PAM類有機(jī)絮凝劑對(duì)高黏粒含量廢棄泥漿脫水性能影響研究

李春林，吳言坤，呂煥杰，王登峰，杜昌言，閔凡路3, , *

(1.濟(jì)南城市建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250000; 2.清華大學(xué)土木水利學(xué)院，北京 100084; 3.中鐵十四局集團(tuán)有限公司, 山東 濟(jì)南 250014; 4.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098; 5.中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇 南京 211899)

0 引言

泥水盾構(gòu)工法由于其安全高效的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于我國(guó)鐵路、公路、市政地鐵及水利等領(lǐng)域的穿江越海隧道建設(shè)[1-2]。盾構(gòu)刀盤掘削下的地層土與泥漿混合后經(jīng)出漿管輸送至地面泥漿處理系統(tǒng)，在盾構(gòu)穿越粉質(zhì)黏土地層時(shí)，泥漿中黏粉粒含量顯著增加[3]。由于黏粉粒顆粒細(xì)小，很難通過篩分設(shè)備將其分離出來，導(dǎo)致經(jīng)處理后的泥漿的密度和黏度增大，以至于無法滿足黏土類地層中掘進(jìn)泥漿指標(biāo)要求，需要廢棄部分泥漿，同時(shí)向沉淀池中加水來降低泥漿密度和黏度。隨著盾構(gòu)的快速掘進(jìn)，將產(chǎn)生大量的廢棄泥漿，若不及時(shí)處理將制約盾構(gòu)掘進(jìn)施工。因此，廢棄泥漿前期的快速脫水減量十分重要。

泥水盾構(gòu)穿越粉質(zhì)黏土地層時(shí)產(chǎn)生的廢棄泥漿黏粉粒含量高、密度大，細(xì)顆粒極難快速沉淀。有學(xué)者研究表明，當(dāng)泥漿中黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于30%時(shí)其2 h析水率不足10%[4]，因此廢棄泥漿產(chǎn)量較大的工程中高黏粒含量泥漿的處理已經(jīng)成為泥水盾構(gòu)面臨的一大難題。泥水盾構(gòu)工程中處理廢棄泥漿的方法通常以化學(xué)絮凝配合機(jī)械脫水為主，將絮凝劑與泥漿混合進(jìn)行泥水分離脫去一部分水分，然后對(duì)分離后的濃縮泥漿再次進(jìn)行機(jī)械脫水[5-6]。適宜的絮凝劑在化學(xué)絮凝加機(jī)械脫水的泥漿處理方法中至關(guān)重要[7-9]。

為提高盾構(gòu)泥漿泥水分離速率，常鴿等[10]、李旭[11]針對(duì)盾構(gòu)工程泥漿進(jìn)行了絮凝沉降試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同含水率和密度的泥漿對(duì)應(yīng)不同的絮凝劑種類及最優(yōu)添加量，脫水效果有所差異；王海良等[12]通過研究分析含水率為99%、98%、97%的渣土廢棄泥漿的上清液濁度、絮體含水率以及絮體尺寸大小，確定了復(fù)摻PAC和APAM、PAC和CPAM的最佳摻量；張呂林等[13]將室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)的絮凝試驗(yàn)相結(jié)合，得到有機(jī)和無機(jī)2種絮凝劑在處理黏粉土地層施工產(chǎn)生的廢棄泥漿時(shí)的最優(yōu)添加量。以上研究發(fā)現(xiàn)，絮凝劑種類、絮凝劑添加量、絮凝劑分子量、泥漿含水率和泥漿密度等均是影響泥漿絮凝脫水效果的因素，其中，PAM類有機(jī)絮凝劑能夠顯著提高泥漿的脫水效果。然而，對(duì)于PAM類有機(jī)絮凝劑作用于高黏粒含量泥漿時(shí)的絮凝沉降規(guī)律還缺少進(jìn)一步的分析，且未對(duì)絮凝沉降后泥漿的脫水性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

