吹填泥漿絮凝沉降規律研究

張 濤，艾英缽，范志浩，沙學軍

吹填泥漿絮凝沉降規律研究

張 濤1，艾英缽2，范志浩1，沙學軍1

（1.河海大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學 巖土工程研究所，江蘇南京 210098）

以溫州洞頭吹填泥漿為研究對象，利用沉降柱試驗，考察吹填泥漿的絮凝沉積規律。結果表明，CPAM的加入顯著提高了泥漿的沉降速率，可有效提高泥水分離速率，并使上覆水澄清，一定程度上可增加沉積土的密度、降低沉積土的孔隙比；同時，根據吹填泥漿的絮凝沉積規律，提出以CPAM作為絮凝劑處理吹填泥漿的絮凝沉積模式，將其分為絮凝沉降、快速沉降、慢速沉降、穩定四個階段。

吹填泥漿；絮凝沉降；CPAM；孔隙比

我國沿海經濟發達地區，土地的需求量持續增加，其供求矛盾日漸突出。填海造陸和海涂圍墾是解決沿海城市土地稀缺的有效途徑[1]，為此我國每年開展很多吹填工程項目。由于吹填泥漿含水率高、透水性差、富含粘粒，在吹填工程結束后需要很長時間的自然晾曬，待表面形成硬殼層后才能進行后續的地基處理，這無疑給工程建設帶來了施工周期長的問題[2-5]。為此，有學者參考水處理行業中污泥絮凝沉降的方法，對正在吹填的泥漿同步進行處理，通過改變泥漿土顆粒的帶電性質，減弱粘土礦物的吸水性，以及通過絮凝機理來增大絮團粒徑，加速泥水分離，以節省時間和便于后續的排水固結處理[6-7]。本文以吹填泥漿現場實測含水率為依據，按照含水率500%配置試驗泥漿。通過在吹填泥漿中添加150 mg/L的絮凝劑CPAM[8]，利用室內沉降柱試驗[9]，考察了其不同沉積時間對泥漿沉降的影響，探究了自然沉降和絮凝沉降兩種沉降模式下泥漿的沉降曲線、沉積土的性質（含水率、密度、孔隙比）、上覆水的濁度及絮體的粒度組成，明確了吹填泥漿的絮凝沉積規律，提出了絮凝沉積模式，為吹填工程的設計及后續的地基處理工程提供技術指導。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗所用的吹填淤泥取自浙江省溫州市洞頭縣海涂圍墾吹填區，淤泥從吹填區取出后迅速裝入藍色塑料大桶，桶口雙層密封以保持其原始含水率，然后運至研究所，儲存于地下室，溫度和濕度相對穩定，防止水分流失和由于光照發生的有機質發酵。試驗前，將吹填淤泥中的貝殼等雜質挑出，并過0.1 mm的篩。試驗用泥按照國家標準[10]進行各項基本物理性質指標的測定。根據試驗結果，洞頭吹填淤泥的主要物理指標如表1所示。試驗用絮凝劑CPAM的配置方法：稱3 g的PAM，先加少量的蒸餾水，攪拌溶解后，再加蒸餾水至1 000 g，配制成質量濃度為0.3%的溶液。

表1 試驗用淤泥的基本物理性質指標Tab.1 The basic physical property index of test sludge

1.2 試驗方法

將試驗用淤泥加入適量水調配成含水率為500%的泥漿，并攪拌均勻，取10 L注入內徑13 cm、高100 cm的有機玻璃沉降柱中，加入150 mg/L的絮凝劑溶液，攪拌均勻后靜置，觀測記錄泥面的下沉量。本試驗另設平行樣，在預測時間點開閥取樣，進行含水率和粒組的測定，取樣時間分別為5、10、20、30 min、4 h、1、2……7 d。

2 試驗結果與分析

2.1 泥面的絮凝沉降曲線

吹填泥漿的絮凝沉降曲線如圖1所示，從圖中可以看出，CPAM添加前后，沉降曲線形狀發生了顯著變化。CPAM添加前，曲線形狀與常規壓縮試驗中S-lgt曲線相似，呈反“S”型；添加CPAM后，沉降初期的直線段變得極短，沉降中期的曲線斜率增大，泥漿相對較早地進入沉積穩定階段。從圖中也可以看出，自然沉積和絮凝沉積兩種沉積情況下，最終的沉降量不一致，絮凝沉積下的沉降量要大于自然沉積下的。這是因為絮凝劑CPAM的分子鏈上帶有正電荷活性基團，它可與帶負電荷的有機物發生電中和、吸附架橋作用，從而使部分有機物得到去除[11]。另外，相較于自然沉積形成的絮團，吹填泥漿絮凝沉積形成的絮團孔隙要小，絮團密度要大，所以在底部堆積而成的沉積土的高度要小。因此，兩種沉積情況下的沉降量表現出不一致。

