絮凝劑對盾構泥漿真空預壓效果影響研究

桑松齡,張晨光,陳敬軒,王炳洋

(中鐵十八局集團第五工程有限公司,浙江 杭州 310000)

在鉆井施工、地鐵隧道盾構施工及地下連續墻施工中常排放出大量高含水率工程盾構泥漿。盾構泥漿具有含水率高、穩定性強和滲透性低等特點,使用傳統的泥漿池循環法難以快速處理大量泥漿,且泥漿的堆積會造成施工面積減少,施工成本與施工難度增加。使用絮凝劑加速盾構泥漿沉積是目前最常用的泥漿處理方法[1],國內外學者已經對絮凝機理開展了許多試驗研究。徐國棟等[2]比較了無機、有機絮凝劑的絮凝效果與絮凝機理的差異;楊成安等[3]比較了多種絮凝劑的絮凝效果并給出了一套適用于泥漿絮凝的復合絮凝劑配方;烏效鳴等[4]通過聚丙烯酰胺絮凝試驗,分析了不同分子量、水解度與濃度的聚丙烯酰胺作用機理的差異。由于絮凝處理后泥漿的含水率仍然較高,所以需要對絮凝泥漿進一步脫水,真空預壓法經過數十年的改進與完善[5-6],已經成為一種常用的泥漿處理方法。趙森等[7]開展了絮凝聯合真空預壓法試驗,獲得了能提高真空預壓效率的絮凝劑種類以及最優投放量;武亞軍等[8]先后使用無機高分子絮凝劑、不同離子型有機高分子絮凝劑以及生石灰等絮凝劑處理工程廢棄泥漿,并開展沉降柱試驗和真空預壓試驗,得出使用陽離子聚丙乙烯酰胺對上海市某場地的工程廢棄泥漿進行絮凝處理時泥漿固液分離最快的結論;王棟[9]使用聚丙烯酰胺聯合真空預壓處理廢棄泥漿,取得了較好的脫水沉降效果。然而,在最優絮凝劑的選型上,泥漿種類復雜,不同施工工藝、區域導致泥漿礦物成分、粒徑分布和鹽度等物理化學性質有巨大差異[10-13]。現有絮凝劑種類繁多,絮凝作用機制復雜[14],對不同泥漿的絮凝效果往往存在一定差異。王東星等[15]開展了武漢疏浚淤泥的絮凝試驗與絮凝聯合真空預壓試驗,通過分析淤泥沉降高度、沉降速率與絮凝后下層淤泥含水率等指標,評價了不同絮凝劑的脫水效果,認為APAM絮凝處理疏浚泥漿的效果最好;楊司盟等[16]對含鹽類吹填土進行室內真空預壓脫水試驗,綜合分析絮凝試樣的沉降速度和最終沉降量,得出非離子型的聚丙乙烯酰胺處理效果最好的結論。綜上,各類工程泥漿物理化學性質差異較大,目前研究得出的最優絮凝劑種類存在一定差異,因此有必要針對具體工程廢棄盾構泥漿進行絮凝劑選擇研究。絮凝泥漿后期還需經過真空預壓加固處理才能最終達到脫水的目的,然而目前對不同類型絮凝劑聯合物理脫水效果與絮凝劑作用機理的研究尚不多見。

為研究摻入絮凝劑后使用真空預壓法處理盾構泥漿的效果,筆者選擇了浙江省杭州市下沙路隧道工程盾構泥漿以及APAM、CPAM、NPAM、PAC和石灰共5種不同類型的絮凝劑,使用量筒等沉積試驗裝置、自制真空預壓抽濾裝置與固結壓縮試驗儀開展一系列試驗,測量絮凝盾構泥漿沉積速度與最終沉積量,評價不同種類與摻量絮凝劑的處理效果。分別選擇處理效果較佳的無機絮凝劑、聚合無機絮凝劑與有機高分子絮凝劑對泥漿開展絮凝聯合真空預壓試驗,通過比較試驗后泥漿沉降與泥餅含水率,評價不同類型絮凝劑對真空預壓法處理效果的影響。