本文采用不同添加量的3種PAM類有機(jī)絮凝劑與泥漿充分混合后開展絮凝沉降試驗(yàn)，測(cè)試其沉降速率，通過顆粒粒徑、上清液濁度和Zeta電位等分析泥漿絮凝沉降效果差異，并通過比阻試驗(yàn)得到的泥漿抽濾量及比阻值的變化規(guī)律，分析3種PAM類有機(jī)絮凝劑不同添加量的泥漿脫水性能。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

廢棄泥漿取自濟(jì)南市濟(jì)濼路穿黃隧道工程，為盾構(gòu)掘進(jìn)中排出的含渣泥漿經(jīng)過泥水分離設(shè)備處理后的泥漿。取回的泥漿在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了含水率、密度、蘇式漏斗黏度等基本物理性質(zhì)指標(biāo)的測(cè)定。試驗(yàn)得到的泥漿基本性質(zhì)見表1。圖1為采用Malvern Mastersizer 2000型激光粒度儀測(cè)試得到的泥漿顆粒級(jí)配曲線。

表1 泥漿基本性質(zhì)

圖1 泥漿顆粒級(jí)配曲線

土力學(xué)中定義粒徑小于5 μm的顆粒為黏粒。由圖1可知，泥漿中粒徑小于40 μm的土顆粒約有90%，黏粒約有37%，顆粒微小極難快速沉降。通過前期預(yù)試驗(yàn)分析得到，PAM類有機(jī)絮凝劑效果較好。因此，本文采用PAM類有機(jī)絮凝劑中的陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺CPAM、陰離子型聚丙烯酰胺APAM和非離子型聚丙烯酰胺NPAM進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 絮凝沉降試驗(yàn)

取一定量的泥漿分別置于多個(gè)1 000 mL燒杯中，按試驗(yàn)設(shè)計(jì)將不同添加量的3種有機(jī)絮凝劑溶液分別加入不同燒杯中，具體添加量見表2。試驗(yàn)中PAM類有機(jī)絮凝劑溶液為當(dāng)天配置使用，溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%。將絮凝劑溶液和泥漿混合后快速(120 r/min)攪拌1 min后倒入量筒至1 000 mL刻度線處，測(cè)試泥漿絮凝沉降后含水率、顆粒分布、上清液濁度、Zeta電位等變化。

表2 試驗(yàn)絮凝劑添加量

其中，為更直觀得到泥漿絮凝沉降后的脫水效果，通過泥水分界面讀數(shù)、泥漿密度、泥漿初始含水率、絮凝劑溶液添加量等換算出沉降后泥漿的等效含水率。等效含水率是為了消除絮凝劑溶液加入后引起混合體系中水分的變化而建立的含水率指標(biāo)，其計(jì)算方法如下。

燒杯中泥漿的干物質(zhì)質(zhì)量

(1)

式中：v0為試驗(yàn)中泥漿試樣體積，cm3；ρ為泥漿密度，g/cm3；ω0為泥漿初始含水率，%。

燒杯中添加絮凝劑溶液質(zhì)量

m2=v0ρn1/C。

(2)

式中：n1為絮凝劑添加量，%；C為絮凝劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

根據(jù)泥水分界面讀數(shù)，并忽略上清液中殘留的少部分泥漿顆粒，可以計(jì)算出泥漿等效含水率

(3)

式中：ρ1為水的密度，一般取1 g/cm3；h為量筒泥水分界面讀數(shù)，mL。

1.2.2 比阻試驗(yàn)

比阻SRF表示在某恒定壓力下單位質(zhì)量的泥在單位過濾面積上過濾時(shí)的阻力，可以反映脫水性能的好壞。試驗(yàn)過程參考污泥固廢處理與處置領(lǐng)域污泥比阻[14]的測(cè)試方法進(jìn)行。1)將潤(rùn)濕后的快速濾紙覆蓋并貼緊于布氏漏斗底部，濾紙面積要略大于漏斗底部面積；2)打開真空泵，調(diào)節(jié)真空壓力至47.2 kPa左右，待濾紙緊貼漏斗底部后關(guān)閉真空泵；3)在布氏漏斗的快速濾紙內(nèi)放置100 mL調(diào)理后的泥漿，打開真空泵，試驗(yàn)壓力為70.9 kPa，然后開始計(jì)時(shí)，過濾時(shí)隨時(shí)記錄計(jì)量筒內(nèi)的濾液體積V，恒壓過濾至濾餅破裂時(shí)即可停止試驗(yàn)。