圖1 吹填泥漿絮凝沉降曲線Fig.1 Flocculation settlement curve of hydraulic-dredged slurry

2.2 沉積土性質

根據多孔同時取樣測試得到含水率的數據，換算成相應的密度、孔隙比。由于泥漿的自然沉積固結過程均在水中運動，可假設泥漿的飽和度Sr=100%，則泥漿可看作為固、液兩相體。含水率與孔隙比的關系為e = ω?Gs，密度與含水率的關系為，式中：e 為孔隙比；ω 為含水率；Gs為土粒比重；ρw為水的密度，g/cm3； ρ為泥漿的密度，g/cm3。

泥漿自然沉積和絮凝沉積兩種沉積模式下，不同深度處沉積土的含水率、密度、孔隙比隨時間的變化情況如圖2到圖4所示。從圖中可以看出，自然沉積和絮凝沉積兩種情況下，沉積淤泥土均存在明顯的含水率分層分布現象。越靠近沉降柱底部，含水率越低，這是由于泥漿顆粒自由沉降中，大顆粒的沉降速率快于小顆粒的沉降速率，沉降結束后，將在沉積柱底部形成以粗顆粒為主的高密度淤泥沉淀層，由于顆粒之間的孔隙較大，自由水能夠比較容易地排出，因而含水率比較低， 沉積層比較密實。而沉速較慢的小顆粒，在沉降結束后，將停留在大顆粒沉積層的上部，由于顆粒太細，顆粒之間孔隙較小，自由水排除困難，造成了上部含水率明顯地高于下部。這和前人研究得到的泥漿含水率沿沉降柱垂直方向梯級分布規律一致。

與自然沉積分層現象相比，由于絮凝作用的影響，添加PAM后泥漿含水率的分層現象減小，各層含水率比較接近。這是因為在添加PAM后，由于其吸附架橋作用，使得淤泥顆粒更易凝聚成大絮團，絮團之間又相互粘結，致使泥漿絮團體成為一個結構穩定的整體而下沉，各分層的孔隙相差較小，含有較少的自由水，因而泥漿分層含水率也相差較小。

通過泥面的高度變化，計算出沉降柱中泥面以下泥漿的平均含水率，與各分層的含水率進行比較，可以得知：在沉降第1 d，泥漿的平均含水率下降迅速，基本可降至初始含水率的一半，隨著沉降的繼續而減緩，但是相對于各層的含水率變化幅度，仍然較大，表現在圖中為含水率變化曲線斜率大于各分層含水率的斜率。 同時，對圖中平均含水率和分層含水率進行比較可以看出，在自然沉積剛開始時，泥漿的平均含水率介于最下方兩個取泥口的含水率之間，隨著沉降進行，逐漸低于最低取泥口的含水率。絮凝沉積時，其平均含水率已接近或低于最低取泥口的含水率直到沉降結束。

圖2 泥漿沉積土含水率隨時間的變化關系Fig.2 Relationship between water content and time of muddeposited soil

從圖3可以看出，CPAM 絮凝劑的添加，能在一定程度上減小吹填泥漿的孔隙比。吹填泥漿的孔隙比在快速沉降階段迅速減小，隨著時間的推移，最終趨于穩定。在自由沉積時，吹填泥漿未能形成足夠的絮凝體，因而沉降緩慢，沉積土孔隙比達到穩定狀態需要的時間較長，最終孔隙比較大；而當添加絮凝劑CPAM 后，其通過吸附架橋、電中和作用使泥漿顆粒聚集成團，泥水分離速度加快，沉積土的孔隙比能更快地達到穩定狀態，最終孔隙比較小。

圖3 泥漿沉積土孔隙比隨時間的變化關系Fig.3 Relationship between void ratio and time of mud-deposited soil

圖4 泥漿沉積土密度隨時間的變化關系Fig.4 Relationship between density and time of mud-deposited soil

從圖4可以看出，絮凝劑CPAM的加入，一定程度上可以增加吹填泥漿的密度。吹填泥漿的密度在快速沉降階段迅速增加，隨著時間的推移，最終趨于穩定。在自由沉積時，吹填泥漿未能形成足夠的絮凝體，因而沉降緩慢，沉積土密度達到穩定狀態需要的時間較長，最終密度較低；而當添加絮凝劑CPAM 后，其通過吸附架橋、電中和作用使泥漿顆粒聚集成團，泥水分離速度加快，沉積土的密度更快達到穩定狀態，最終密度較高。

