基于正交設計試驗的地鐵施工廢棄泥漿分離影響因素研究*

呂林海，謝開仲，王炳華，覃文杰，盧淩寰

(1.廣西大學土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004； 2.南寧軌道交通集團有限責任公司，廣西 南寧 530029； 3.廣西建筑科學研究設計院，廣西 南寧 530011)

0 引言

地鐵車站施工和區間掘進過程中會產生大量泥土，同時伴隨大量廢棄泥漿產生。廢棄泥漿常用的處理方法有傳統沉淀法、土地耕作處理法、化學絮凝沉淀法[1-2]。傳統沉淀法采用沉淀池對泥漿進行處理，處理場地大，時間長，由于泥漿膠體具有一定穩定性，依靠傳統沉淀實現固液分離十分困難[1]；土地耕作處理法[2]處理場地不易選取，運輸成本較高，且易造成二次污染；化學絮凝沉淀法[3-4]通過向泥漿加入絮凝劑，破壞泥漿體系的化學穩定性，使水與固相顆粒快速分離，該方法處理工藝簡單、周期短，特別適合處理建筑廢棄泥漿。較多學者研究分析了化學絮凝法處理施工廢棄泥漿分離效果，結果表明，眾多絮凝劑中陰離子型聚丙烯酰胺處理效果最好[5-6]；梁止水等[7]通過泥漿快速分離試驗，得出泥漿濃度、攪拌時間和攪拌速度對泥漿分離效果影響較大；常鴿等[8]研究了絮凝劑濃度、泥漿pH值、攪拌時間和攪拌速度對絮凝效果的影響；師雯潔等[9]通過泥漿分離試驗分析了絮凝劑類型、投加量和攪拌對絮凝效果的影響；劉勇健[10]運用泥漿固液正交分離試驗得出影響絮凝效果的主次因素為混凝劑種類、泥漿濃度、攪拌時間；冷凡等[11]探討了絮凝劑種類、摻量和不同助劑對泥漿快速化學脫穩的影響；武亞軍等[12]重點研究了pH值對廢棄泥漿絮凝與固結特性的影響；張欽喜等[13]研究了陰離子聚丙烯酰胺濃度、生石灰濃度及攪拌方式對泥漿分離效果的影響。目前研究主要集中在各因素對泥漿分離效果的影響，而涉及各因素對泥漿分離效果影響的主次關系研究不多。為研究各因素對泥漿分離效果影響的主次關系，選取陰離子聚丙烯酰胺為絮凝劑，基于正交設計試驗，研究絮凝劑濃度、絮凝劑分子量、泥漿pH值、攪拌速度及攪拌時間對泥漿分離效果的影響程度，得出影響因素的主次關系及最佳分離條件，以指導工程施工。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

廢棄泥漿來源于廣西南寧市2號線東延工程東風路車站，根據2號線東延工程地質勘察報告，其地層主要為粉質黏土、砂土；絮凝劑為陰離子型聚丙烯酰胺，分子量為1 200萬～2 200萬系列樣品，呈白色粉末狀。

1.1.1泥漿理化特性

本試驗泥漿來自廣西南寧市2號線東風路車站施工現場泥漿沉淀池，呈淡黃色，密度為1.08g/cm3，膠體率為95.8%，泥漿固含率為21.55%，泥漿pH值為8～9，含水率和分散性較高。

1.1.2泥漿粒徑分布

采用濕法進樣，通過馬爾文 2000激光衍射法粒度分析儀對泥漿進行粒徑分析，粒徑分布特征如圖1所示。

圖1 粒徑分布

由圖1可知，泥漿中大部分顆粒為微米級別，最小粒徑為1μm，最大粒徑為522μm，粒徑主要分布為1～107μm占比80.13%，107～197μm占比11.67%，222～522μm占比5.56%，形成分散性較好的微米級別泥漿分散懸浮體系。根據GB/T 50145—2007《土的工程分類標準》，可得出該泥漿顆粒以粉黏粒為主，主要原因是泥漿樣品取自沉淀池，大顆粒已自然沉淀，因此上述泥漿中無較大顆粒存在。

1.2 試驗儀器設備

試驗儀器設備為馬爾文2000激光衍射法粒度分析儀、TA6-4六聯程控攪拌器、PHS-3C型精密數顯酸度儀及燒杯等。

1.3 正交試驗設計

正交試驗設計是一種高效、快速且經濟的多因素試驗設計方法。本試驗指標選取固相沉降率(上層清液體積與原泥漿體積之比)評定泥漿分離效果，試驗包含5個因素，分別為絮凝劑濃度、分子量、泥漿pH值、攪拌速度及攪拌時間，每個因素選取4個水平。因此，選取正交表L16(45)進行泥漿分離試驗[14]，各因素水平如表1所示。

