建筑廢棄泥漿綠色處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

田亞洲 ，劉俊杰 ，楊 琴 ，吳建福 ，趙士超 ，楊旭東

（1.深圳中鐵二局有限公司，廣東 深圳 518034；2.西華大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，四川 成都 610039）

1 概述

近年來，隨著我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模迅速擴(kuò)大，灌注樁被大量運(yùn)用到高層、超高層建筑物和道路橋梁工程中，由此也不可避免地產(chǎn)生了大量廢棄工程泥漿。黨的十九大報(bào)告強(qiáng)調(diào)“加快生態(tài)文明體制改革，建設(shè)美麗中國(guó)”。在此背景下，綠色施工技術(shù)的研究受到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，廢棄工程泥漿的處理問題愈發(fā)的突出[1]。

目前，對(duì)廢棄工程泥漿處理方法主要有外運(yùn)排放、化學(xué)絮凝固液分離、化學(xué)固化、機(jī)械脫水、制作新型材料幾種。直接外運(yùn)排放的傳統(tǒng)方法需使用槽罐車將廢棄工程泥漿運(yùn)送到特定場(chǎng)所集中處理，由此產(chǎn)生高昂的運(yùn)輸、處理費(fèi)用，也存在一定的環(huán)保隱患。張欽喜等[3]根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為聚丙烯酰胺（陰離子）為最佳絮凝試劑并確定其最佳用量。魏雁冰等[4]在使用化學(xué)藥劑的基礎(chǔ)上引進(jìn)了芬蘭的固化設(shè)備，直接對(duì)廢棄泥漿池進(jìn)行脫水加固，提高地基承載能力。然而，不同工程地質(zhì)下產(chǎn)生的廢棄泥漿具有不同的化學(xué)性質(zhì)，單一的化學(xué)藥劑無法滿足對(duì)廢棄工程泥漿復(fù)雜成分的處理要求，且存在一定的環(huán)保隱患。盧琦淮等[5]在廢棄工程泥漿中摻入增強(qiáng)劑，將其加工為燒結(jié)磚，一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)廢棄泥漿的回收利用，但廢棄泥漿組成成分的不均勻性，必然導(dǎo)致成品磚承載能力的不確定性，無法形成標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。機(jī)械脫水方法[6，7]雖然避免了對(duì)化學(xué)藥劑的使用，但也增加了施工中對(duì)大型器械的依賴，進(jìn)而會(huì)提高了施工過程中對(duì)專業(yè)技術(shù)人員的要求，增加了工程成本。此外，大型器械引入還會(huì)占據(jù)大面積的施工產(chǎn)地，提高施工平面布置的難度。

綜上所述，開發(fā)一套操作簡(jiǎn)便、成本低廉、對(duì)施工環(huán)境要求低且能夠?qū)U棄泥漿進(jìn)行有效分離的建筑泥漿處理系統(tǒng)，對(duì)推進(jìn)綠色施工技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

2 泥漿處理系統(tǒng)原理

2.1 工藝路線

本次研究依托于深圳中鐵二局工程有限公司承建的廣佛江快速通道江門段工程項(xiàng)目進(jìn)行。該項(xiàng)目共需施工混凝土灌注樁748 根，樁徑為1～1.6m，埋深達(dá)40m，由此產(chǎn)生的建筑泥漿數(shù)量預(yù)計(jì)可達(dá)36000m3。且埋深范圍內(nèi)土質(zhì)成分復(fù)雜，分布第四系全新統(tǒng)填土、粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土、中砂、粗砂、礫砂、殘基砂質(zhì)黏性土，下部基巖為燕山期花崗巖。施工時(shí)還需保證行車通道的暢通，施工場(chǎng)地受限。

圖1 泥漿分離系統(tǒng)

針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)上述情況，為方便處理系統(tǒng)的搭設(shè)和生產(chǎn)，將泥漿處理系統(tǒng)分為3 大子系統(tǒng)：泥砂分離系統(tǒng)，通過清洗過濾，對(duì)泥、砂、水進(jìn)行分離分類；水循環(huán)系統(tǒng)，主要包含80m3的清、濁水罐各一只，對(duì)含微量泥沙的濁水進(jìn)行沉淀回收；成品回收系統(tǒng)，對(duì)處理的砂石進(jìn)行回收晾曬及篩選分類，按其性質(zhì)進(jìn)行回收再利用。系統(tǒng)間自由組合的方式，能夠有效適應(yīng)施工現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的場(chǎng)地環(huán)境，降低平面布置難度。