2.3 吹填泥漿絮凝沉積過程中的粒組變化

利用多孔分層取樣測得含水率的同時，為測得不同時間各個沉積深度處泥漿土顆粒的體積含量粒度組成變化提供了條件。取沉積層高度為10、20、30、40、50 cm，繪制吹填泥漿在自然沉降和絮凝沉降兩種條件下，試驗前15 min的粒組變化如圖5、圖6所示。

由圖5可以看出，初始含水率為500%的吹填泥漿自然沉積時，圖中對應高度處5個沉積層中泥漿土顆粒變化量的粒度組成變化在不同高度和不同時間上均無明顯變化。這是因為溫州吹填泥漿的黏粒含量較高，多數泥漿土顆粒的重力小于沉降阻力，顆粒之間在較長時間內處在絮凝懸浮狀態。另外，其它少數自重大于沉降阻力的泥漿土顆粒粒組，其沉速基本相同，顆粒之間無明顯分選現象，每層泥漿中土顆粒增加量的粒度組成基本相同。

當向泥漿添加150 mg/L的CPAM時，泥漿土顆粒向下沉積趨勢明顯，上部沉積層的土顆粒含量減少，底部沉積層的土顆粒含量增加。由圖6可以看出，試驗在沉積進行的整個過程中，最底部沉積層的土顆粒增加量一直以30～200 μm的顆粒為主，原因是CPAM添加量的進一步增加，使泥漿中大量5～30 μm的土顆粒在沉降15 min內也在發生絮凝，絮凝現象相對更加廣泛，絮凝作用相對更強，絮凝成團的粒徑也更大。然而，由于粗顆粒的快速堆沉積，產生較強的向上回流作用阻礙了30～75 μm的土顆粒沉積。因此，形成沉積物的底部沉積層的粗顆粒含量較大，而30～75 μm的土顆粒有滯后現象。

圖5 泥漿自然沉積下的體積含量粒度組成Fig.5 The volume particle size composition under the mud natural sedimentation

圖6 泥漿絮凝沉積下的體積含量粒度組成Fig.6 The volume particle size composition under the mud flocculation sedimentation

從圖5、圖6中可以看出，在沉降15 min內，自然沉積和絮凝沉積兩種條件下，均發生了不同程度的絮凝，但自然沉降粒徑分布變化相對絮凝沉積要小很多。這是因為溫州吹填泥漿的黏粒含量很高，絮凝劑CPAM恰恰又對細粒徑的泥漿土顆粒的作用效果很好。因此，在絮凝劑CPAM的吸附架橋和吸附電中和作用下，細小土顆粒不斷凝聚成團，不斷形成粗顆粒，繼而粗顆粒不斷下沉。由于不同沉積深度處絮凝效果略有差異，且粗顆粒的下沉會產生向上回流，所以沉降過程中產生了微弱的顆粒分選現象。

2.4 吹填泥漿上覆水濁度的變化

兩種沉降模式下，吹填泥漿上覆水濁度的變化如表2所示。結果顯示：吹填泥漿在自然狀態下沉降30 min后，上覆水的濁度遠遠高于 同期絮凝沉降上覆水濁度94.8 NTU，在沉降1 d時亦是如此，說明CPAM絮凝劑的加入，能有效改變泥水狀態，使吹填泥漿顆粒聚集成團，與水快速分離，使上覆水更快澄清。根據上覆水的濁度，泥漿的界面沉降可以分為混泥界面沉降和清泥界面沉降兩個階段。當上覆水中仍有細顆粒以懸浮狀態存在時，界面的沉降屬于混泥界面沉降。相較于自然沉降，添加量為150 mg/L時的絮凝沉降在1 d時，其濁度去除率就已達到67.4%，絮凝沉降在時間上能夠更快地進入清泥界面沉降階段。

表2 不同沉降模式下上覆水的濁度Tab.2 Turbidity of overlying water under different sedimentation modes

