泥水盾构废弃泥浆絮凝脱水机理及影响因素分析

李 培，方若全，顾斌兵，陈 焱，方 勇

(1.中铁十四局大盾构公司，济南 250014；2.江苏省交通工程建设局，南京 210000； 3.华设设计集团有限公司，南京 210005；4.西南交通大学 土木工程学院，成都 610031)

序 言

随着城市地下空间开发规模不断扩大，泥浆由于具有优良的护壁、携渣等作用，故被广泛用于地下连续墙、钻孔灌注桩、顶管、盾构等地下工程[1～6]。然而，此类工程的施工势必会产生大量的废弃泥浆(图1)[7～9]。一般来说，工程废浆主要由水和固体颗粒(砂粒、粉粒和黏粒)组成。其中，砂粒(>0.075mm)和粉粒(0.005～0.075mm)粒径较大，且砂粒和粉粒在稍湿时颗粒间的联结力比较微弱，在干时或完全浸没于水中时几乎没有联结力，易进行脱水分离。而黏土颗粒(<0.005mm)表面携带负电荷，其周围会形成一个电场，在电场的作用下，水中的阳离子被吸引分布在颗粒周围，形成双电层结构(图2)。正是由于这种双电层结构，使得黏土和水形成的悬浮液比较稳定，在静置状态下能长时间保持悬浮而不沉淀，给废浆处理带来极大的困难[10]。以往废弃泥浆的处理方式主要是利用槽罐车将废浆运至郊外，使其自然沉降干化。由于该处理方式落后，效率低且费用高，在运输过程中引起的渗漏会影响城市环境；同时，还可能造成板结土壤、阻塞河流、加剧水土流失等一系列严重环境问题[11]。因此，建筑工程废弃泥浆的无害化和减量化处理已成为当前工程界亟待解决的环境问题和社会问题[12]。目前，针对废弃泥浆的无害化和减量化处理，国内外主要采用化学絮凝与机械脱水相结合的方法。该法主要是通过化学絮凝的作用改变黏土颗粒表面性质，让细颗粒之间产生聚结，进而破坏泥浆的整体稳定性，最后在机械辅助分离的条件下实现废弃泥浆的水土分离。对于这种处理方式而言，化学絮凝是其中重要的一个环节。因此，选择一种合适的絮凝剂及处理条件，能极大的提高废弃泥浆固液分离效率，实现废弃泥浆的无害化和减量化处理。

有关废弃泥浆的絮凝处理，国内外学者已经进行了一些研究，并取得了一定的研究成果。刘娟等[13]、王冬星等[14]研究了有机絮凝剂作用下浆液絮体的宏微观变化，揭示了絮凝剂的絮凝机理；梁止水等[15]、张钦喜等[16]通过试验研究了无机絮凝剂和有机絮凝剂对工程泥浆的快速泥水分离性能的影响，得出有机絮凝剂对泥浆具有较好的快速泥水分离效果。冷凡等[17]、武亚军等[18-19]、刘勇健[20]等通过室内试验，研究了絮凝剂种类、掺量及浓度对浆脱水效率的影响，确定了絮凝剂的最佳种类、掺量和浓度；He等[21]研究了不同电荷类型及电荷密度的PAM对泥浆脱水效率的影响。郑爱荣等[22]通过室内试验，对比分析了疏水剂和高分子絮凝剂对吹填土沉积过程的影响，得出加入高分子絮凝剂后，泥浆前期沉降速度明显提高。

上述研究成果表明：① 黏土和水组成的悬浮胶体体系的泥水分离是泥浆固液分离的关键；② 絮凝处理是实现废弃泥浆减量化的重要环节；③ 有机高分子絮凝剂PAM对黏粉土地层废弃泥浆的固液分离效果比较显著[15～17]。但上述研究也存在一定的不足，主要体现在：① 现有废浆固液分离研究主要集中于絮凝剂(无机絮凝剂与有机絮凝剂)的选择，未充分考虑絮凝剂分子量和添加密度对废弃泥浆脱水效果的影响；② 絮凝效果评价指标过于单一，通常只针对絮凝后上清液体积、上清液浊度、滤饼含水率中的某一指标进行分析，未能全面综合评价絮凝剂对废弃泥浆的絮凝效果。鉴于此，本研究选取阴离子聚丙烯酰胺(APAM)、阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)和非离子聚丙烯酰胺(NPAM)，开展考虑絮凝剂类型、相对分子量、投加量等因素的沉降柱试验，基于底泥体积、底泥含水率、底泥颗粒粒径、上清液浊度等指标分析絮凝作用下的废浆泥水分离效果，通过颗粒级配试验，定量描述投加絮凝剂后泥浆颗粒级配变化规律，揭示絮凝剂影响废浆泥水分离的内在机理，以期对实际工程中的泥浆处理提供一定的参考。

