化學吸水與絮凝對盾構渣土流變性能的影響研究*

張 水，陽 棟，李水生，侯亞康，李 晃

(中國建筑第五工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷加快及城市規模的不斷擴大，城市軌道交通建設取得了快速發展，“十三五”期間我國城市軌道交通建成投運線路超過3 000km，投資規模達(1.7～2)萬億元，“十四五”期間我國城市軌道交通投運線路有望新增 5 000km[1]。 城市軌道交通建設促進了城市經濟發展，緩解了城市日益突出的交通擁擠問題，但也產生了巨量的盾構渣土，成為威脅環境安全和人們健康的重大隱患[2]。

目前，對盾構渣土的處理方式多采用粗放式堆填。然而，由于盾構渣土顆粒細小、含水率高(土壓平衡盾構渣土含水率為10%～40%、泥水平衡盾構渣土含水率為60%～80%)，呈現弱流動或泥漿狀態，在運輸過程中容易撒漏，導致城市路面、空氣質量污染；高含水率盾構渣土甚至需罐車運輸，降低了渣土運輸效率，增加了渣土運輸成本[3-5]。渣土由于顆粒細小、含水率高，體積穩定性差，直接堆放存在安全隱患。2015年12月20日，位于深圳市光明新區的紅坳渣土受納場因渣土失穩發生滑坡事故，造成了大量人員傷亡和嚴重的經濟損失[6]。當前，在盾構渣土資源化利用方面，通常也需對渣土進行脫水處理，在低含水率狀態下將其用于制作燒結或免燒磚、陶粒等建材產品。

脫水處理已成為盾構渣土減量化和無害化處理、資源化利用的關鍵環節，決定了渣土處置的效率和成本。因此，研究高效的盾構渣土脫水技術具有重要的社會效益、環境效益和經濟效益。

1 試驗概況

1.1 原材料

1)渣土 取自于長沙市地鐵6號線某區間段，為土壓平衡盾構渣土，為強風化板巖產出，外觀如圖1所示。對其含水率、液限、塑限等物理性能進行測試，可得含水率為30%，液限為41.4%，塑限為26.4%，塑性指數為15.0。對其顆粒級配進行分析，結果如圖2所示。其中，中值粒徑D50=7.351μm，粒徑<100μm的占比98%。

圖1 盾構渣土外觀

圖2 盾構渣土粒徑分布

2)高吸水性樹脂(SAP) 由鞏義市云森凈水材料有限公司生產，主要化學成分為低交聯型聚丙烯酸鈉，顆粒粒徑為50～200μm(D50=107μm)，在去離子水中的飽和吸水倍率為150。

3)聚丙烯酰胺(CPAM) 鞏義市云森凈水材料有限公司生產的陽離子型聚丙烯酰胺分子量為8×106～12×106Da，固含量≥90%。

1.2 試驗設計

將渣土裝入1L量筒中，將不同摻量的SAP置于渣土表面，并用塑料薄膜將量筒口包裹住，靜置一段時間后取出SAP，將渣土攪拌均勻，再測試渣土含水率、稠度和流動度。試驗方案設計如表1所示。

表1 試驗方案設計(1)

將不同摻量的CPAM與渣土攪拌均勻，靜置一段時間后，再測試渣土含水率、流動度、稠度和Zeta電位。試驗方案設計如表2所示。

表2 試驗方案設計(2)

1.3 試驗方法

含水率按GB/T 50123—2019《土工試驗方法標準》進行測試；稠度參照GB/T 1346—2019《水泥標準稠度、凝結時間、安定性檢驗方法》進行測試，以試桿沉入深度來表示，試桿沉入深度越大，表示其稠度越大；流動度按GB/T 2419—2005《水泥膠砂流動度測定方法》進行測試；采用ZetaProbe電位分析儀對渣土Zeta電位進行測試。

2 試驗結果與討論

2.1 SAP對盾構渣土脫水性能的影響

SAP是含有強親水性基團并具有一定交聯度的功能性高分子材料，具有吸收比自身重幾百至幾千倍水的高吸水功能。SAP對渣土含水率的影響如圖3所示，相應渣土狀態如圖4所示。

圖3 SAP摻量對渣土含水率的影響

圖4 摻加SAP的渣土靜置12h狀態

由圖3可知，摻加SAP可以有效降低渣土含水率，摻加0.2%SAP的渣土與空白試樣相比，含水率下降了12.3%；隨著SAP摻量的增加，渣土含水率不斷下降，但下降幅度逐漸減小，尤其是SAP摻量>0.8%時，在試驗摻量范圍內，渣土含水率下降幅度<1%。 含水率的下降改變了渣土流變性能，使渣土黏度增大，體積穩定性提高。

考慮到SAP的吸水量除與其吸水能力有關外，還受其吸水速率的影響，因此，還需開展SAP吸水時間對其吸水量的影響研究。在前期試驗研究基礎上選定SAP摻量為0.2%，研究在不同靜置時間下，SAP對渣土含水率、稠度和流動度的影響，結果如表3所示。

