李 旭

(中鐵十一局集團(tuán) 城市軌道工程有限公司,湖北 武漢 430076)

廣州地鐵8號(hào)線亭崗—白云湖區(qū)間泥水盾構(gòu)施工過程中由于泥漿量大，主要采用APN型壓濾機(jī)將高相對(duì)密度、高黏度泥漿進(jìn)行脫水，形成堆積性較好的泥餅方便汽車運(yùn)輸。由于該壓濾設(shè)備泥漿處理能力有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足盾構(gòu)掘進(jìn)的進(jìn)度要求。目前國(guó)內(nèi)常見的泥漿處理方式主要有劣化泥漿再調(diào)制[1]、自然沉淀[2]、泥漿槽罐車外運(yùn)[3]、利用離心機(jī)脫水達(dá)到固液分離[4]。上述4種方法或多或少存在環(huán)境污染以及效率低下的問題。為解決效率低下的問題學(xué)者們研究了絮凝劑使泥漿快速脫水。丁偉文等[5]通過添加不同分子量的陽離子聚丙烯酰胺研究不同pH值、黏度泥漿的絮凝過程；師雯潔等[6]分析了不同絮凝劑類型、攪動(dòng)快慢及時(shí)間、摻量不同時(shí)泥漿的絮凝效果；梁止水等[7]著重分析了絮凝劑的組合類型，研究了泥漿的泥水分離效率。何文峰等[8]運(yùn)用多種物理機(jī)械組合方式對(duì)泥漿進(jìn)行了處理。上述文獻(xiàn)對(duì)于泥漿的處理起到了一定的效果，但對(duì)于復(fù)合絮凝劑、不同相對(duì)密度及黏度泥漿的絮凝效果等的研究甚少。

由于摻入有機(jī)絮凝劑聚丙烯酰胺(Polyacrylamide，PAM)的泥漿經(jīng)過PAM吸附架橋、表面吸附、增強(qiáng)等一系列物理和化學(xué)反應(yīng)，能夠使泥漿中顆粒形成聚集體而沉降[9]，而摻入泥漿中的粉煤灰?guī)д姾傻匿X離子、鐵離子進(jìn)入泥漿膠體體系中起到了中和作用，能夠促使膠體脫穩(wěn)凝聚[10]，因此本文采用粉煤灰、無機(jī)絮凝劑聚氯化鋁(Polyaluminium Chloride，PAC)、不同分子量的PAM開展泥漿絮凝脫水試驗(yàn)，分析泥漿脫水量及堆積效果，并提出有效措施，以指導(dǎo)工程施工。

1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)?zāi)酀{來自泥水盾構(gòu)隧道施工現(xiàn)場(chǎng)，盾構(gòu)區(qū)間巖性以淤泥質(zhì)黏土和粉質(zhì)黏土為主，由于泥水分離設(shè)備二級(jí)旋流器篩分粒徑能力有限，粒徑<20 μm的細(xì)顆粒形成的廢棄泥漿難以處理。泥漿外觀呈灰色，分散性好，膠體率高，相對(duì)密度1.27，黏度26 s，膠體率97.3%，pH值7.8。

2 試驗(yàn)過程及結(jié)果

2.1 摻入單一不同分子量PAM泥漿的絮凝效果

分別采用分子量為500萬，1 000萬，1 800萬 的陰離子PAM依次開展試驗(yàn)，投放方式為固體顆粒投放，一邊攪拌一邊投放。取9個(gè)規(guī)格為500 mL的燒杯，倒入泥漿樣品，依次編號(hào)為1—9。泥漿樣品編號(hào)及PAM加入量見表1。3種不同分子量PAM分3次試驗(yàn)。

表1 泥漿樣品編號(hào)及PAM加入量

在上述試驗(yàn)過程中除了絮凝劑加入量不同外，其他量不變，每1組分3次進(jìn)行取平均值。試驗(yàn)時(shí)一邊攪拌一邊緩慢加入PAM并開始計(jì)時(shí)。泥漿及堆積效果見圖1。

圖1 泥漿及堆積效果

從圖1可以得出：未添加PAM與添加PAM后泥漿形態(tài)發(fā)生明顯變化。由于本身泥漿膠體率高，未摻入PAM的泥漿很難通過自身沉淀達(dá)到泥水分離的效果，堆積性差。摻入PAM泥漿絮凝后堆積性好，能夠滿足汽車外運(yùn)要求。