1 試驗方案

1.1 試驗裝置

試驗裝置如圖1～3所示,沉積試驗裝置由量筒、燒杯、玻璃棒與電子秤組成,自制的真空抽濾試驗裝置由水氣分離箱與真空泵組成。泥漿槽高度為12 cm,內徑為10 cm,內置排水板濾膜支撐篩網。水汽分離箱用于收集通過濾膜排出的水,真空泵用于對泥漿施加真空負壓。固結壓縮試驗裝置由固結壓縮儀、加載系統與沉降測量系統組成,固結壓縮儀用于盛放泥漿,加載系統可在固結壓縮儀上施加不同大小的荷載,沉降測量系統可測量泥漿沉降量。

圖1 泥漿沉積試驗Fig.1 Mud deposition test

圖2 抽濾試驗Fig.2 Suction filtration model tests

圖3 固結壓縮試驗Fig.3 Consolidation compression test

1.2 試驗材料

1.2.1 試驗土樣

試驗用泥漿取自浙江省杭州市下沙路隧道工程,用泥漿抓斗從泥漿池液面下約30 cm處抓取泥漿。泥漿的液塑限使用液塑限聯合測定儀測得,初始含水率通過烘干法測得,密度通過環刀法測得,詳細參數見表1,2。顆粒級配采用篩分法與密度計法進行測定,級配曲線如圖4所示。由圖4可知:盾構泥漿砂粒質量分數約50%,粉粒質量分數約30%,黏粒質量分數約20%。

表1 試驗土樣的基本物理參數Table 1 Basic physical properties of soil sample

圖4 土體粒徑級配曲線Fig.4 Grain size distribution of soil

1.2.2 絮凝劑

根據現有的研究成果[17-18],筆者選擇5種絮凝劑配制成一定質量濃度的溶液后進行泥漿沉積試驗,沉積試驗所選絮凝劑的種類、質量濃度與摻量如表3所示。表3中絮凝劑摻量為絮凝劑質量與泥漿干土質量的比值。

表3 絮凝劑種類與摻量Table 3 Type and dosage of flocculant

1.2.3 抽濾裝置濾膜

根據現行的《水運工程塑料排水板應用技術規程》JTS 206-1—2009,選取等效孔徑為120 μm,滲透系數大于5×10-4cm/s的濾膜進行真空預壓試驗。

1.3 試驗流程

對盾構泥漿開展沉積試驗與真空抽濾試驗,根據沉積試驗結果,對比分析得到不同種類絮凝劑的最優摻量,隨后根據真空預壓試驗結果,評價摻入絮凝劑后使用真空預壓法處理盾構泥漿的效果。具體試驗操作步驟如下:1) 根據表2所示的溶液質量濃度與絮凝劑摻量配制絮凝劑溶液,并將絮凝劑摻入盾構泥漿,使用自動攪拌器以600 r/min的轉速將絮凝泥漿攪拌均勻;2) 將絮凝泥漿靜置24 h,測量絮凝泥漿的體積脫水率,獲得最優絮凝劑摻量;3) 根據最優絮凝劑摻量配制絮凝泥漿,并開展真空預壓試驗,試驗開始前,配制絮凝泥漿并注入模型箱內,填充高度為100 mm,待泥漿土液分界穩定后,開始絮凝真空預壓試驗,真空壓力為85 kPa,直至不再沉降時進行卸載;4) 試驗結束后,對桶內土體進行含水率與沉降量檢測;5) 根據真空抽濾試驗結果,開展固結壓縮試驗,研究最優摻量的PAC、APAM和石灰的固結壓縮特性。

表2 試驗土樣的級配Table 1 The grading of soil samples

2 試驗結果及分析

2.1 泥漿沉積試驗

在盾構泥漿中摻入一定量各類絮凝劑后,絮凝泥漿的體積脫水率如表4,5所示,體積脫水率為絮凝完成后上層清液的體積與泥漿總體積的比值。由表4,5可知:絮凝劑的最優摻量分別為2%石灰、0.3% PAC、0.3% NPAM、0.2% APAM,而CPAM基本沒有絮凝效果。

