渤海灣海洋疏浚泥的藥劑絮凝與固結特性*

李運紅，戚慶學，王彥軍，武亞軍，陳國公，許嘉樂

(1.中國冶金地質總局青島地質勘查院，山東 青島 266109；2.上海大學 土木工程系，上海 200444)

為解決沿海城市土地資源短缺的問題，圍海吹填造陸已成為中國沿海地區最主要的造地方式。吹填泥沙主要來源于海洋、河流航道疏浚與整治，疏浚出來的泥沙通過輸泥管排送到預定區域，經沉淀排水后形成大片疏浚泥場地[1]。一些地區的疏浚泥具有含水率高、顆粒粒徑細、滲透性差等特點，吹填以后要經過很長時間才能完成自重固結[2]，為了滿足工程建設需求必須進行地基處理以加快土體固結。

真空預壓法作為處理高含水率吹填軟土地基的有效方法，最早于1952 年由瑞典的杰爾曼教授提出[3]，目前已被廣泛應用到各類高含水率軟土地基處理工程中。在實際工程應用中真空預壓法面臨種種問題，特別是塑料排水板的淤堵問題，即在真空預壓處理軟土過程中緊靠塑料排水板的周圍會出現滲透性極低的“土柱”，這些“土柱”本身比周圍的超軟土具有更高的強度和密度，其形成和存在起到了類似砂井地基中的涂抹作用，阻礙了周圍軟土的排水固結，導致其強度極低[4-5]，在一定程度上阻礙了外圍土中水向塑料排水板處的流動。為解決這一問題，許多學者進行了研究與探討:沈宇鵬等[6]進行了增壓式真空預壓法軟土處理試驗，證明通過增加正向壓力與負壓進行迭加可以提高真空預壓地基處理效率；劉松玉等[7]提出氣壓劈裂真空預壓法，通過向地層中注入高壓空氣使土體產生裂隙并增加土體滲透性，減輕真空預壓過程中的淤堵現象；王軍等[8]采用防淤堵排水板對直排式真空預壓技術進行了改進，整體式排水板濾膜為無凹凸結構親水性材料，濾膜與芯材軋在一起能提高排水效率；雷華陽等[9-10]從微觀角度探討了增壓式真空預壓法的加固效果優于常規真空預壓法的機理。

雖然這些方法均在防淤堵方面取得一定的效果，但是仍然無法從根本上解決淤堵問題。武亞軍等[11]提出藥劑真空預壓法取得了很好的防淤堵效果，該方法是先通過添加化學藥劑對吹填高含水率土進行絮凝或調質，以增加土顆粒粒徑、改變土體顆粒與孔隙的接觸特征、改善土體的滲透與固結特性，再施加真空荷載，從而達到防止淤堵、增強真空預壓處理效果的目的；蒲訶夫等[12]提出一種絮凝沉積-水平真空兩段式脫水法處理高含水率疏浚淤泥，該研究顯示絮凝劑的添加可以大幅提高疏浚淤泥的脫水效率。目前藥劑真空預壓法在高含水率軟土及市政污泥處理中均取得很好的效果[13-14]。

受黃河與渤海海相兩方面因素的影響，山東省東營地區軟土兼具黃河三角洲和海洋沉積的特性，由吹填渤海海底泥沙形成的場地，部分地區含沙量很高，場地工程地質特性較好，但更多的場地疏浚泥顆粒細、含水率高，采用真空預壓法地基處理會面臨因淤堵導致的加固效果差、時間長等缺點。本文擬將藥劑真空預壓法引入東營地區吹填軟土處理中，從東營港區吹填現場取樣，測試疏浚泥樣的各項物理指標與礦物組成成分。為了模擬疏浚泥的天然沉積過程與不同藥劑絮凝過程進行沉降柱試驗，并對不同藥劑絮凝后的絮凝體進行固結試驗，系統研究了疏浚泥的基本物理性質、藥劑絮凝與固結特性，對進一步采用藥劑真空預壓法處理東營疏浚泥具有指導意義。

1 疏浚泥礦物組成與基本物理性質

1.1 疏浚泥樣及其礦物成分

試驗土樣取自山東省東營市東營港區(圖1)。為盡量減少擾動土樣，所有土樣在現場及時用臘及膠帶封存，保持其天然濕度和結構，并及時送回實驗室進行試驗。通過X 射線衍射試驗(XRD)和X 射線熒光光譜試驗(XRF)對東營地區疏浚泥的礦物成分和氧化物(含元素)進行測試分析，分析結果見圖2 及表1、2。

圖1 試驗土樣

圖2 土體中的礦物成分

表1 疏浚泥中的主要化合物及含量

由圖2 和表1 可知，東營疏浚泥氧化物以SiO2為主，約占41.6%，CaCO3含量約占24.7%，黏土礦物約占33.7%。

從表2 可知，該地區疏浚泥中主要的氧化物為SiO2、Fe2O3、CaO 和Al2O3，約占總量的90%；元素主要以O、Ca、Fe、Al 和Si 為主，約占總量的90%。同時，這些氧化物和元素與礦物成分的分析結果基本一致，二者可以相互印證。