表1 因素水平

從泥漿沉淀池中取100mL泥漿樣品，該泥漿以黏土為主，放入300mL燒杯中，按表1開展試驗，靜止沉降30min，觀察絮體大小、上層清液體積。由試驗可得，試驗編號為8，9，10的泥漿分離效果最好(見圖2)，上層清液體積較大，且清澈，具體試驗結果如表2所示。試驗編號17為對比試驗，該編號未對泥漿做任何處理，靜止沉降30min，固相沉降率為0，說明該泥漿無法通過靜置分離法處理，這也和李沖等[5]、梁止水等[7]和師雯潔等[9]的試驗結果一致。

圖2 分離效果

2 試驗結果分析

2.1 試驗因素優水平及極差分析

根據表2所示正交試驗結果，分別計算各因素對應不同水平的試驗指標平均值及相應極差，如表3所示。

表2 正交試驗結果

表3 試驗結果分析

在考察絮凝劑濃度對泥漿分離效果影響的4組試驗中，絮凝劑分子量、泥漿pH值、攪拌速度、攪拌時間各水平均出現1次，假設不考慮上述因素的交互作用，可認為絮凝劑分子量、泥漿pH值、攪拌速度、攪拌時間4個因素各水平的不同組合對試驗指標無影響，因此，對于絮凝劑濃度的4個水平來說，4組試驗條件完全一樣。假設絮凝劑濃度對試驗指標無影響，那么絮凝劑濃度4個均值應相等，但由表3可知，絮凝劑濃度的4個均值并不相等，這是由絮凝劑濃度不同水平變化造成，因此，均值大小反映絮凝劑濃度不同水平對試驗指標(固相沉降率)影響的大小，由于試驗指標越大越好，因此，可判斷0.1g/L為絮凝劑濃度的優水平。同理，可判斷絮凝劑分子量、泥漿pH值、攪拌速度、攪拌時間的優水平分別為1 800萬，7，70r/min，180s。

根據極差大小，可得出各試驗因素對試驗指標影響的主次順序，即絮凝劑濃度影響最大，其次是泥漿pH值及攪拌時間，影響最小的為絮凝劑分子量和攪拌速度。

2.2 驗證試驗

對各因素的優水平進行驗證，重復3次試驗，固相沉降率平均值為60.8%。因此，最佳泥漿分離條件為絮凝劑濃度為0.1g/L、分子量為1 800萬、pH值為7、攪拌速度為70r/min、攪拌時間為180s。

2.3 絮凝劑對泥漿分離效果的影響

對試驗結果進行處理，絮凝劑對固相沉降率的影響如圖3所示。

圖3 絮凝劑對固相沉降率的影響

由圖3a可知，固相沉降率隨絮凝劑濃度的增加先增大后減小，絮凝劑濃度為0.1g/L時達到最大值，即存在最佳濃度，主要原因為絮凝劑濃度<0.1g/L，絮凝劑較少無法完全吸附全部固體顆粒，團聚效果不明顯，形成的絮團較松散，而達到適宜濃度前，這種松散絮團的數量會隨絮凝劑濃度的增大而增加；絮凝劑濃度為0.1g/L時效果最好，有60.8mL清液產生。當絮凝劑濃度從0.1g/L增加到0.13g/L時，固相沉降率從60.8%降低至58.1%，這是因為絮凝劑濃度過大時，顆粒表面被高分子覆蓋，高分子不能通過“搭橋”方式對顆粒產生絮凝作用，反而起到保護作用，使形成的絮凝體重新變成穩定的膠體，影響絮凝效果。一般情況下，泥漿分離效果隨絮凝劑濃度的增加而變好，但絮凝劑的濃度達到峰值后，再增加絮凝劑濃度，泥漿分離效果反而下降，所以絮凝劑最佳濃度不是理論推導出來的，而是從試驗中測定出來的。

由圖3b可知，固相沉降率隨著絮凝劑分子量的增加先增大后減小，絮凝劑分子量為1 800萬時達到最大值，即存在最佳分子量。這是因為當分子量<1 800 萬時，絮凝劑分子量較小，對膠體顆粒的捕集和橋連不利，不易形成絮體，當分子量不斷增大時，絮凝劑分子量越大分子鏈越長，對膠體的吸附及橋架作用越明顯，當分子量為1 800萬時，絮凝效果最好，有59.5mL清液產生；當分子量從1 800萬增加到2 200萬時，絮凝效果反而變差，這是因為分子量越大，分子鏈就越長，絮凝劑溶液的黏度就會越大，在溶液中的阻力則越大，同樣影響絮凝效果。

