魏雁冰，陳向良，范明橋，徐鍇，張中流

固化法處理建筑泥漿池的試驗(yàn)研究

魏雁冰1，2，陳向良3，范明橋1，徐鍇1，張中流1

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京210029；2.安徽省水利水電勘測設(shè)計(jì)院，安徽合肥230088；3.廈門合誠工程檢測有限公司，福建廈門361009）

化學(xué)固化法是處理廢棄泥漿的一種常用方法。文章通過室內(nèi)固化劑配合比試驗(yàn)，以期找到經(jīng)濟(jì)適用的最佳固化劑配比和用量。引進(jìn)芬蘭固化設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，將試驗(yàn)區(qū)分為全深度處理和部分深度處理2個(gè)分區(qū)。檢測結(jié)果表明，處理后的建筑泥漿地基承載力完全滿足設(shè)計(jì)要求，且全深度處理的效果較優(yōu)。

廢棄泥漿；固化劑；地基承載力

0　引言

鉆孔灌注樁是建筑、水利、交通等工程建設(shè)領(lǐng)域常用的基礎(chǔ)工程加固方法，而鉆孔泥漿用量一般為成孔體積的3~5倍[1]，因此施工過程中必然會產(chǎn)生大量廢棄泥漿。這些泥漿常采用管道輸送或罐車運(yùn)輸集中傾倒至空地貯存，按沉淀池方式處理。近年來，城市建設(shè)用地日益緊張，這些泥漿池占用了大量的土地資源，處理效率較低，易引起環(huán)境問題，且因防護(hù)不當(dāng)而造成人畜陷入喪生的事件也時(shí)有發(fā)生。因此，廢棄泥漿的處理一直是工程建設(shè)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。

近年來，廢棄建筑泥漿的處理多采用化學(xué)絮凝固液分離處理法[2-5]和化學(xué)固化處理法[6-8]等。但是含水率在75%~85%左右，固含量在15%~ 25%左右，比重較市政污泥大，一般在1.2～1.46之間[9]，因此沉淀困難，需要絮凝劑量大且一般的絮凝劑對其絮凝效果不明顯；傳統(tǒng)的化學(xué)固化法多是在廢泥漿池內(nèi)撒布固化劑，采用挖掘機(jī)進(jìn)行翻動攪拌，使泥漿體系基本失去流動性，但是挖掘機(jī)難以攪拌均勻，且露天施工，現(xiàn)場粉塵污染嚴(yán)重。此外，廢棄泥漿池處理中，往往只是強(qiáng)調(diào)水土分離，而對土地資源的利用考慮不夠。前人多在絮凝劑的選擇及不同配比上研究泥漿的脫水作用，而對泥漿池處理后的地基承載力研究較少。因此，廢棄泥漿處理技術(shù)急需發(fā)展新技術(shù)。本文采用引進(jìn)芬蘭ALLU公司最新研制的固化設(shè)備處理廢棄漿池，進(jìn)行室內(nèi)固化劑的試配、試驗(yàn)區(qū)施工及效果檢測等工作。該方法能夠根據(jù)不同的需求適時(shí)調(diào)整固化劑配合比，施工中粉塵污染小，施工后地基承載力提高顯著，是一種切實(shí)可行的化學(xué)固化處理泥漿池的新方法，具有很好的推廣價(jià)值。

1　場地概況

某經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)由生態(tài)休閑區(qū)、城市中心區(qū)、啟動區(qū)塊、環(huán)湖景觀帶等區(qū)塊組成，規(guī)劃控制面積85 km2。近年來隨著開發(fā)區(qū)基本設(shè)施建設(shè)的逐步推進(jìn)，產(chǎn)生了大量的建筑廢棄泥漿，這些泥漿由管道輸送和罐車外運(yùn)集中貯存在待開發(fā)的郊區(qū)洼地中，形成了數(shù)個(gè)深度約為1.5~2.5 m的泥漿池。泥漿池經(jīng)過長期晾曬，表面失水，形成了約10 cm厚的硬殼層，表面長滿小蘆葦?shù)裙嗄局参?，植物平均高度達(dá)2m左右。

1.1泥漿土基本性質(zhì)