图2 黏土的双电层结构Fig.2 Structure of double electrical layer of clay

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本文试验所用的泥浆取自江阴靖江长江隧道施工工地，为泥水平衡盾构掘进黏粉土层所产生的废弃泥浆，泥浆外观呈现浅黄色，其基本性能指标如表1所示。由表1可见，该类型泥浆呈碱性，含水率较高，相对密度较大，废浆颗粒带负电荷。按照相关标准(GB/T 19077-2016)，运用激光粒度分析仪对废弃泥浆进行粒径分析，废弃泥浆的颗分曲线如图3所示。由图分析可知，泥浆中以黏土颗粒为主，粘粒(<0.005 mm)和粉粒(0.005～0.075 mm)占比分别为78%和22%。由于颗粒矿物表面带负电荷，并与其周围水分子形成双电层结构，进而使得颗粒相互分散，长时间保持半胶体悬浮状态，重力作用下很难克服电场力使颗粒絮凝沉淀。

表1 工程废弃泥浆性质指标Tab.1 Properties of waste slurry from construction works

图3 试验用泥浆粒径分布曲线Fig.3 Particle size distribution curve of slurry for test

为探明废弃泥浆的矿物组成，利用X射线衍射仪进行物相测试。测试中角度范围0～120°，速率为3°/min，使用Jade软件进行数据处理，如图4所示。分析得到废弃泥浆主要含有SiO2、CaO、Al2O3等矿物质。从原生矿物和次生矿物角度分析，该废弃泥浆中原生矿物主要有石英、长石、方角石和白云石，其中石英的含量最多，次生矿物主要以伊利石和高岭石为主。

综上，本文试验所用废浆是由带负电荷的、微米级别的硅铝酸盐类矿物微粒形成的高度分散混合悬浮体系。

图4 试验用泥浆X射线衍射分析图Fig.4 X-ray diffraction analysis of slurry for test

由前述引言部分可知，PAM对黏粉土地层废弃泥浆的固液分离效果比较显著，故本文选取PAM作为处理废浆的絮凝剂。PAM系列有非离子型(NPAM)、阴离子型(APAM)、阳离子型(CPAM)，使用时均配制成质量浓度为0.15%(1000g水与1.5g絮凝剂)的溶液，聚丙烯酰胺系列絮凝剂的分子量分别为1200万、1600万和1800万。

1.2 试验仪器

试验仪器主要有激光粒度分析仪，型号LS 13 320、Zeta 电位分析仪、SGZ-200AS型浊度仪、恒温真空干燥箱、精度为0.01g的电子天平、高速搅拌器、500mL烧杯、500mL的量筒，滴定管、20mL移液管、玻璃棒等。

1.3 试验方法及方案

1.3.1 试验方法

① 泥浆粒径的测定

絮凝絮团体呈链状结构，鉴于常规土工试验中的烘干碾碎法会破坏絮体结构，无法真实反映絮团体的粒径大小，故采用激光粒度仪测定絮凝后废浆的颗粒粒径。取一定量絮凝后的废浆缓慢移入粒度分析仪循环进样器中，在样品的转移和稀释过程中应以慢速为宜，避免絮体被打碎。

② 泥浆含水率的测定

参照《城市污水处理厂污泥检测方法》(CJ /T 221-2005)中含水率的测定方法，用恒重为m的铝盒称取泥浆样品，该样品准确称至 0.001 g 记为m1，放入105～110℃恒温下箱中烘干10h，将烘干后的试样和铝盒取出，放入干燥器内冷却至室温，再次称重并记为m2。则泥浆含水率ω按下式计算：

1.3.2 试验方案

将不同分子量(1200万、1600万、1800万)的聚丙烯酰胺颗粒(APAM、CPAM、NPAM)与蒸馏水混合，经均匀搅拌后分别配制成质量浓度为0.15%的溶液。取 5 个容积为 500 mL的烧杯，均倒入300 mL泥浆(初始含水率为250%)，按40mL、50mL、60mL、70mL、80mL的投加量，对应加入上述配制完成的絮凝剂溶液；使用搅拌器以200 r/min 的速度搅拌 2 min，使絮凝剂与泥浆充分混合均匀。将絮凝泥浆倒入容积为500 mL的量筒后静置2h，整理数据，分析废浆底泥体积、底泥含水率、底泥颗粒粒径分布、上清液浊度等的变化规律。