2.4 攪拌對泥漿分離效果的影響

攪拌對泥漿分離效果的影響如圖4所示。

圖4 攪拌對泥漿分離效果的影響

由圖4a可知，固相沉降率隨著攪拌速度的增加先增大后減小，攪拌速度為70r/min時達到最大值，即存在最佳攪拌速度。這是因為攪拌速度較小時，絮凝劑和固體顆粒不能充分接觸，不利于絮凝劑捕集膠體顆粒，且絮凝劑濃度分布也不均勻，更不利于絮凝劑發揮作用。攪拌速度為70r/min時，固相沉降率最大，產生59.0mL清液，是因為合適的攪拌速度會引起液體中速度梯度的形成，從而引起微粒間的相對運動，造成微粒的相互碰撞，絮凝劑與微粒可盡快形成橋架作用，加快絮凝過程。當攪拌速度從70r/min增加到80r/min時，固相沉降率反而從59.0%降低至58.7%，這是因為攪拌速度過快會破壞絮凝劑與微粒的橋架作用，對已形成的絮體造成破壞。

由圖4b可知，固相沉降率隨攪拌時間呈波動狀變化，固相沉降率先變大再變小，最后又有所回升，但未回升到最大固相沉降率。攪拌時間為180s時，固相沉降率達到最大值，即存在最佳攪拌時間，這是因為初始階段，攪拌時間較短，絮凝劑濃度分布不均勻，絮凝劑與泥漿顆粒接觸不充分，影響絮凝效果；當攪拌時間增加到180s時，絮凝劑與泥漿顆粒已充分接觸，絮凝效果最好，有60.0mL清液產生；當攪拌時間為210s時，固相沉降率反而降低至57.5%，這是因為攪拌時間過長，對已形成的絮體又造成破壞；當攪拌時間達到240s時，固相沉降率又從57.5%增加至58.4%，但<60.0%，說明部分被破壞的絮體又重新形成新的絮體，但并不是所有被破壞的絮體都能形成新的絮體。

2.5 pH值對絮凝效果的影響

pH值對絮凝效果的影響如圖5所示。

圖5 pH值對絮凝效果的影響

由圖5可知，固相沉降率隨著pH值的增加先增大后減小，pH值為7時，固相沉降率達到最大值，即存在最佳pH值；pH值為5時，固相沉降率最小，這是因為H+較多，與絮凝劑長鏈上的羧酸根離子(—COO—)發生反應生成羧酸基(—COOH)，造成絮凝劑長鏈上剩余的羧酸根離子(—COO—)間的靜電排斥力減弱，絮凝劑長鏈的舒展度降低，解離程度降低，吸附橋架能力降低，絮凝作用較弱；pH值為7時，H+濃度降低，加大絮凝劑解離程度，增強橋架能力，絮凝效果最好，有59.5mL清液產生；pH值為8時，絮凝劑長鏈由于舒展度太大而變得僵直，甚至會生成交聯的凝膠，反而使其吸附橋架能力降低，絮凝作用減弱[15]。雖然pH值為8時的固相沉降率比pH值為7時的固相沉降率小，但固相沉降率只相差1.3%，在某種程度下可忽略不計。該車站泥漿pH值為7～8，因此，在實際泥漿處理時，不必對泥漿pH值進行調整，直接處理即可。

3 結語

為定量研究各因素對地鐵施工廢棄泥漿分離效果的影響，進行泥漿分離影響因素試驗研究。采用陰離子聚丙烯酰胺為絮凝劑，通過正交設計試驗法研究絮凝劑濃度、分子量、泥漿pH值、攪拌速度及時間對泥漿分離效果的影響，得出以下結論。

1)對于粉質黏土類泥漿，各因素對泥漿分離效果影響的主次順序為絮凝劑濃度>泥漿pH值>攪拌時間>絮凝劑分子量>攪拌速度，在實際工程中進行泥漿處理時，應抓住影響泥漿分離效果的主要影響因素，以獲得泥漿最佳分離效果；根據因素的主次關系可得，絮凝劑濃度對泥漿分離效果影響最大，由于絮凝劑價格較高，在實際工程中，應通過試驗確定絮凝劑最佳濃度，既滿足泥漿處理效果，又要達到經濟可行的目的。

2)固相沉降率隨絮凝劑濃度、泥漿pH值、絮凝劑分子量、攪拌速度的增加而先增大再減小；隨攪拌時間的增加先增大再減小，最后有所回升，但無法回升到最大固相沉降率，曲線呈波動狀。

3)根據固相沉降率和各因素的曲線關系，得出最佳泥漿分離條件為絮凝劑濃度為0.1g/L、分子量為1 800萬、pH值為7、攪拌速度為70r/min、攪拌時間為180s，為現場泥漿處理提供了數據支撐。

4)根據驗證試驗，固相沉降率平均值為60.8%，即100mL的泥漿中能分離出60.8mL的水，分離效果明顯，對粉質黏土類泥漿分離處理具有一定的借鑒意義。