絮凝電滲真空預壓處理淤泥室內試驗研究

張世民， 張兵兵， 崔允亮， 潘方然， 汪浪波

（1.安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001；2.浙大城市學院土木工程系，杭州 310015；3.浙江大學建筑工程學院，杭州 310058）

0 引言

疏浚淤泥作為一種高含水率、低滲透性的土體，通常的處理方式為堆放自然脫水、機械脫水，然而這兩種方式處理效率低，占用資源多。而真空預壓技術及電滲技術因其能排出淤泥中的自由水和結合水，疏浚淤泥處理效率較高，逐漸被推廣應用。但是這其中也存在一些問題：真空預壓法在處理疏浚淤泥時淤堵效應嚴重；電滲法在處理疏浚淤泥時電極與土體間界面電阻大、能耗大、電滲后期處理效率低［1］。

由于電滲處理存在土體加固不均勻，能耗高等缺點，為提升電滲加固效果、降低能耗，除需要研究電滲的控制因素，試驗和應用中?？紤]聯合其他方式共同對地基進行處理［2-6］，比如加入絮凝劑。絮凝劑在淤泥處理中根據作用機理不同通常分為兩類：有機絮凝劑和無機絮凝劑。無機絮凝劑主要是進行電中和作用，通過游離的陽離子吸附細小土顆粒，形成絮凝團，但是這種絮凝團比較小，易受外界條件影響，如物理力和溫度，并且需要使用的量較大；有機絮凝劑主要靠分子間的“橋接”，這種連接比較穩定且絮凝團比較大，使用的量較少，但是壓縮雙電層不明顯［7］。

近年來，一些學者［8，9］開始從淤泥的淤堵效應出發，提出加入絮凝劑去改善淤堵，從而提高真空預壓淤泥處理效率和效果，并做了相應的試驗證明絮凝劑的效果。Liu等［10］在淤泥中添加氯化鐵（FeCl3）和陰離子型聚丙烯酰胺（APAM），研究表明絮凝劑可以提高排水量和抗剪強度減少淤泥體積，并且可以固化淤泥中的重金屬。蒲訶夫等［11］使用APAM處理疏浚淤泥，總結得到絮凝劑可以改善土體不均勻固結，縮短脫水時間，并提出真空最佳介入時間為靜置沉積24h 后。王東星等［12］使用氫氧化鈣（Ca（OH）2）、聚硅酸鋁鐵（PAFSI）、聚合氯化鋁（PAC）、聚二甲基二丙烯基氯化銨（HCA）、APAM 等五種絮凝劑處理疏浚泥漿，其中APAM在沉降速率、時間及及含水率等方面表現最優，并且得出適量絮凝劑可以防止淤泥淤堵促進排水。在絮凝真空預壓的研究基礎上，一些學者［13，14］從淤泥電動特性出發，將絮凝劑引入電滲真空預壓處理淤泥中，研究證明絮凝劑可有效改善淤泥界面電阻高、能耗大和效率低等問題。劉飛禹等［15］利用自制的電滲試驗裝置，對疏浚淤泥進行了無機絮凝劑FeCl3和硫酸鋁Al2（SQ4）3的不同摻入比的電滲排水試驗，總結得到絮凝劑的最佳摻入比。Wang等［16］研究了無機絮凝劑FeCl3和Al2（SQ4）3對真空預壓聯合電滲法處理疏浚淤泥的排水效果，結論與劉飛禹［15］添加絮凝劑可以有效提高排水效果相吻合。

上述研究表明，無機絮凝劑能改善電滲真空預壓處理淤泥的效果，但是目前仍缺乏對有機絮凝劑處理淤泥的電滲真空預壓試驗的研究。文中試驗采用自制的室內電滲真空預壓試驗裝置，采用在電滲真空預壓處理淤泥中添加有機絮凝劑APAM，從處理后淤泥的含水率和抗剪強度等方面驗證了APAM 在淤泥處理方面的有效性，研究成果可為現場大規模應用提供參考。

1 試驗過程

1.1 絮凝劑的選取

文中已對絮凝劑的分類、機理和在淤泥處理中的研究現狀進行闡述，下面主要討論一下絮凝劑的選取。

從有機和無機絮凝劑的絮凝效果來看，有機絮凝劑形成的絮凝團較大，且不易受外界條件（物理力和溫度）的影響，投加量比無機絮凝劑更少，所以更加穩定有效、節省成本。從環保方面來看，有機絮凝劑為有機物，毒性小，對淤泥污染小，而無機絮凝劑如FeCl3等，其中的金屬離子對淤泥污染大，不易推廣。所以文中在有機絮凝劑中選取試驗所用的絮凝劑。