2 试验结果与分析

2.1 絮凝沉降试验现象分析

图5显示了分子量均为1200万，添加量均为50mL时不同类型絮凝剂对废弃泥浆的絮凝效果(静置2h后)。由图可知，添加NPAM和APAM絮凝剂后，废弃泥浆出现了明显的固液分离现象，并形成上清液和底泥，底泥颗粒出现明显的絮团状。添加CPAM絮凝剂后，废弃泥浆几乎没有出现明显的固液分离现象，废弃泥浆仍然表现为稳定半胶体悬浮状态。由此可知，APAM和NPAM对与废弃泥浆具有较好的絮凝效果，接下来便针对这两种絮凝剂进行进一步深入研究。

图5 絮凝沉降试验现象Fig.5 Phenomena of flocculation settlement test

为了探明NPAM(APAM)絮凝剂分子量及其添加量对废弃泥浆絮凝效果的影响，选取NPAM(APAM)絮凝剂的分子量为1200万、1600万和1800万，通过开展絮凝沉降实验，采用底泥体积、底泥含水率、泥浆粒径参数D50(D50表示小于某粒径的土粒含量为50%时所对应的粒径)以及上清液浊度(浊度即表示1 L水中含有1 mg 的福尔马肼聚合物时所产生的浑浊程度，单位为NTU。该值可以反映水溶液中的微粒含量、大小和絮凝沉淀的程度。该值越小说明上清液浑浊度越小，絮凝效果越好。)等指标进行分析，从而确定最佳絮凝剂种类及最佳用量，以期为实际工程的应用提供一定的技术支持。

2.2 NPAM絮凝剂的影响

图6(a/b/c1)显示了NPAM絮凝剂分子量分别为1200万、1600万、1800万时，底泥体积随絮凝时间变化规律；图6 (a/b/c2、a/b/c3、a/b/c 4)显示了絮凝时间为120min时，NPAM絮凝剂分子量分别为1200万、1600万、1800万时底泥体积、底泥含水率、泥浆粒径参数D50、上清液浊度等指标随絮凝剂添加量的变化规律。

由图6(a1)、(b1)、(c1)可知，废弃泥浆的絮凝沉降过程可分为絮凝阶段和固结阶段，且快速絮凝沉降阶段主要发生在前30min内。这是因为，初始废弃泥浆浓度较低，泥浆颗粒在絮凝剂的作用下逐渐形成较大的团聚体，并在重力作用下快速沉降，底泥体积显著减小。而随着泥浆团粒逐渐沉降，底泥浓度逐渐增加，团粒间间距逐渐减小，最终会彼此接触，进而处于堆积状态，此时沉降主要是由泥浆压缩固结产生，故而底泥体积基本保持不变。同时，还可以看出，不同分子量NPAM添加量不同时，固结稳定阶段底泥体积也不一样。

随着絮凝剂投加量的增加，絮凝泥浆脱稳效率有所提升，即底泥体积、底泥含水率和上清液浊度逐渐减小，泥浆粒径参数D50逐渐增大；但当超过某一添加量后，进一步增加其用量反而会导致絮凝效果下降。具体来说，NPAM分子量为1200万时(图6a)，当添加量达到60mL时，出现了最佳絮凝效果，此时底泥体积、底泥含水率和上清液浊度值最小，且分别为208mL、216%和625NTU，泥浆粒径参数D50最大为58μm；当进一步提高添加量时，底泥体积、底泥含水率和上清液浊度逐渐增大，泥浆粒径参数D50逐渐下降。究其原因，是由于NPAM絮凝剂的絮凝作用是通过高分子链的吸附架桥和电中和作用来实现。当絮凝剂投加量适宜时，一方面，NPAM絮凝剂分子链之间可快速形成絮凝分子网，并有效网捕泥浆中细颗粒及胶体，引起絮团重力体积不断增加，从而显著加快絮团沉降；另一方面，NPAM分子链所带正电基团能够与表面带负电的粘土颗粒发生电中和，形成压缩双电层，并降低泥浆Zeta电位促进细颗粒间彼此吸附形成小絮团，从而更易被高分子链吸附下沉。当絮凝剂投加过量，过量的絮凝剂颗粒会在黏土颗粒之间形成空间位阻作用，使得长链上的活性基团无法继续吸附，进而抑制絮凝效果。

图6 底泥体积，底泥含水率，泥浆粒径参数D50和上清液浊度随NPAM添加量变化曲线Fig.6 Variation curves of sediment volume，sediment moisture content， slurry particle size D50 and supernatant turbidity with dosage of NPAM

同理可知，当NPAM分子量为1600万(图6b)，NPAM溶液添加量达到60mL时，出现最佳絮凝效果，此时底泥体积、底泥含水率和上清液浊度值最小，分别为205mL、202.8%和583.7NTU，泥浆粒径参数D50最大为63μm。当NPAM分子量为1800万(图6c)，NPAM溶液添加量达到50mL时，出现最佳絮凝效果，此时底泥体积、底泥含水率和上清液浊度值最小，分别为210mL、201.3%和618.9NTU，泥浆粒径参数D50最大为65.7μm。