試驗(yàn)前后的固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)

(4)

式中：C0為泥漿的固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；C1為試驗(yàn)結(jié)束后濾餅固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

比阻值

(5)

式中：V為濾液體積，mL；t為過濾時(shí)間，s；A為過濾面積，m2；p為過濾壓強(qiáng)，Pa；μ為濾液動(dòng)力黏滯系數(shù)，MPa·s；r為比阻值，m·kg-1；Rf為過濾介質(zhì)的阻抗，m-3。

2 泥漿絮凝沉降試驗(yàn)結(jié)果與分析

添加CPAM、APAM、NPAM溶液后泥漿絮凝沉降5 h時(shí)的試驗(yàn)照片分別如圖2、圖3和圖4所示。將試驗(yàn)中觀測(cè)到的泥水分界面讀數(shù)換算成等效含水率，得到等效含水率隨時(shí)間變化的結(jié)果，如圖5—7所示。

圖2 添加CPAM后泥漿5 h沉降結(jié)果

圖3 添加APAM后泥漿5 h沉降結(jié)果

圖4 添加NPAM后泥漿5 h沉降結(jié)果

圖5 添加CPAM后泥漿含水率變化曲線

由添加3種絮凝劑后的泥漿含水率變化曲線可知，原泥漿自然沉降的速率極為緩慢，當(dāng)向泥漿中加入CPAM、APAM、NPAM時(shí)，泥漿沉降速率明顯提升，泥漿絮凝沉降速率隨3種絮凝劑添加量的不同發(fā)生變化。當(dāng)CPAM添加量大于0.06%、APAM添加量大于0.03%時(shí)，泥漿前2 h內(nèi)絮凝沉降速率較快，隨后沉降速率減慢。由于絮凝劑以溶液形式添加，使得有多余水分進(jìn)入泥漿造成等效含水率大于初始含水率。絮凝沉降過程中的泥漿等效含水率隨絮凝劑添加量的增加逐漸減小，2 h后C09、C12、C15、A06、A09、A12組泥漿已降低到初始含水率以下，說明CPAM、APAM可以有效降低泥漿的含水率。而添加NPAM后泥漿絮凝沉降速率較慢，等效含水率隨時(shí)間變化很小，5組絮凝泥漿含水率始終無法降低至初始含水率以下，說明NPAM無法通過絮凝沉降的方式使泥漿脫去一部分水分，脫水效果較差。

圖6 添加APAM后泥漿含水率變化曲線

圖7 添加NPAM后泥漿含水率變化曲線

為更好地比較添加絮凝劑后泥漿前期的快速脫水效果，通過式(6)計(jì)算出泥漿沉降趨于減緩時(shí)即2 h脫水率進(jìn)行評(píng)估。

(6)

將由式(6)計(jì)算出的3種絮凝劑不同用量下泥漿2 h脫水率進(jìn)行比較，如圖8所示。可以看出，不同絮凝劑及其添加量下的2 h脫水率有很大差別，整體上APAM與CPAM添加后的泥漿脫水效果較好。其中，當(dāng)APAM添加量在0.06%～0.09%、CPAM添加量在0.12%～0.15%時(shí)，均能使泥漿在2 h內(nèi)快速脫去約10%的水分。而當(dāng)NPAM添加量?jī)H為0.12%時(shí)能脫去極少部分水分，其余各添加量下脫水率均出現(xiàn)負(fù)值，說明NPAM以溶液形式添加時(shí)，與泥漿混合后會(huì)增加混合體系中的水分，而少量和過量的NPAM與泥漿顆粒混合形成的絮團(tuán)由于其包裹著水分，難以透水，無法在2 h內(nèi)快速沉降，導(dǎo)致出現(xiàn)水分反而增加的情況。

