流动度小于絮凝剂为CaCl2的，且二者间的差异随絮凝剂掺量的增加而增大。对于含Ca(OH)2的疏浚泥，Ca2+首先通过电中和作用和离子交换作用，使土颗粒间的斥力和黏土颗粒表面扩散双电层厚度减小，疏浚泥中的自由水量小幅增加[11-13]，故和不含絮凝剂的疏浚泥(流动度为26.9 cm)相比，添加0.1%的Ca(OH)2将使疏浚泥流动度出现小幅增加，增加到27.5 cm；随着Ca(OH)2掺量的进一步增加，除电中和作用和离子交换作用外，Ca(OH)2还将和土中的活性二氧化硅和氧化铝发生火山灰反应[20]，该反应不仅消耗大量的自由水，同时还将生产一定量的胶凝产物，二者共同作用将引起固化疏浚泥流动度的大幅度降低。

图3 絮凝剂添加对疏浚泥流动度的影响Fig.3 Effect of flocculant addition on fluidity of dredged mud

对于含CaCl2的疏浚泥，絮凝剂的添加会引起其流动度的增加，但流动度增加量基本都小于1 cm，且最大增加幅度仅为7%。由此可知，CaCl2添加对疏浚泥流动度的影响整体较小。这主要是由于CaCl2中的Ca2+仅通过离子交换作用和电中和作用使疏浚泥中自由水量小幅增加，进而改变其流动度。

图4为流态固化疏浚泥的流动度随絮凝剂掺量增加的变化曲线。和疏浚泥类似，流态固化疏浚泥的流动度随Ca(OH)2掺量的增加也呈先增加后减小的变化趋势。这主要是由于Ca(OH)2掺量较低时，通过电中和作用和离子交换作用使流态固化疏浚泥中的自由水量增加，从而引起其流动度的增加；之后，由于水泥与Ca(OH)2都会促进土体发生火山灰反应，使疏浚泥中的自由水大量消耗，从而引起流动度的大幅度降低。需要注意的是，Ca(OH)2掺量达到3.0%后，固化疏浚泥的流动度将低于9.0 cm，已不能满足流动固化技术对固化疏浚泥流动性的要求。

图4 流态固化疏浚泥流动度随絮凝剂掺量的变化规律Fig.4 Variation law of fluidity of flow state solidified dredged mud with flocculant content

当固化疏浚泥中所含絮凝剂为CaCl2时，其流动度随絮凝剂掺量的增加先增大后出现小幅度的减小。和Ca(OH)2相比，CaCl2添加引起流态固化疏浚泥流动度的变化基本小于1.0 cm，整体较小。这是由于CaCl2主要通过Ca2+的电中和作用和离子交换作用，影响其流动度。尽管CaCl2添加对流态固化疏浚泥的流动度影响较小，但适量地加入CaCl2可显著提高固化高含水率泥浆的无侧限抗压强度[21]。由此可见，采用钙质絮凝剂预处理固化疏浚泥时，应综合考虑实际工程对固化疏浚泥流动性和强度的要求进行设计。