2.5 吹填泥漿的絮凝沉積模式

根據溫州吹填泥漿的絮凝沉降規律，提出以CPAM作為絮凝劑處理吹填泥漿時的絮凝沉積模式。與自然沉積情況不同的是，CPAM高分子的加入大大促進了土顆粒的絮凝階段，且試驗前的強烈攪拌給予顆粒之間更多的碰撞接觸機會，CPAM分子與吹填泥漿顆粒的反應迅速且充分，凝聚成較大的絮團，絮團又相互作用形成更大的絮體。在試驗開始后，伴隨著土顆粒的絮凝，泥漿開始進入沉降階段，吹填泥漿在絮凝沉降模式下可分為四個階段：絮凝沉降階段、快速沉降階段、慢速沉降階段、穩定階段。

絮凝沉降階段：當試驗前的攪拌結束后，泥漿土顆粒的絮凝并未停止，絮團之間的凝聚現象仍在發生。該階段水中的淤泥顆粒受到自重、水的阻力和絮凝劑的絮凝作用影響，當淤泥土顆粒受到的自重力、水的阻力和絮凝作用力達到平衡時，淤泥土顆粒做懸浮運動，否則，土顆粒進入低速啟動沉降狀態。

快速沉降階段：該階段的主要特點是等速率沉降。斜長直線段的出現主要是由于CPAM絮凝劑形成的絮團較大，絮體濃度較低，在沉降過程中，顆粒之間互不碰撞，絮體呈單顆粒狀態，各自獨立的完成沉降過程，此時能看到清晰的泥水分界面，顆粒以整體狀態下沉，水分被排擠至上層，泥面表現上為等速率沉降現象。

慢速沉降階段：隨著時間的推移，吹填泥漿經過等速沉降后，速度降低。該階段的主要特點為：速率降幅大，泥面沉降高度變化小。經過長時間的沉降過程，絮體顆粒之間開始接觸，并相互支撐，形成網狀結構，并相互堆積形成無數絮體。由于絮體在顆粒重力的作用下逐漸壓縮、絮體位置重新排列，顆粒之間相互關系不再發生大的變化，但是此時絮體的壓縮不會增加顆粒之間的接觸應力。

穩定階段：顆粒之間、顆粒與水之間達到穩定平衡狀態，絮體顆粒間傳遞有效應力，由于自重的影響，形成的土中產生超孔隙水壓力，隨著超孔隙水壓力的消散，有效應力增加，絮凝土表現為一個整體，以整體的形式發生固結并下沉，在短時間內的位移非常小。此時，泥漿分為上下兩個部分，上部泥漿仍處在慢速沉降階段，下部泥漿進入穩定階段，也就是泥漿轉化為土的開始。

3 結論

1）CPAM在促進泥漿沉降和泥水快速分離方面有很好的效果，能夠在短時間內形成較大、較密實的絮體，更快地進入穩定狀態，為硬殼層的快速形成提供了條件，從而更快地進入吹填工程后期的排水固結處理階段。

2）自然沉積和絮凝沉積兩種模式下，上覆水的濁度和沉積土的性質表現出較大的差異。相比自然沉積，吹填泥漿在相同沉降時間的絮凝沉積模式下，上覆水的濁度減小得更快，沉積土的含水率會更低，密度更小，孔隙比更大，土體的性質相對較好。

3）在充分攪拌下，吹填泥漿與CPAM高分子發生絮凝反應。攪拌結束后，泥漿迅速沉降，土顆粒與水分離，沉降過程分為四個階段，分別為：絮凝沉降階段、快速沉降階段、慢速沉降階段、穩定階段。

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Study on the flocculation sedimentation law of hydraulic-dredged Slurry

ZHANG Tao1，AI Yingbo2，FAN Zhihao1，SHA Xuejun1
(1. Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering, Hohai University, Jiangsu Nanjing, 210098, China; 2. Research Institute of Geotechnical Engineering, ohai University, Jiangsu Nanjing, 210098, China)

By using the sedimentation column test, the flocculation sedimentation law of the hydraulicdredged slurry is investigated with the case of Dongtou of Wenzhou. The results show that the addition of CPAM can increase the settling rate of slurry, improve the separation rate of slurry, and make the overlying water clear, which can increase the density of sedimentary soil in some extent, and reduce the void ratio of sedimentary soil; At the same time, according to the flocculation sedimentation law of hydraulic-dredged slurry, the flocculation sedimentation model of CPAM as flocculant to treat the dredger filled slurry is put forward, which is divided into four stages of flocculation sedimentation, rapid settling, slow settling and stabilization.

hydraulic-dredged slurry; flocculation sedimentation; CPAM; void ratio

TU411

A

1673-9469（2017）03-0050-06

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.03.011

2017-07-06

中央高?；究蒲袠I務費專項基金資助項目（2015B17714）

張濤（1992-），男，山西臨汾人，碩士，從事環境巖土方面的研究。