表4 石灰的體積脫水率Table 4 Volume dewatering rate of lime

由表4可知:在盾構泥漿中摻入石灰可以有效提高泥漿的體積脫水率,當石灰摻量為2%時,盾構泥漿的體積脫水率最大。一方面是因為石灰中高價鈣離子可以置換出土顆粒表面的低價陽離子,破壞了土顆粒表面的反離子層,提高了土樣滲透性;另一方面是因為石灰具有架橋作用,能夠將盾構泥漿中帶負電的顆粒吸附連接,使細顆粒絮凝組合形成粗顆粒,以此提高泥漿的滲透性。由表5可知:在盾構泥漿中添加PAC,NPAM,APAM后,泥漿的體積脫水率有了明顯提升,當PAC,NPAM,APAM摻量分別為0.3%,0.3%,0.2%時,泥漿體積脫水率最大,而摻入CPAM后,泥漿體積脫水率沒有發生明顯變化。導致絮凝泥漿24 h體積脫水率不一致的直接原因是不同絮凝劑處理的盾構泥漿的絮團粒徑不一致,絮凝劑主要是通過電中和效應與架橋作用促進盾構泥漿絮凝成團。因為CPAM的電性與盾構泥漿相同,無法達到電中和效果,所以絮凝效果不佳。泥漿體積脫水率隨著NPAM與APAM摻量的提高先上升后下降,這是因為聚丙烯酰胺溶于水會形成鏈狀或環狀的大分子結構,以大分子結構為媒介,將廢棄盾構泥漿中的細顆粒絮凝成團,提高了泥漿的滲透性與排水能力。當聚丙烯酰胺添加過多時,大分子結構如果無法捕捉到足夠的細顆粒形成顆粒團,便會將土顆粒完全包裹,阻礙土中孔隙水的排出,導致泥漿的滲透性與排水能力變差。

表5 PAC與PAM的體積脫水率Table 5 Volume dewatering rate of PAC and PAM

對比表4,5可知:摻加有機高分子絮凝劑APAM的盾構泥漿體積脫水率最大,聚合無機絮凝劑PAC次之,無機絮凝劑石灰最小。這是由不同絮凝劑與土顆粒形成的微觀結構不同導致的。石灰的架橋和置換作用會在土中形成具有一定強度的團塊結構,這種結構具有較大的孔隙,占據的空間較大,因此泥漿不會產生較大沉降。而PAC與PAM則以電中和與架橋作用為主,可以破壞土顆粒的雙電層結構,形成的絮體結構相對密實,因此體積脫水率相對較大。

2.2 真空預壓試驗

根據2.1得到的絮凝劑最優配比開展絮凝聯合真空預壓試驗,試驗分為兩個階段,分別為自然沉降階段與真空預壓階段,其中自然沉降階段為0～24 h,試驗結束后泥漿沉降如圖5所示。由圖5可知使用最優配比的絮凝劑均可以增強泥漿真空預壓效果。PAC、石灰和APAM聯合真空預壓處理的泥漿真空預壓階段的沉降量分別為1.4,2.2,1.3 cm,不添加絮凝劑時泥漿沉降量為1.2 cm。使用PAM與PAC絮凝后的泥漿沉降主要發生在自然沉降階段,在真空預壓過程中沉降量相對較小。真空預壓階段使用APAM與PAC絮凝的泥漿與無絮凝劑添加的泥漿的沉降曲線基本一致。而石灰絮凝泥漿的沉降主要發生在真空預壓階段。這是因為石灰絮凝形成的團塊結構孔隙較大,在靜置階段,孔隙中會保有較多孔隙水,所以泥漿的沉降量較小,同時絮凝泥漿滲透系數的提高會促進真空預壓階段泥漿排水。APAM與PAC主要是通過破壞泥漿雙電層結構與絮凝架橋作用促使泥漿的小顆粒絮凝成大顆粒,以此來提高真空預壓效率。由于杭州市盾構泥漿為粉砂土,顆粒相對較大,APAM與PAC的絮凝作用難以進一步提高泥漿顆粒尺寸,所以這兩種絮凝劑對真空預壓的促進作用一般。