圖8 泥漿2 h脫水率對(duì)比

3 絮凝沉降后的泥漿性質(zhì)變化分析

為探究泥漿在絮凝沉降前后的性質(zhì)變化，對(duì)添加CPAM、APAM的泥漿進(jìn)行顆粒粒徑、上清液濁度及Zeta電位的測(cè)試和變化分析。

3.1 泥漿顆粒粒徑分布變化規(guī)律

為研究絮凝泥漿的顆粒粒徑分布變化規(guī)律，采用激光粒度儀對(duì)添加CPAM、APAM后的絮凝泥漿顆粒粒徑進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果分別如圖9和圖10所示。

圖9 CPAM添加后泥漿顆粒級(jí)配曲線

圖10 APAM添加后泥漿顆粒級(jí)配曲線

可以看出，添加絮凝劑CPAM、APAM后泥漿顆粒級(jí)配曲線與原泥漿的顆粒級(jí)配曲線有明顯差異，曲線整體向左偏移，表明泥漿中顆粒粒徑因?yàn)樾跄齽┑奶砑佑忻黠@變大的趨勢(shì)。這說明絮凝劑在泥漿中可以將分散的黏土顆粒逐漸連接成整體，進(jìn)而形成尺寸較大的絮團(tuán)，使泥漿顆粒快速沉淀，這是泥漿發(fā)生絮凝沉降、出現(xiàn)泥水分離現(xiàn)象的根本原因。但絮團(tuán)的尺寸會(huì)因絮凝劑添加量的不同發(fā)生變化，這也導(dǎo)致了泥漿的絮凝沉降速率存在差異。

3.2 泥漿上清液濁度變化規(guī)律

泥漿上清液濁度的測(cè)試結(jié)果如圖11所示。

(a)CPAM

當(dāng)絮凝劑添加量較少時(shí)，泥漿未發(fā)生明顯的泥水分離現(xiàn)象且上清液濁度過高地超過儀器量程，未得到測(cè)試結(jié)果。可以看出，當(dāng)CPAM、APAM加入后，除了未出現(xiàn)明顯泥水分離現(xiàn)象的泥漿，其余各組上清液濁度均隨時(shí)間呈減小趨勢(shì)，并隨著添加量的增加逐漸增大。當(dāng)絮凝劑添加量適宜時(shí)，泥漿上清液濁度最低僅約20 NTU，上清液中極少有懸浮的黏土顆粒或小絮團(tuán)，這是由于聚丙烯酰胺可以完全舒展開其分子長(zhǎng)鏈并通過架橋吸附方式團(tuán)聚起多個(gè)黏土顆粒，形成較大粒徑的絮團(tuán)后可以快速沉降。當(dāng)絮凝劑過量添加時(shí)，泥漿上清液濁度最高可超過100 NTU，這是由于聚丙烯酰胺分子鏈未能完全打開，絮凝劑分子鏈可以吸附部分黏土顆粒形成絮團(tuán)，并且多余的PAM使溶液黏滯系數(shù)上升，使一部分小絮團(tuán)懸浮在上清液中，因此上清液的濁度有所增加。

3.3 泥漿Zeta電位變化規(guī)律

Zeta電位可以衡量顆粒間相互排斥或吸引的能力，有學(xué)者認(rèn)為Zeta電位可以作為泥漿絮凝脫水能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)[15]。此外，絮凝劑的吸附架橋作用[16]也會(huì)促進(jìn)泥漿絮凝沉降。為了探究PAM類絮凝劑促進(jìn)泥漿絮凝的作用機(jī)制，測(cè)試并分析了PAM類高分子絮凝劑對(duì)泥漿Zeta電位的影響規(guī)律。圖12示出Zeta電位隨CPAM、APAM的添加量變化曲線。