表2 疏浚泥中的主要元素及含量

1.2 疏浚泥的基本物理性質

該地區的疏浚泥經過多年的自重沉積，內部已經形成一定的結構強度，該疏浚泥的基本物理指標見表3。根據含水率、液塑等各項指標可知該軟土為淤泥質粉質黏土。

表3 疏浚泥的基本物理指標

從表3 可知，泥的初始含水率為43.7%，液限、塑限分別為33.0%、18.8%，含水率大于液限，孔隙比大于1.0。顆粒級配曲線見圖3。從圖3可知，砂粒、粉粒、黏粒、膠粒分別占2%、69%、15%、14%；東營疏浚泥的顆粒級配大部分是粉粒(占69%)，砂粒僅占2%，黏粒與膠粒分別為15%與14%；不均勻系數(Cu)與曲率系數(Cc)分別為8.87 與1.26，滿足Cu≥5 和1≤Cc≤3 的條件，表明疏浚泥級配較好，滲透性相對較差。

圖3 土顆粒粒徑累積分布曲線

2 疏浚泥的絮凝特性

2.1 絮凝劑與絮凝模擬方案

絮凝劑一般有無機絮凝劑(生石灰、熟石灰、氯化鈣等)、有機絮凝劑(聚丙烯酰胺、聚丙烯酸鈉、聚乙烯吡啶鹽、聚乙烯亞胺等)、微生物絮凝劑和植物絮凝劑4 種類型。微生物絮凝劑與植物絮凝劑研究剛剛起步，機理不很清楚，基本沒有工程應用，因此，本文采用生石灰(CaO)和有機絮凝劑(APAM)兩種絮凝劑進行研究，其中CaO 按照泥漿質量分數進行添加，分別為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%；APAM 按照100、150、200、300 g∕m3添加。

考慮到吹填初期場地內土體的含水率極高(約500%)，為了模擬海洋土從吹填到自重固結的整個沉積過程，試驗前將取回的土樣統一加水配制成含水率為500%的泥漿，使用該泥漿進行沉降柱試驗。沉降柱為橫截面積12.56 cm2、容積500 mL的玻璃量筒，外壁的刻度線精度為5 mm。首先將計算好質量的疏浚泥樣與水倒入1 000 mL 的大量筒內，分別配制成體積約為450 mL 的試驗泥漿，再加入相應的CaO 或者APAM，采用玻璃棒攪拌使絮凝劑與泥漿充分混合均勻，配置成450 mL疏浚泥泥漿混合液。分別取400 mL 混合液倒入500 mL量筒內進行沉降柱試驗，為防止蒸發帶來的誤差，使用保鮮膜封頂，試驗過程中采用便攜式無線攝像機進行實時跟蹤記錄，得到任意時刻各個沉降柱內泥水混液面隨時間的連續變化情況(圖4)。

圖4 絮凝試驗裝置

2.2 疏浚泥的絮凝特性

通過沉降柱試驗探究不同添加量的CaO 與APAM 對絮凝速度和絮凝后泥漿含水率的影響，通過綜合評價確定適合工程實際的藥劑類型與添加量。

沉降柱試驗的沉降過程見圖5。從圖5 可以看出:1)加入不同量的APAM 后絮凝沉降速度大大加快，比原狀泥漿的絮凝速度均有較大程度的提升；2)加入不同量的APAM 絮凝沉降速度不同，速度隨著添加量的增加而加快，添加量為300 g∕m3時速度最快，基本在5 min 內能完成沉降，之后趨于穩定；3)不同添加量絮凝劑得到的最終混液面高度相當，基本接近最優添加量。

圖5 不同絮凝劑的沉降柱試驗

在加入不同摻量CaO 的泥漿中，可以看到加入藥劑后絮凝速度明顯低于原狀泥漿的絮凝速度，且隨著添加量的增加泥漿絮凝速度先減小后增加，最終的混液面高度也出現了較大差別，隨著CaO添加量的增加混液面高度逐漸增加，但添加量較大時高度保持一致。

圖6 為不加絮凝劑、添加CaO 與APAM 時，沉降柱試驗進行到25 h 排出上清液后下部絮凝體的含水率分布。從圖6 可以看出:不加絮凝劑時，前期絮凝速度最慢，但3～5 h 沉降速率增加很快，25 h 絮凝體的含水率最低，為145.9%；添加APAM 后，泥漿的絮凝速度非常快，絮凝體的含水率隨添加量的增加顯示出先減小后增加的規律:在添加量為150 g∕m3時含水率最低，為145.6%；添加量為300 g∕m3時含水率最高，為177.8%，可以認為150 g∕m3為最優添加量。添加CaO 后的含水率均比不加絮凝劑時的高，同時，添加量越高含水率越高，結合絮凝沉降曲線，說明加入CaO會縮短了絮凝沉降過程，但是絮凝過程中絮體顆粒會包裹部分水同時沉降。另外，CaO 與水反應生成Ca(OH)2，Ca(OH)2與土顆粒發生離子交換和火山灰反應，所形成的結晶水化物具有一定的結構強度，起到了固化作用，不利于絮凝體體積的減小。以上APAM 與CaO 絮凝劑的含水率變化規律與沉降變化規律是一致的，即絮凝體體積小、含水率低。