本試驗(yàn)選定擬建體育館附近1 000 m2的泥漿池作為現(xiàn)場試驗(yàn)區(qū)，規(guī)劃中試驗(yàn)區(qū)為地面停車場。通過對試驗(yàn)場區(qū)泥漿池淺層開挖的初步踏勘，發(fā)現(xiàn)泥漿沉積土為灰黃~灰黑色，飽和，可見分布全區(qū)植物根系，地下水位約為地表下0.5m。試驗(yàn)區(qū)泥漿深度約為1.5~4 m，雖經(jīng)長期晾曬，但場地硬殼層厚度只有10 cm，不能滿足人員及機(jī)械施工承載力需求。其天然含水率大于液限含水率，由現(xiàn)場十字板剪切試驗(yàn)得到的不排水強(qiáng)度極低，泥漿范圍內(nèi)均小于4 kPa。顆粒分析試驗(yàn)結(jié)果表明該泥漿土粒徑小于0.075 mm的黏粒含量為87.3%，其中粒徑小于0.005 mm的黏粒含量為43.4%，基本的物理力學(xué)指標(biāo)如表1。

表1　處理前泥漿土物理力學(xué)性指標(biāo)Table 1 Physical and mechanical properties of slurry before treatment

1.2固化劑室內(nèi)配合比試驗(yàn)

水泥、粉煤灰、石灰等是常用的固化材料。本文主要選用硅酸鹽水泥和粉煤灰兩種材料。室內(nèi)配比實(shí)驗(yàn)通過選擇不同摻量不同種類的固化劑進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，研究不同固化劑混合及配比對固化土強(qiáng)度的影響，通過試樣的養(yǎng)護(hù)時(shí)間研究固化土的前期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度變化。

無側(cè)限抗壓試驗(yàn)中采用的試樣為直徑39.1 mm、高度80 mm的圓柱體，所有試驗(yàn)的壓實(shí)度均認(rèn)為已經(jīng)達(dá)到最大壓實(shí)度。固化劑百分比根據(jù)濕土質(zhì)量計(jì)算。

首先考慮不同水泥摻量對固化土強(qiáng)度的影響，由圖1可知，隨著水泥摻量的增加，固化土強(qiáng)度呈指數(shù)形式增長，即水泥摻量越多，強(qiáng)度越高，兩者呈正相關(guān)的關(guān)系。

考慮到經(jīng)濟(jì)性，選用在水泥摻量為4%的前提下，通過摻加不同含量的粉煤灰，尋找既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的固化劑配合比。由圖2所示，隨著粉煤灰摻量的增加，固化土強(qiáng)度先增加后降低，當(dāng)粉煤灰摻量為4%時(shí)，強(qiáng)度最高。

圖1　固化土強(qiáng)度隨著水泥摻量的變化規(guī)律Fig.1 The strength of solidified soil with variation of cement quantity

圖2　水泥4%下固化土強(qiáng)度隨粉煤灰摻量規(guī)律Fig.2 The strength of solidified soil cement 4%changes with the amount of fly ash

2　現(xiàn)場施工工藝

2.1試驗(yàn)區(qū)劃分

試驗(yàn)區(qū)為矩形，面積為40m×25m=1 000m2，分兩大塊進(jìn)行處理：部分深度處理的分區(qū)A和全深度處理的分區(qū)B。設(shè)計(jì)承載力要求為50 kPa和80 kPa，根據(jù)室內(nèi)固化劑配合比試驗(yàn)結(jié)果，選擇以水泥和粉煤灰為主要成分的固化劑，施工中兩者摻量同為4%。各分區(qū)處理形式、承載力要求、泥漿深度以及處理量如表2所示。

表2　設(shè)計(jì)資料Table 2 The design data

2.2施工過程

施工前先清除泥漿池表層雜草，根據(jù)前期設(shè)計(jì)劃定各個(gè)分區(qū)，用白灰線在場地中劃出5 m× 2.5m矩形小網(wǎng)格，以便于施工。準(zhǔn)備施工所需的固化劑，將固化材料供給系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備組裝，將ALLU攪拌頭與挖掘機(jī)連接，連通固化劑輸送管道，做好正式施工前的準(zhǔn)備工作。