圖5 泥漿沉降隨時間變化曲線Fig.5 Relationship between the settlements of mud and time

真空預壓試驗完成后泥餅含水率如圖6所示。由圖6可知:真空預壓完成后泥餅含水率與泥漿的最終沉降量有相同的變化規律。在無絮凝劑情況下,泥餅含水率較高,而摻入絮凝劑后,真空預壓效果得到了較大改善。真空預壓效果最好的石灰絮凝泥漿的泥餅含水率為22.54%,比PAC和APAM絮凝泥漿分別低37.80%，21.16%。試驗結果表明:石灰絮凝泥漿對真空預壓處理效果的提升作用最大,APAM次之,PAC最小。

圖6 試驗結束后泥餅含水率Fig.6 The water content of mud after test

2.3 固結壓縮試驗

土的固結壓縮試驗旨在反映APAM等絮凝劑對盾構泥漿強度與排水速率的影響,泥漿的孔隙比下降速度越快,土體內水分排出速度越快,土的固結沉降速度也越快。摻入絮凝劑后泥漿的e—p曲線如圖7所示。

圖7 摻入絮凝劑后泥漿的e—p曲線Fig.7 The e-p curve of mud with flocculant added

由圖7可知:石灰的固結壓縮曲線與PAC、APAM以及無添加情況下的固結壓縮曲線具有較大差異。石灰的固結壓縮曲線由兩部分組成:前半部分的曲線較為平緩,盾構泥漿經石灰處理后具有了一定的強度,可以抵抗一定的荷載,在低荷載作用下孔隙率不會發生改變;后半部分曲線較陡,這是由于在較大的荷載下,盾構泥漿開始發生排水固結,泥漿的孔隙率開始變小。PAC、APAM和無添加情況下的固結壓縮曲線也由兩部分組成:前半部分曲線斜率較大,這是由于泥漿初始含水率較高,孔隙水在荷載作用下快速排出;后半部分的曲線斜率較小,這是由于在荷載作用下泥漿的土骨架初步形成,泥漿中孔隙水較難排出。

對比圖5可知:在荷載較小的情況下,摻入APAM的泥漿排水固結速度最快,所以沉積試驗中APAM的沉降量最大;在后期荷載較大的情況下,石灰的固結壓縮曲線發生陡降,在荷載為70～80 kPa時,石灰絮凝土的孔隙比已經低于其余絮凝土,即石灰絮凝土的排水固結程度最高。在真空預壓試驗中,石灰絮凝泥漿對真空預壓處理效果的提升作用最大。

3 結 論

筆者針對杭州市某盾構工程的盾構泥漿與5種不同類型的絮凝劑開展了一系列泥漿沉積試驗,測量了絮凝盾構泥漿的沉積速度、最終沉積量、真空預壓試驗后的泥漿沉降量與泥餅含水率,評價了絮凝劑的絮凝效果以及對真空預壓法處理效果的影響。得到了以下結論:1) 對于杭州市盾構泥漿,使用PAC、石灰、APAM和NPAM均可促進泥漿排水,最優摻量分別為0.3%,2%,0.2%,0.3%,其中APAM絮凝泥漿的體積脫水率最大,石灰絮凝泥漿的體積脫水率最小;2) 使用絮凝聯合真空預壓法處理泥漿時,石灰聯合真空預壓法處理效果最好,PAC與APAM對真空預壓過程中的泥漿沉降促進作用不大;3) 在低荷載條件下,PAC與APAM絮凝土的固結排水速度較快,石灰絮凝土幾乎不會發生固結排水,在高荷載條件下,PAC與APAM絮凝土固結排水速度放緩,石灰絮凝土會發生快速排水固結;4) 工程中可以使用2%的石灰通過絮凝聯合真空預壓法處理泥漿,也可以使用0.2%的APAM直接對泥漿進行絮凝處理,兩者均可取得較好的脫水減量效果。