當(dāng)絮凝后的泥漿出現(xiàn)絮團(tuán)且不再增多時(shí)再靜置2 h，利用試驗(yàn)吸水球?qū)⑿跄竽酀{上清液吸入量筒量取體積，然后將各燒杯內(nèi)絮凝后的泥漿傾倒出來觀察堆積效果并測(cè)量堆積高度，通過上清液體積與堆積高度判斷絮凝效果，確定最佳投放量。試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 摻入不同分子量PAM泥漿的絮凝效果

從圖2可以得出：①當(dāng)PAM分子量相同時(shí)隨著摻量增加絮凝后產(chǎn)生的上清液體積呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。堆積高度先持續(xù)增大而后基本保持不變。這是因?yàn)闈饪s泥漿中水分減少使得流動(dòng)性減弱，導(dǎo)致堆積高度逐漸增大。②當(dāng)PAM摻量相同但分子量不同時(shí)絮凝效果也不同，達(dá)到同等絮凝效果(上清液體積最大)時(shí)分子量越大摻入的PAM質(zhì)量越小。③在摻量相同的情況下分子量大的PAM泥漿堆積性更好，但隨著摻量的增大上清液體積與堆積高度并非一直增加，說明PAM摻量過大時(shí)絮凝作用得到抑制。這是因?yàn)閾饺氲腜AM分子量越高，分子溶解時(shí)間也越長(zhǎng)，溶解過程中吸附的顆粒越多，故絮凝效果也越好。但PAM過量的摻入導(dǎo)致本身難溶，嚴(yán)重影響絮凝效果甚至起到相反的作用。④分子量500萬PAM摻入質(zhì)量為4 g時(shí)上清液體積24.1 mL，分子量 1 000 萬PAM摻入質(zhì)量為2 g時(shí)上清液體積25.0 mL。說明低分子量的絮凝劑通過增加摻量也能夠達(dá)到與高分子量相同的絮凝效果。綜上所述，7#絮凝效果最佳，即500 mL泥漿中添加3 g PAM為最佳摻量。

2.2 摻入復(fù)合絮凝劑泥漿的絮凝效果

絮凝劑的種類多樣，絮凝原理不盡相同。為了探索復(fù)合絮凝劑對(duì)泥漿的絮凝效果，現(xiàn)分析PAC+PAM,PAM+粉煤灰的絮凝效果。在復(fù)合絮凝劑PAC+PAM的試驗(yàn)中，PAM起到的主要作用與前述試驗(yàn)差距較小，由此得出PAC對(duì)本泥漿的絮凝效果不明顯。試驗(yàn)主要分析PAM +粉煤灰復(fù)合絮凝劑對(duì)泥漿絮凝效果的影響。為減少不同分子量及摻量的試驗(yàn)次數(shù)，以500萬分子量PAM+粉煤灰為主開展絮凝脫水試驗(yàn)。PAM(簡(jiǎn)寫為P)，粉煤灰(簡(jiǎn)寫為粉)摻量及順序見表2，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

表2 復(fù)合絮凝劑摻量及順序

圖3 摻入PAM及粉煤灰復(fù)合絮凝劑泥漿的絮凝效果

由圖2(a)與圖3可知：①當(dāng)PAM分子量和摻量一定時(shí)摻入粉煤灰，摻入粉煤灰泥漿的絮凝效果要優(yōu)于未摻入粉煤灰泥漿。②粉煤灰摻量不變且增加PAM摻量時(shí)上清液體積逐漸減少，堆積高度也基本呈減少趨勢(shì)。③PAM摻量不變且增加粉煤灰摻量時(shí)有2組(3#,6#,9#一組，2#,5#,8#一組)上清液體積逐漸減少，1組(1#,4#,7#)上清液體積先減少后增大，堆積高度也逐漸降低。由此可見無論是未摻粉煤灰的單一絮凝劑還是摻入粉煤灰和PAM的復(fù)合絮凝劑，絮凝效果并不是隨著摻量的增多而增大，相反當(dāng)摻量達(dá)到一定程度后，隨著摻量的增加絮凝效果會(huì)適得其反。④從樣品10#，11#，12#的絮凝效果來看，摻量的增加并不能加強(qiáng)絮凝效果，因此最佳摻量方案為2 g粉煤灰+2 g PAM。