待固化材料供給系統(tǒng)調(diào)試完畢后，開始施工，具體施工步驟為：單點(diǎn)打設(shè)→小塊攪拌→初步整平，即先在每個(gè)小網(wǎng)格打設(shè)10個(gè)點(diǎn)，使固化劑均勻進(jìn)入不同深度的泥漿土中；進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，利用ALLU攪拌頭的優(yōu)良攪拌性能使固化劑與泥漿土充分拌合均勻；最后對場地進(jìn)行初步整平，如圖3。依次進(jìn)行下一個(gè)網(wǎng)格的施工。挖掘機(jī)的可作業(yè)區(qū)域施工完畢后，在該區(qū)域上鋪設(shè)鐵板，作為打設(shè)下一區(qū)域時(shí)挖掘機(jī)的支撐平臺，同時(shí)對該區(qū)域也起到了預(yù)壓作用。整個(gè)場地施工完畢后，待淺層土強(qiáng)度初步提高后，利用挖掘機(jī)進(jìn)行場地平整及碾壓。為提高處理效果，施工結(jié)束后亦可設(shè)置排水溝及鋪塑料薄膜等進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

圖3　施工步驟Fig.3 The construction procedure

3　處理效果檢測

施工28 d后，在場地內(nèi)做原位十字板試驗(yàn)、平板載荷試驗(yàn)，同時(shí)用鉆機(jī)取樣，進(jìn)行固化泥漿土的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。

3.1原位十字板檢測

如圖4，各分區(qū)的十字板剪切強(qiáng)度均有顯著提高，處理前不同深度泥漿土十字板剪切強(qiáng)度均小于4 kPa，處理后無論是A區(qū)還是B區(qū)，在處理深度范圍內(nèi)，固化泥漿土的十字板強(qiáng)度均達(dá)到160 kPa以上。但是B區(qū)的十字板剪切強(qiáng)度高于A區(qū)，這是因?yàn)锽區(qū)為全深度處理，處理深度較深。圖4中A區(qū)1.5 m以下及B區(qū)2.5m以下抗剪強(qiáng)度較小，這主要是因?yàn)闆]有處理到這個(gè)深度的緣故。

圖4　處理后十字板剪切強(qiáng)度Fig.4 Vane-shear strength after treatment

3.2平板載荷試驗(yàn)

使用邊長為0.5 m的正方形鋼板，根據(jù)平板載荷試驗(yàn)結(jié)果，按照規(guī)范[10]確定各分區(qū)的地基承載力特征值，分別是A區(qū)240 kPa、B區(qū)280 kPa，同樣是全深度處理的B區(qū)處理效果最優(yōu)。但是A區(qū)的地基承載力也已經(jīng)遠(yuǎn)超過一般建設(shè)用地50 kPa的要求。

3.3取樣室內(nèi)試驗(yàn)

為進(jìn)一步檢測泥漿池的處理效果，處理后各分區(qū)還進(jìn)行了取樣室內(nèi)試驗(yàn)。室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3　處理后泥漿土物理力學(xué)性指標(biāo)Table 3 Physical and mechanical properties of slurry after treatment

從室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果看，經(jīng)處理后泥漿土的含水率均有較大幅度降低，從65%以上普遍降低到40%左右，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高顯著。從室內(nèi)試驗(yàn)看，分區(qū)A和分區(qū)B無論是含水率還是無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均接近，這是由于取樣深度為1.5 m，均在各分區(qū)的處理深度內(nèi)。

綜合以上結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無論是原位試驗(yàn)還是室內(nèi)試驗(yàn)，檢測結(jié)果均表明該固化方法能夠顯著提高地基承載力。

4　結(jié)語

1）運(yùn)用引進(jìn)芬蘭ALLU公司的固化設(shè)備，提出了一種就地固化處理泥漿池以提高地基承載力的新方法。

2）處理效果表明，各分區(qū)處理后地基承載力提高顯著，均超過了一般公路地基承載力要求，且全深度處理的B區(qū)高于部分深度處理的A區(qū)。今后大面積處理可通過優(yōu)化固化劑配比及摻量，進(jìn)一步降低處理造價(jià)。

3）1 000 m2試驗(yàn)區(qū)處理時(shí)間為12 d（包括設(shè)備安裝及拆卸時(shí)間），經(jīng)估算，泥漿土處理費(fèi)用約62元/m3。若大面積處理，效率和造價(jià)會更趨于理想。因此，該法適合于在類似的泥漿池處理工程中進(jìn)一步推廣。

[1]吳波，馬希河，楊中喜，等.油田污泥固化技術(shù)的研究進(jìn)展[J].國外建材科技，2003（4）：66-67. WU Bo，MA Xi-he，YANG Zhong-xi，et al.Research progress of sludgesolidification technology in oil field[J].Science and Technology ofOverseas BuildingMaterials，2003(4)：66-67.