絮凝劑的荷電特性將直接影響到它的電中和性能，通常情況下，絮凝劑的zeta 電位越高，帶有的表面電荷越多，則絮凝過程的電中和能力越強，絮凝效果好。而在有機絮凝劑中，離子型的高分子絮凝劑由于帶正（負）電荷可以吸附帶電荷的細小顆粒形成大絮凝團，并且其高分子聚合物可以將細小顆粒形成“橋接”，絮凝效果比較好。由于之前的學者［17］在絮凝真空預壓方面的使用APAM 效果均優于其他離子型絮凝劑，所以文中試驗選取APAM（分子量1200萬）為試劑用于電滲真空預壓處理淤泥。

1.2 試驗土樣

試驗土樣初始含水率為150%，控制含水率值為100%制成試驗泥漿，取自杭州市豐潭河河道疏浚淤泥，河道范圍為阮家橋河-石橋港，河道疏浚長度約為338m，河道平均寬度約為21.32m，淤泥淤積深度為0.5～1.5m。所取淤泥的顆粒級配及初始性質如圖1、表1所示。

圖1 淤泥顆粒級配曲線

表1 淤泥初始性質

1.3 沉降柱試驗

諸多研究［18，19］表明在電滲真空預壓處理淤泥試驗中加入的絮凝劑存在一個最優摻量，為了研究APAM與疏浚淤泥反應后的絮凝效果，文中進行了沉降柱試驗，以確定最優摻量。

沉降柱試驗用到的儀器有：量程為1000ml 的量筒、量程為600ml燒杯、精度為0.01g的電子天平、玻璃棒等。具體試驗過程如下：

（1） 先將含水率為100%的原始泥漿加水配置成含水率為200%的試驗泥漿。

（2） 計算絮凝劑的添加克重。絮凝劑的添加比例設定為泥漿干重的0.15%、0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、2.00%。先用量筒量取400ml 試驗泥漿，用電子天平稱其克重，根據其重量和含水率確定其干重，按照其干重的確定計算絮凝劑克重。

（3） 將稱好的絮凝劑加入燒杯注入100ml 蒸餾水，用玻璃棒持續攪拌1min，隨后加入試驗泥漿直至600ml，繼續持續攪拌5min，攪拌結束后將泥漿混合液倒入量筒直至500ml刻度。

（4） 記錄不同時間的泥漿柱體積。

（5） 待液面穩定后取其上清液用濁度儀測定濁度。

試驗結果如圖2 所示，從圖中可以看出APAM 取土壤干重的0.25%上清液體積最高，所以APAM 最優摻量為土壤干重的0.25%。

圖2 APAM沉降柱實驗

1.4 試驗裝置

試驗采用的模型裝置如圖3 所示，主要設備有抽濾瓶（量程為1000ml）、電子天平（精度為1g，量程為15kg）、循環水式真空泵（予華SHZ-DIII型）、直流電源和模型桶。試驗陰陽極均采用板式EKG 電極，板式EKG有利于減少電極腐蝕［20］，如圖4所示。板式EKG電極由導電塑料和銅絲組成，表面有許多從上到下的凹槽規則分布，方便水在板內流通；銅絲對稱分布，包裹于塑料內部，可以有效防止腐蝕；外部包有濾布，防止土顆粒堵塞排水板。試驗模型尺寸及測點分布如圖5所示。

圖3 模型裝置

圖4 板式EKG電極

圖5 模型尺寸及測點分布（單位：mm）

1.5 試驗方案

設置以下2組試驗：

（1）A組是不加絮凝劑（對照組）

（2）B組是加絮凝劑APAM（試驗組）

試驗采用陰極直排的排水方式，電勢梯度取0.5V/cm，輸出電壓取20V，試驗過程中真空度保持在80kPa以上。

1.6 試驗過程

（1） 試驗前在模型桶內壁涂上潤滑的凡士林，然后將配置好的試驗泥漿倒入A、B模型桶中，保證體積一致，靜置一天。

（2） 在B 桶取上層清液于水桶中，加入絮凝劑APAM用攪拌機攪拌均勻，將APAM混合液加入到B桶中使用攪拌機攪拌15min以保證淤泥和APAM混合均勻。

（3） 將4個EKG陽極使用導線連接在一起，線頭處使用絕緣膠水處理，防止線頭腐蝕導致試驗失敗。

（4） 將連接好的電線的EKG板按照圖5設定的位置插入淤泥中，將陰陽極線頭通過模型桶預留的口穿出，并密封好接口。

（5） 由于模型桶為圓柱形，使用普通平面PE塑料膜密封處褶皺過多，不利于密封，所以使用定制超大PE平口塑料袋（18絲且形狀貼近于圓柱形）進行密封。將模型桶周邊涂上704 密封膠，然后塑料袋套在模型桶上，邊緣使用環箍箍緊，防止真空壓力過大損壞密封。

（6） 將測點墊片按照圖5 設定位置用雙面膠固定于塑料膜上，將鋼直尺底部固定于墊片上，上部放置于模型桶頂部支架上，保證不能左右晃動，只能往下移動，以測定不同時間沉降數據。