表3 不同靜置時間下SAP對渣土流變性能的影響

由表3可知，隨著靜置時間的延長，渣土含水率、試桿沉入深度、流動度逐漸減小。與原狀盾構渣土相比，摻加0.2%SAP的渣土試樣靜置12，24，48，72h，含水率分別下降了12.3%，13.3%，14.6%，17.4%。渣土含水率的下降造成渣土流變性能變差，具體表現為試桿沉入深度和流動度減小。

渣土含水率對其流變性能有較大影響。隨著渣土含水率不斷下降，渣土顆粒周圍水膜厚度逐漸減小，使渣土中結合水和毛細水的連接增強，渣土顆粒間的黏聚力增大；同時，水膜厚度的減小引起渣土顆粒間距減小，渣土顆粒間發生相對滑動、滾動時的嵌效應逐漸增強，內摩擦角增大。由法國科學家C.A. Coulomb的土抗剪強度理論可知，隨著渣土黏聚力和內摩擦角的增大，抗剪強度不斷增大，抵抗變形的能力得到了提高，即流動性能下降，體積穩定性提高。

2.2 CPAM對盾構渣土脫水性能的影響

CPAM為高分子絮凝劑，可吸附水中懸浮顆粒，使細顆粒形成較大絮團，并且加快沉淀速度。CPAM摻量、靜置時間對渣土含水率的影響如圖5所示，相應渣土狀態如圖6所示。

圖5 CPAM摻量對渣土含水率的影響

圖6 摻加CPAM的渣土靜置48h狀態

由圖5可知，不同CPAM摻量的渣土在不同靜置時間下，含水率變化無規律，含水率下降也不明顯，與空白試樣相比，含水率變化基本在1%以內，考慮到攪拌過程中水分散失和測試誤差，可說明摻加CPAM對渣土含水率幾乎無影響，但能明顯改變其流變性能，可使弱流動狀態渣土短時間內變成可塑狀態。由圖6可知，摻加CPAM的渣土靜置48h后，在攪拌機作用下，渣土顆粒黏聚成團，且隨著CPAM摻量的增加，渣土黏聚體呈現由散狀到粒狀、粒徑由大變小的現象。

不同CPAM摻量、靜置時間對渣土稠度、流動度的影響如圖7所示。由圖7可知，摻加CPAM可明顯降低渣土稠度和流動度，當CPAM摻量為0.05%時，與空白試樣相比，試桿沉入深度下降了35.1%，流動度則下降了13.0%；隨著CPAM摻量的增大，試桿沉入深度、流動度不斷減小，當CPAM摻量>0.15%時，渣土進入可塑狀態，試桿沉入深度變化不明顯，流動度也基本不變。當CPAM摻量較少時，渣土稠度、流動度隨著靜置時間的延長有一定下降，但隨著CPAM摻量的增加，靜置時間對渣土稠度、流動度的影響越來越小。

圖7 CPAM摻量、靜置時間對渣土稠度、流動變的影響

Zeta電位是表征分散體穩定性的常用指標。Zeta電位的絕對值越高，體系就越穩定；反之Zeta電位絕對值越接近于0，則表明體系顆粒越傾向于凝聚。對不同CPAM摻量渣土的Zeta電位進行測試，結果如圖8所示。由圖8可知，摻加少量CPAM即可顯著提高渣土Zeta電位，且隨CPAM摻量的增加總體呈先升高后降低的趨勢。當CPAM摻量為0.05%時，與空白試樣相比，其Zeta電位提高了79.3%；當CPAM摻量為0.15%時，渣土Zeta電位為-0.2mV，接近電性中和狀態。

圖8 CPAM摻量對渣土Zeta電位的影響

渣土顆粒表面攜帶負電荷，具有良好的親水性，可與水分子緊密結合，導致其脫水較困難。CPAM攜帶大量—NH3OH，—NH2OH—，—CONH3OH 等離子基團，易與渣土顆粒發生電性中和，進而降低渣土Zeta電位絕對值，減弱渣土顆粒間的靜電斥力，使渣土顆粒失穩而絮凝團聚；同時，CPAM水解形成的分子鏈吸附在渣土顆粒表面，縱橫交錯的分子鏈形成網狀結構，可捕捉離散顆粒，使團聚體粒徑不斷增大。但當CPAM摻量過大時，會出現分子間相互包裹、相互擠占，抑制了吸附架橋和網捕-卷掃作用，從而對絮凝起到負面效應。

3 結語

1) SAP可有效降低渣土含水率，且隨著靜置時間的延長，渣土含水率不斷下降。當SAP摻量為0.2%時，靜置12，24，48，72h的渣土試樣與原狀渣土試樣相比，含水率分別下降了12.3%，13.3%，14.6%，17.4%。渣土含水率的下降，改變了渣土流變性能，使其稠度和流動度減小，體積穩定性提高。

2) CPAM可有效提高渣土Zeta電位，并明顯改變渣土流變性能。當CPAM摻量為0.15%時，渣土試樣Zeta電位接近電性中和狀態，與原狀渣土試樣相比，稠度、流動度分別下降了78.4%，22.1%。渣土稠度、流動度隨著靜置時間的延長有一定下降，但隨著CPAM摻量的增加，靜置時間對渣土稠度、流動度的影響越來越小。

3) SAP，CPAM分別通過化學吸水、化學絮凝的方式使渣土流動性下降，體積穩定性能提高，有利于渣土后續運輸、堆放和資源化利用。