圖12 泥漿Zeta電位變化曲線

可以看出，絮凝劑的添加改變了泥漿的Zeta電位。添加APAM溶液后，泥漿的Zeta電位值先減小后增大，說明剛開始添加APAM時(shí)可以破壞泥漿的分散體系，APAM水解產(chǎn)生的高分子鏈連接黏土顆粒形成團(tuán)粒；隨著添加量的增加，引進(jìn)的負(fù)電荷增多，使Zeta電位值有所增加，但最終APAM對(duì)Zeta電位值的影響最小，說明APAM主要是通過其架橋吸附作用，使黏土顆粒發(fā)生絮凝沉降。添加CPAM溶液后，Zeta電位逐漸減小，說明CPAM水解產(chǎn)生的分子鏈上的大量極性基團(tuán)具有中和黏土顆粒表面負(fù)電荷的作用，能有效地降低水化層厚度，壓縮黏土顆粒表面雙電層厚度，減小顆粒間的斥力，從而降低了Zeta電位，并且其分子鏈仍具有架橋吸附的作用，最終使黏土顆粒發(fā)生絮凝沉降。

4 基于泥漿絮凝沉降的泥漿脫水性能評(píng)價(jià)

當(dāng)泥水盾構(gòu)穿越黏土層時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄泥漿。經(jīng)旋流器組分選后，廢棄泥漿中黏粒含量變高，在后續(xù)的壓濾脫水過程中效率低下，從而影響盾構(gòu)掘進(jìn)效率。對(duì)于泥漿處理的要求是一方面能夠在短時(shí)間內(nèi)具有較好的脫水效果和沉淀效果，另一方面在后續(xù)壓濾過程中形成的絮團(tuán)疏松透水、具有良好的過濾性能。因此，對(duì)泥水分離效果較好的CPAM和APAM添加后的泥漿進(jìn)行比阻試驗(yàn)，評(píng)估其脫水效果。其中，比阻SRF值表示在某恒定壓力下單位質(zhì)量的泥在單位過濾面積上過濾時(shí)的阻力，可以反映脫水性能的好壞。

4.1 有機(jī)絮凝劑調(diào)理下抽濾量變化規(guī)律

添加CPAM后濾液體積隨時(shí)間變化曲線如圖13所示。

圖13 添加CPAM后濾液體積隨時(shí)間變化曲線

由圖13可知，各組泥漿的濾液體積均隨抽濾時(shí)間增加而增大，前期濾液體積增長(zhǎng)速率較快，后期均趨向于緩慢增長(zhǎng)。相比于SL0，C09、C12、C15組前期排水速率明顯提高，前期濾液體積隨抽濾時(shí)間的增加快速增大，約14 min后排水速率逐漸穩(wěn)定。C03、C06組泥漿前期排水速率略小于原泥漿的排水速率，這是由于CPAM的添加量還未達(dá)到適宜的范圍，泥漿中的大絮團(tuán)較少，水分從細(xì)小顆粒間的孔隙中緩慢流出。

添加APAM后濾液體積隨時(shí)間變化曲線如圖14所示。

由圖14可知，各組泥漿的濾液體積均隨抽濾時(shí)間的增加而增大，而增加速率不同。相比于SL0，A06、A09組泥漿前期排水速率有明顯提高，前期濾液體積隨抽濾時(shí)間的增加快速增大，約13 min后濾液體積增長(zhǎng)緩慢，趨于穩(wěn)定，最終濾液體積與原泥漿較為接近。A03組泥漿的脫水速率有小幅度減緩，這可能是由于少量PAM導(dǎo)致泥漿產(chǎn)生的絮團(tuán)較小，不能改善泥漿脫水效果。A12、A15組泥漿前期脫水速率有明顯減緩，說明此時(shí)APAM添加量過量，濾液黏度稍有增加，泥漿脫水效果不會(huì)進(jìn)一步改善。