（7） 連接好電流表和直流電源。將真空管一頭接在模型桶預留閥門口上，另一頭通過橡膠塞預留口接入抽濾瓶內，繼續在橡膠塞另一個預留口上接上真空表，以便時刻觀察真空度。最后，將抽濾瓶上方接口用真空管接入真空泵上。

（8） 沉淀一天后，不排除上部清液直接進行試驗，先進行抽真空，24.5h 開啟電滲，并實時記錄過程數據。

（9） 試驗結束后按照圖5 測點采集不同位置的土樣測定含水率，用便攜式十字板剪切測定不同位置的抗剪強度。

2 試驗結果及分析

2.1 表面沉降

試驗過程中的沉降數據繪制成圖6。從圖6中可以看出在真空預壓階段A、B 組的沉降分別為1.47、8.15cm，B比A組沉降量提高了454.42%；在24.5h開始電滲后到試驗結束A、B組的沉降分別為7.43、8.65cm，B比A組沉降量提高了16.42%。加入絮凝劑APAM的B 組整體沉降速率更快，最終沉降量更大，并且在178.5h 時就趨于穩定，比A 組早了30h。這說明加入絮凝劑APAM能夠提高沉降量和沉降速率，并且可以減少處理時間。

圖6 表面沉降

2.2 排水速率與排水量

試驗過程中出水量隨時間的變化如圖7所示。從圖中可以看出在真空預壓階段A、B 組的排水量分別為6.60、25.50kg，B 比A 組排水量提高了286.36%；在24.5h開始電滲后到試驗結束A、B組的排水量分別為33.50、49.89kg，B比A組排水量提高了48.93%。

圖7 排水量

試驗過程中的排水速率如圖8所示。從圖中可以看出在真空預壓階段B 組的排水速率遠高于A 組，并且下降的非?？?。這是因為試驗初期淤泥的含水率較高，加入絮凝劑APAM 有利于細小土顆粒的凝聚，從而改善排水通道，極大提高了排水速率。而隨著試驗的進行，淤泥中的水逐漸排出，排水速率開始逐漸下降。在24.5h 開始電滲后，排水速率又有著明顯的提升，這是由于電滲可使淤泥中結合水排出，從而提高排水速率。

圖8 排水速率

2.3 電流隨時間的變化

試驗過程中的電流隨時間的變化如圖9所示。試驗開始時A、B 組的電流分別為0.72、1.84A，這說明加入絮凝劑APAM可以降低土體間的界面電阻，從而提高電流。隨著試驗的進行電流開始逐漸降低，這是因為隨著水的排出和土體裂縫的開展，界面電阻開始變大，導致電流隨時間逐漸降低。但是，從圖9中可以看出B組的電流始終大于A組。這是因為B組雖然排出的水量多，在這一方面的影響下界面電阻高于A 組，但是B組加入絮凝劑APAM形成的絮凝團具有良好的延展性和結構性可以緩解裂縫的開展，并且這種絮凝團可以提升電導率［21］，從而整體的界面電阻低于A組，電流也就始終高于A組。

圖9 電流隨時間變化

2.4 含水率與抗剪強度

如表3、表4所示，試驗結束后采集不同位置的土樣測定含水率，用便攜式十字板剪切測定不同位置的抗剪強度。從表3中可以看出隨著深度的增加含水率和抗剪強度逐漸減小，這是因為真空度的傳遞隨深度的增加逐漸減小，所以排水量很少，含水率和抗剪強度也逐漸減小。從表4 中可以看出中間的含水率高，兩側含水率較低。這是因為采用了陰極直排，導致排水路徑更長，陰極附近的水及時排出，而陽極附近的水聚集較慢［22］。

表3 沿深度方向含水率和抗剪強度分布

表4 沿水平方向含水率和抗剪強度分布

3 結語

文中從電滲真空預壓處理淤泥實際問題出發，根據不同種類絮凝劑的絮凝機理，總結了以往學者在絮凝真空預壓及絮凝電滲真空預壓處理淤泥研究成果，提出使用有機絮凝劑APAM處理淤泥，具體結論如下：

（1） APAM可以防淤促排，排水效果提高88%；同時改善了土體均勻性，底層與表層含水率僅差2.28%。

（2） APAM 可以提高電滲真空預壓處理淤泥效率，淤泥表面沉降更早穩定、排水速率更快。

（3） APAM可以很好的減容，經絮凝電滲真空預壓處理的淤泥比不加絮凝劑的體積減少了88.76%。

最后，由于試驗條件等的限制，未做更多有機絮凝劑的對比試驗，建議未來可以進一步研究更多種類有機絮凝劑或者復合有機-無機絮凝劑進行電滲真空預壓處理淤泥試驗，以便得出其絮凝的最優方案。