2.2 泥沙分離系統(tǒng)

泥漿分離系統(tǒng)主要包含儲(chǔ)漿池、沖洗槽、洗沙斗與高壓水泵，如圖1 所示。

將灌注樁施工現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的建筑泥漿統(tǒng)一運(yùn)輸?shù)絻?chǔ)漿池中進(jìn)行均質(zhì)處理，通過挖掘機(jī)將泥漿投入沖洗槽后，以高壓水柱沖擊半固態(tài)的泥漿膏。沖洗槽自槽底1m 高處，沿入料方向設(shè)置坡度為0.35 的10mm 方格網(wǎng)篩；至沖洗槽1.9m 處向左設(shè)置坡度為0.5 的10mm 方格網(wǎng)篩，與入料方向方格網(wǎng)連接在一起，接沖洗槽左側(cè)的粗料出口以排出泥漿中無法沖洗的雜物和較大顆粒。粒徑較小的泥沙顆粒經(jīng)過沖洗槽網(wǎng)格下方，流入洗沙斗中。

洗沙斗寬為1.7m、高1.42m、長(zhǎng)3.5m，呈倒梯形。斗中葉輪直徑為2.8m、寬為1.2m，主要由左右兩側(cè)工片的齒形葉片、齒下隔板、中間的環(huán)形擋板和輪內(nèi)側(cè)孔板組成，輪斗右側(cè)高1.33m，距出料口25cm、85cm 處分別預(yù)設(shè)DN100、DN250 塑料水管接口各一處作為溢流口。電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)及其安裝平臺(tái)設(shè)置在輪斗右側(cè)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)，通過傳送皮帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)葉輪。葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)形成水波，使洗沙斗中的沙粒得到清洗，較輕的泥土微粒隨著水流上涌浮在水層上部，形成一種密度較低的泥土微粒懸浮層，而砂粒則沉淀在離心篩沙水槽底部，由葉輪篩分回收。離心篩沙水槽頂部側(cè)壁上設(shè)置有溢流口，PVC 管與溢流口相連，泥漿水通過溢流口排出；含細(xì)顆粒的泥漿水經(jīng)過水循環(huán)系統(tǒng)，分離出泥漿膏體經(jīng)晾曬固結(jié)后安全排放，清水回到分離系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)利用；葉輪上的鏟砂斗鏟砂，通過水輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生離心力，實(shí)現(xiàn)泥砂的分離。

2.3 水循環(huán)系統(tǒng)

水循環(huán)系統(tǒng)主要由1 口臺(tái)階式折流沉淀池、2 只水罐及3 口水泵及各部分連接水管組成。

2 只水罐設(shè)置在泥漿處理系統(tǒng)后部，分別稱作二級(jí)沉淀罐和一級(jí)沉淀罐。臺(tái)階式折流沉淀池通過設(shè)置5 級(jí)臺(tái)階減緩流入泥漿水的沖擊力，泥漿經(jīng)過逐漸變密的3道篩網(wǎng)過濾不同粒徑區(qū)間的泥土微粒，水流出入口對(duì)角設(shè)置形成折流，提高過濾效果，具體情況如圖2 所示。

圖2 臺(tái)階式折流沉淀池

在泥漿沖洗的過程中，經(jīng)泥沙分離系統(tǒng)產(chǎn)生的泥漿濁液經(jīng)臺(tái)階式折流沉淀池分析出其中大部分泥土微粒形成泥膏，含泥較少的濁液由1 號(hào)水泵抽入到一級(jí)沉淀罐儲(chǔ)存，經(jīng)過靜置、沉淀以后，通過兩水罐中上部的連接管將較清的水輸入到二級(jí)沉淀罐中以備后用。二級(jí)沉淀罐儲(chǔ)存的循環(huán)水不足時(shí)，通過2 號(hào)清水泵的補(bǔ)充清水，保證泥沙分離系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。二級(jí)沉淀罐中的清水通過3 號(hào)水泵輸入到泥沙分離系統(tǒng)中，通過高壓水泵對(duì)泥漿進(jìn)行沖洗，并最終經(jīng)由折流式沉淀池與1 號(hào)水泵從沖洗槽中回到2 只沉淀罐，完成整個(gè)系統(tǒng)用水循環(huán)。