采用同樣的方法對(duì)比了不同分子量PAM與粉煤灰復(fù)合絮凝劑的試驗(yàn)結(jié)果，都驗(yàn)證了前述試驗(yàn)結(jié)果的正確性。

圖4為樣品4#,11#，7#和12#泥漿絮凝后堆積效果。

圖4 絮凝后堆積效果

由圖4可以得出：調(diào)整PAM與粉煤灰的摻入順序?qū)π跄Ч麜?huì)產(chǎn)生一定的影響。即先摻入粉煤灰后摻入PAM泥漿的上清液體積大于先摻入PAM后摻入粉煤灰泥漿，但兩者絮凝效果差別不大；先摻入粉煤灰后摻入PAM泥漿的堆積高度亦大于先摻入PAM后摻入粉煤灰泥漿。就摻入順序而言，先摻入粉煤灰泥漿的絮凝效果優(yōu)于先摻入PAM泥漿。

2.3 不同相對(duì)密度和黏度泥漿的絮凝效果

前期試驗(yàn)主要針對(duì)同一種泥漿的絮凝效果做試驗(yàn)，而在實(shí)際施工過程中，泥漿相對(duì)密度和黏度不斷發(fā)生變化，相對(duì)密度和黏度高的泥漿對(duì)實(shí)際施工造成嚴(yán)重的困擾。為此現(xiàn)針對(duì)施工中相對(duì)密度大、黏度高泥漿開展試驗(yàn)研究。試驗(yàn)?zāi)酀{同樣取自于盾構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng)，測(cè)得其相對(duì)密度1.34，黏度36 s，膠體率98.6%，pH值為7.4。泥漿相對(duì)密度越大其含水率越低,PAM主要通過對(duì)泥漿實(shí)現(xiàn)脫水達(dá)到固液相對(duì)分離的效果。為了排除其他因素的影響，試驗(yàn)采用與前期試驗(yàn)相同的單一絮凝劑(分子量500萬PAM，參見表1)。試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

圖5 相對(duì)密度大、黏度高的不同PAM摻量泥漿的絮凝效果

對(duì)比圖2(a)與圖5可以看出：PAM在泥漿中的絮凝效果差別明顯，主要表現(xiàn)在上清液體積相差大。圖5中上清液體積峰值(23.2 mL-1.5 g PAM)較圖2(a)中(28.8 mL -2.5 g PAM)出現(xiàn)得更早即用量更少，但體積峰值低，圖5中堆積高度的峰值同樣先出現(xiàn)且可堆積性強(qiáng)。分析原因主要是相對(duì)密度大、黏度高的泥漿本身含水量少，流動(dòng)性弱，當(dāng)摻量超過一定程度后，上清液體積同樣呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，堆積高度則基本不變。由此可見PAM對(duì)于相對(duì)密度大、黏度高泥漿的泥水分離效果比圖2(a)中相對(duì)密度小、黏度低泥漿明顯。

3 結(jié)論

1)有機(jī)絮凝劑PAM的絮凝效果優(yōu)于無機(jī)絮凝劑PAC，摻加單一絮凝劑時(shí)高分子量PAM泥漿的絮凝效果優(yōu)于低分子量PAM泥漿。在一定量的范圍內(nèi)低分子量PAM通過增加摻量能達(dá)到與高分子量PAM相同的絮凝效果。當(dāng)超過最佳摻量繼續(xù)增加則會(huì)產(chǎn)生相反作用。

2)復(fù)合絮凝劑的絮凝作用優(yōu)于單一絮凝劑，復(fù)合絮凝劑的投放順序也會(huì)對(duì)絮凝效果有一定的影響。試驗(yàn)?zāi)酀{先摻入粉煤灰后摻入PAM絮凝效果更佳。同樣當(dāng)摻量達(dá)到一定程度后繼續(xù)增加PAM，由于其本身難溶絮凝效果會(huì)適得其反。

3)適當(dāng)提高泥漿的相對(duì)密度及黏度能夠有效控制成本。最佳摻量并非一成不變，對(duì)于不同組分的泥漿則需根據(jù)實(shí)際情況不斷調(diào)整以達(dá)到最佳效果。

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