圖6 絮凝后泥漿含水率

3 疏浚泥的固結特性

為探究APAM 與CaO 絮凝作用對疏浚泥固結特性的影響，進行室內固結試驗，以確定疏浚泥的固結系數，再利用飽和土一維固結微分方程反推其滲透系數。

從絮凝試驗可知，過高含水率(500%)的泥漿不加絮凝劑時已能很快固結分離，考慮到固結試驗需要一定的時間，施加初級荷載時可能已經發生固液分離，如果采用500%含水率的泥漿進行固結試驗無法反映真實情況，根據經驗，過高含水率疏浚泥泥漿在固結儀中會發生漿液擠出而影響結果的現象。基于這兩點考慮，本文在固結試驗時確定采用含水率為200%的泥漿。

試驗器材主要包括燒杯、攪拌棒、烘箱、GJZ-2 雙聯中壓固結儀(采用4 cm 高的環刀)、精度0.01 g 的電子天平。試驗時，先用燒杯取一定量的泥漿，調制成含水率200%，在其中加入絮凝劑。其中CaO 分別按照質量分數0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、APAM 按照150、200、300 g∕m3添加。然后分層填入4 cm 環刀中，固結試驗初級荷載為12.5 kPa，加荷率為1，最大荷載為200 kPa，試驗按照GB∕T 50123—2019《土工試驗方法標準》[15]中的方法進行。

采用時間平方根法計算固結系數，結果見圖7。從圖7 可以看出，隨著荷載的增加，泥漿的固結系數逐漸增加，且在前期的加載中固結系數增加更為明顯，隨著荷載增大固結系數增長變緩。在加入CaO 藥劑的泥漿中，其固結系數均比原狀固結系數大。在0.2%～0.6%添加量范圍內，固結系數隨著藥劑添加量的增加而顯著增加；在添加0.6%的CaO 時，固結系數比于原狀泥漿增大2～3 倍，能夠大幅度提高泥漿固結沉降速度；但在加入0.8%的CaO 時泥漿的固結系數反而下降。這是因為Ca(OH)2電離出的Ca2＋置換土顆粒表面低價陽離子，土顆粒表面雙電層變薄，同時Ca(OH)2具有橋連作用，小顆粒聚集形成排水通道，孔隙水易于排出，土體滲透系數增加。但當添加過量時，反而使小顆粒無法聚集從而滲透性下降，固結系數降低。總體來說，添加CaO 能夠提高泥漿滲透性2～3 倍，且荷載在12.5～100 kPa 時顯著提高，在大于100 kPa 時提高并不明顯。實際真空預壓處理吹填泥漿時，真空荷載一般約為80 kPa，因此添加CaO 能夠顯著提高泥漿滲透性，從而提高真空預壓處理吹填場地的效果和效率。

圖7 絮凝疏浚泥的固結系數-荷載曲線

在加入APAM 藥劑的泥漿中，隨著荷載的增加泥漿的固結系數逐漸增大，與添加CaO 藥劑的規律相似。在添加不同量的APAM 時，泥漿固結系數隨著添加量的增加而增大，且在50～200 kPa時變化較為明顯，比原狀泥漿固結系數有所提升，但是相比于添加CaO 藥劑的泥漿，添加APAM 藥劑后固結系數變化并不顯著，最大只有1.5 倍，遠小于添加CaO 藥劑后固結系數的變化幅度。

4 結論

1)該地區疏浚泥礦物成分以石英、碳酸鈣為主，且含有一定量的白云母、綠泥石等黏土礦物，物理性質較差，排水固結較慢。

2)加入有機絮凝劑APAM 可大大提高固液分離速率，并能排出大量的上清液，最終上清液的體積比不加絮凝劑的約增加1∕4～1∕3；同時，加入有機絮凝劑會增大疏浚泥的固結系數，并且添加量越多固結系數越大。

3)無機絮凝劑CaO 的加入同樣能加快固液分離，但是上清液的體積比不添加絮凝劑的少，這一點與有機絮凝劑完全不同；加入無機絮凝劑后，固結系數隨著添加量的增加，呈先增加后減小的變化規律，因此，為了取得最佳的固結效果，應該按照最優添加量添加。

4)在本研究基礎上，為了探討藥劑真空預壓法處理的可行性，還需要進一步開展真空固結研究工作。