圖14 添加APAM后濾液體積隨時(shí)間變化曲線

4.2 有機(jī)絮凝劑調(diào)理下比阻變化規(guī)律

圖15示出泥漿比阻值隨PAM類有機(jī)絮凝劑添加量的變化曲線。可以看出，泥漿比阻的整體趨勢(shì)為隨絮凝劑添加量的增加先減小后增大，這與泥漿絮凝沉降試驗(yàn)中表現(xiàn)出的泥水分離性能一致。當(dāng)APAM添加量在0.06%～0.09%、CPAM添加量在0.09%～0.15%時(shí)，比阻值大幅降低，相較于原泥漿約下降了1個(gè)數(shù)量級(jí)，表明此時(shí)絮凝劑的添加使泥漿形成了疏松透水的絮團(tuán)，脫水性能最優(yōu)。脫水性能提高的主要原因是PAM通過其長(zhǎng)分子鏈，吸附黏土顆粒后架橋形成一種多孔的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)，能夠使泥漿中的自由水由排水通道快速脫出。但PAM類有機(jī)絮凝劑添加量的繼續(xù)增加不能進(jìn)一步降低比阻，反而會(huì)使泥漿脫水變得困難，這是由于過量的絮凝劑會(huì)使其分子鏈相互擠壓，無法自由伸展，使其吸附架橋作用減弱，并且溶液黏滯系數(shù)增大，也使得水分在較小的壓力下濾出速度較為緩慢。

圖15 泥漿比阻變化曲線

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

濟(jì)濼路穿黃隧道工程盾構(gòu)穿越地層為全斷面粉質(zhì)黏土地層，盾構(gòu)掘進(jìn)施工會(huì)產(chǎn)生大量廢棄泥漿。施工現(xiàn)場(chǎng)使用XYY1000-3500型臥式離心機(jī)(見圖16)對(duì)添加APAM(添加量為0.08%)后的廢棄泥漿進(jìn)行脫水減量處理，現(xiàn)場(chǎng)處理后渣土如圖17所示。添加絮凝劑前后離心機(jī)脫水效率及渣土含水率如表3所示，可以看出絮凝劑可大幅度提高離心機(jī)脫水效率，并顯著降低渣土含水率，提高廢棄泥漿處理速率。

圖16 施工現(xiàn)場(chǎng)臥式離心機(jī)

圖17 處理后渣土

表3 離心機(jī)脫水效率及渣土含水率

6 結(jié)論與討論

本文針對(duì)泥水盾構(gòu)穿越黏粉土地層產(chǎn)生的大量高含水率廢棄泥漿脫水難的問題，開展了廢棄泥漿絮凝沉降及比阻試驗(yàn)，明確了PAM類絮凝劑對(duì)廢棄泥漿脫水性能的影響規(guī)律，具體得到以下結(jié)論：

1)PAM類有機(jī)絮凝劑的添加大幅加快了泥漿沉降速率。當(dāng)CPAM添加量在0.12%～0.15%、APAM添加量在0.06%～0.09%時(shí)，可以在2 h之內(nèi)有效降低泥漿含水率，脫去約10%的水分；并且，此時(shí)泥漿形成的絮團(tuán)結(jié)構(gòu)疏松，泥漿前期排水速率明顯提高，比阻值降低至1013cm/g數(shù)量級(jí)，脫水性能大幅提高。

2)PAM類有機(jī)絮凝劑通過團(tuán)聚泥漿中黏土顆粒形成大尺寸的絮團(tuán)，這是實(shí)現(xiàn)泥漿快速絮凝沉降的關(guān)鍵因素，其中，APAM對(duì)泥漿Zeta電位影響較小，CPAM添加量的增加使Zeta電位逐漸減小。

3)本文試驗(yàn)結(jié)果可用于指導(dǎo)泥水盾構(gòu)在粉質(zhì)黏土層中施工產(chǎn)生的廢棄泥漿的處理，但試驗(yàn)過程中未考慮掘進(jìn)過程中由于地層變化引起的泥漿性質(zhì)變化對(duì)泥水分離效果的影響，后續(xù)還需進(jìn)一步研究。