為確保成沙質(zhì)量，二級(jí)沉淀罐中儲(chǔ)存水的含泥率不能大于5%時(shí)，含泥率過高時(shí)，暫時(shí)停止將一級(jí)沉淀罐里的循環(huán)水加入其中，待多次添加清水含泥率下降之后，再重新進(jìn)行用水循環(huán)。

2.4 成品回收系統(tǒng)

在泥沙分離系統(tǒng)洗沙斗出沙口下架設(shè)一臺(tái)皮帶傳送卷揚(yáng)機(jī)，將完成清洗的沙粒，運(yùn)輸至晾曬篩分場(chǎng)地。嚴(yán)格按照《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行試驗(yàn)，合格沙料投入到工程中繼續(xù)使用，降低工程成本。

骨料粒徑大于150mm 的應(yīng)棄置，粒徑小于150mm的可用作路堤中上、下路堤的填料，粒徑小于100mm 的可用作路堤中上、下路床或其他路基的填料。禁止將大粒徑填料混入其中。本研究系統(tǒng)得到的沙石均在驗(yàn)證合格后，用于地基的換填處理中。

多余的清水可以就近利用市政排水系統(tǒng)排出，也可以接入非接觸性的生活用水系統(tǒng)中進(jìn)行使用，如施工現(xiàn)場(chǎng)的公共廁所等。

3 處理效果

泥漿處理后除大塊石、腐敗樹枝、煙頭等雜物外無其他有害垃圾，可以直接棄置；剩余泥漿膏塊級(jí)配可控、質(zhì)地均勻，在泥漿護(hù)壁中具有更好的效果；產(chǎn)出的沙石經(jīng)檢驗(yàn)可回收運(yùn)用到相應(yīng)工程當(dāng)中，因本研究選擇的項(xiàng)目對(duì)應(yīng)地質(zhì)中含有大量沙石，灌注樁超灌時(shí)也會(huì)有部分沙石混入泥漿中。2019年記錄的部分現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示，系統(tǒng)產(chǎn)出沙石較為可觀，消耗電力資源少，具體記錄如表1 所示，投料及產(chǎn)出為施工人員預(yù)估。

表1 泥漿處理系統(tǒng)產(chǎn)耗記錄表

4 討論

模塊化的建筑泥漿處理系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于裝拆、使用方便、篩分效果好、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，各部分配件互換性好，可以在現(xiàn)有的市場(chǎng)上找到，無需定制。當(dāng)場(chǎng)地平面布置困難時(shí)，可以考慮將各子系統(tǒng)模塊拆解后安裝在卡車上隨施工現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)處理泥漿。采用配套設(shè)備易于操作，便于普通工人學(xué)習(xí)及使用，不會(huì)產(chǎn)生額外的人工費(fèi)用。經(jīng)系統(tǒng)處理后，可對(duì)泥漿中分離出來的沙、水等資源回收利用，減少資源的浪費(fèi)，達(dá)到綠色施工的目的。

針對(duì)不同施工環(huán)境，可以增加或減少部分子系統(tǒng)模塊功能，如：在待處理泥漿量大時(shí)，可以并聯(lián)多組泥沙分離系統(tǒng)，而在泥漿中含沙量較低時(shí)，可以放棄成品回收系統(tǒng)，避免資源的浪費(fèi)。

5 結(jié)論

（1）綠色處理系統(tǒng)對(duì)建筑泥漿的分離效果良好，經(jīng)過分離得到的泥膏體質(zhì)地均勻、微粒的粒徑區(qū)分后更方便用于調(diào)配護(hù)壁泥漿，泥膏中無其他有害雜物，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，可以有效提高綠色施工水平。

（2）模塊化的建筑泥漿處理系統(tǒng)能夠適應(yīng)復(fù)雜的施工場(chǎng)地，配合資源循環(huán)利用的設(shè)計(jì)，減少對(duì)施工環(huán)境的依賴性，降低平面布置難度，且具有施工技術(shù)簡(jiǎn)單、操作難度低、能源消耗少的優(yōu)勢(shì)。

（3）通過綠色處理系統(tǒng)處理建筑廢棄泥漿具有明顯優(yōu)勢(shì)，分離得到的沙石骨料回收到工程中再次利用，能夠節(jié)約資源、有效降低工程成本，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。