[2]萬玉綱，余學(xué)海.樁基工程泥漿水處理技術(shù)[J].環(huán)境工程，1999，17（1）：14-15. WAN Yu-gang，YU Xue-hai.Treating technology ofwaste slurry from pile foundation engineering[J].Environmental Engineering，1999，17(1)：14-15.

[3]劉勇健，沈軍，張建龍.廢泥漿固液分離的試驗(yàn)研究[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，17（2）：53-56，75. LIU Yong-jian，SHEN Jun，ZHANG Jian-long.An experimental study on the separation of solid and liquid in wastemud[J].Journal ofGuangdongUniversityof Technology，2000，17(2)：53-56，75.

[5]歐孝奪，曹凈，周東.廣西平果鋁尾礦泥漿化學(xué)絮凝處理試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2003，25（2）：201-203. OU Xiao-duo，CAO Jing，ZHOU Dong.Experimental study on chemical flocculating action ofwaste flush fluid[J].Chinese Journal ofGeotechnical Engineering，2003，25(2)：201-203.

[6]王冀川.川東北地區(qū)鉆井廢棄泥漿固化法處理技術(shù)及運(yùn)用[J].科技創(chuàng)業(yè)月刊，2007（11）：185-187. WANG Ji-chuan.Treatment technology and application of drilling wastemud solidification process in the Northeastarea of Sichuan [J].Pioneering with Sciense&Technology Monthly，2007(11)：185-187.

[7]董婭瑋.廢棄鉆井泥漿固化處理技術(shù)研究[D].西安：長安大學(xué)，2009. DONG Ya-wei.Research on curing technology of waste drilling mud[D].Xi′an：Chang′an University，2009.

[8]肖遙，王蓉沙，鄧皓.廢棄鉆井液化學(xué)強(qiáng)化固液分離處理[J].中國環(huán)境科學(xué)，2000，20（5）：453-456. XIAOYao,WANG Rong-sha,DENGHao.Treatmentof chemically enhanced solid-liquid separation forwaste drilling fluid[J].China EnvironmentalScience，2000，20(5)：453-456.

[9]梁止水.建筑廢棄泥漿快速脫水技術(shù)試驗(yàn)研究[D].南京：東南大學(xué)，2013. LIANG Zhi-shui.Experimental study on rapid dehydration techniqueofwastemud from construction[D].Nanjing:Southeast University,2013.

[10]GB 50021—2001，巖土工程勘察規(guī)范[S]. GB 50021—2001，Code for investigation of geotechnical engineering[S].

Experimental study on construction waste slurry treatment by chemical curing method

WEI Yan-bing1,2,CHENXiang-liang3,FANMing-qiao1,XUKai1,ZHANGZhong-liu1
（1.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing,Jiangsu 210029,China; 2.AnhuiSurvey and Design Institute ofWater Conservancy and Hydropower,Hefei,Anhui230088,China; 3.Xiamen Hecheng Engineering Testing Co.,Ltd.,Xiamen,Fujian 361009,China）

Chemical curingmethod is a commonmethod for treating construction waste slurry.Through the laboratory curing agentmix ratio test,in order to find the best curing agent ratio and dosage.And the field test is carried out by using the curing equipmentof Finland,the test is divided into two zones,which are full depth treatmentand shallow treatment.The test results show that the bearing capacity of the foundation of the construction waste slurry pool is completely satisfied with the design requirements,and the full depth treatment isbetter.

waste slurry;hardener;bearing capacity of foundation

U655.54；TU472.99；TU753.3

A

2095-7874（2016）04-0026-04

10.7640/zggw js201604007

2015-11-06

2015-12-22

水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目資助（201401006）

魏雁冰（1987—），男，河南許昌人，碩士研究生，巖土工程專業(yè)，主要從事地基處理等方面的研究工作。E-mail：weiyanbing305@126.com