综上可知，使用NPAM絮凝剂处理废弃泥浆时存在最佳投加量，投加量不足时，絮凝作用无法充分发挥，泥浆颗粒无法有效聚集形成大絮体；投加量过大时，空间位阻效应会阻碍单体自由基之间的相互碰撞，降低吸附架桥与电中和作用，使得絮凝效果减弱。

2.3 APAM絮凝剂的影响

图7 (a/b/c1)显示了APAM絮凝剂分子量分别为1200万、1600万、1800万时，底泥体积随絮凝时间变化规律；图7 (a/b/c2、a/b/c3、a/b/c 4)显示了絮凝时间为120min时，APAM絮凝剂分子量分别为1200万、1600万、1800万时底泥体积、底泥含水率、泥浆粒径参数D50、上清液浊度等指标随絮凝剂添加量的变化规律。

由图7(a1)、(b1)、(c1)可知，不同分子量APAM絮凝作用下废浆的絮凝泥浆沉降过程类似，其絮凝沉降过程均可分为絮凝阶段和固结阶段，且快速絮凝沉降阶段主要发生在前30min内。究其原因，在絮凝作用初期，APAM高分子长链上的酰胺基借助氢键作用吸附在泥浆颗粒表面，再加上聚丙烯酰胺高分子之间的相互聚集，进而形成大的絮体，加速絮凝沉降。随着时间的推移，APAM高分子长链可供废浆颗粒吸附的空白面越来越少，致使吸附逐渐达到饱和，在后期的沉降过程主要依靠絮体的重力作用自然沉降，絮团之间相互挤压，进而导致沉降速度变缓。

随着絮凝剂投加量的增加，絮凝泥浆脱稳效率有所提升，即底泥体积、底泥含水率和上清液浊度逐渐减小，泥浆粒径参数D50逐渐增大；但当超过某一添加量后，进一步增加其用量反而会导致絮凝效果下降。具体来说，APAM分子量为1200万时(图7a)，当添加量达到70mL时，出现了最佳絮凝效果，此时底泥体积、底泥含水率和上清液浊度值最小，且分别为203mL、212.3%和486.5NTU，泥浆粒径参数D50最大为61.2μm；当进一步提高添加量时，底泥体积、底泥含水率和上清液浊度逐渐增大，泥浆粒径参数D50逐渐下降。究其原因，由于APAM的絮凝调理作用主要通过长链架桥实现，适宜的投加量促使絮凝剂分子链之间形成絮凝分子网，可有效网捕泥浆中细颗粒及胶体，引起絮团重力体积不断增加，从而显著加快絮团沉降。若絮凝剂投加过量，则其长分子链结构发生严重卷曲，形成线团状，絮体覆盖在卷曲后长链表面，长链上的其他活性基团无法继续吸附，导致架桥作用效果下降。

同理可知，当APAM分子量为1600万(图7b)，APAM溶液添加量达到60mL时，出现最佳絮凝效果，此时底泥体积、底泥含水率和上清液浊度值最小，分别为200mL、213%和432NTU，泥浆粒径参数D50最大为62.5μm。当APAM分子量为1800万(图7c)，APAM溶液添加量达到50mL时，出现最佳絮凝效果，此时底泥体积、底泥含水率和上清液浊度值最小，分别为198mL、212%和523.6NTU，泥浆粒径参数D50最大为63.5μm。

综上可知，使用APAM絮凝剂处理废弃泥浆时存在最佳投加量，投加量不足时，絮凝作用无法充分发挥，泥浆颗粒无法有效聚集形成大絮体；投加量过大时，APAM长链上的分子链结构发生严重卷曲，致使活性基团无法发挥吸附架桥作用，使得絮凝效果减弱。

3 结 论

(1)针对黏土颗粒为主的废弃泥浆，APAM和NPAM对其具有较好的絮凝效果，能够实现废浆的快速固液分离，而CPAM不能使废弃泥浆发生明显的固液分离。

(2)使用APAM或NPAM絮凝剂处理废弃泥浆时均存在最佳投加量。投加量不足时，絮凝作用无法充分发挥，泥浆颗粒无法有效聚集形成大絮体；投加量过大时，APAM长链上的分子链结构发生严重卷曲，抑制架桥作用，絮凝效果减弱。

(3)对于APAM而言，当其分子量分别为1200万，1600万和1800万时，废浆絮凝效果最佳时的添加量分别为0.35g/L、0.3g/L和0.25g/L；对于NPAM而言，当其分子量分别为1200万，1600万和1800万时，废浆絮凝效果最佳时的添加量分别为0.3g/L、0.3g/L和0.25g/L。

(4)在最佳添加量的情况下，底泥体积、底泥含水率和上清液浊最小，泥浆粒径参数D50最大。