武亞軍,顧賽帥,盧立海,強小兵,駱嘉成

(1.上海大學(xué)土木工程系,上海200444;

2.溫州浙南地質(zhì)工程有限公司,浙江溫州325006)

隨著環(huán)境巖土工程的發(fā)展,大批量高含水率、高黏粒含量工程廢漿的快速處理成為研究的熱點.藥劑真空預(yù)壓法是一種新型工程廢漿處理方法,該方法將化學(xué)藥劑與傳統(tǒng)的真空預(yù)壓法相結(jié)合,適用于高含水率廢漿的大批量處理.武亞軍等[1]對不同藥劑的處理效果進行了深入的探討,并對處理后土樣微觀結(jié)構(gòu)進行了分析.劉禹楊等[2]通過對疏浚底泥摻外加劑研究了真空預(yù)壓脫水技術(shù).鮑樹峰等[3]研究了真空預(yù)壓聯(lián)合化學(xué)加固處理高黏粒含量的新吹填淤泥.張騫[4]進行了真空預(yù)壓聯(lián)合不同化學(xué)藥劑加固吹填疏浚土室內(nèi)模型試驗的研究.

化學(xué)藥劑的添加會增加生產(chǎn)成本,并帶來二次污染問題,因此化學(xué)藥劑的合理選擇對工程運用至關(guān)重要.本工作按照比例配置了一種新型的混合藥劑——固化混凝劑(簡稱固凝劑),并將其用于高含水率、高黏粒含量工程廢漿的預(yù)處理,通過真空排水試驗,探究藥劑對廢漿滲透特性和真空固結(jié)特性的影響.固凝劑的成分均為無機藥劑,避免了有機化學(xué)藥劑潛在的二次污染問題,并且該藥劑具備以下特點:①在中低含水率淤泥中能夠快速固化;②在高含水率泥漿和淤泥中具有改性、聚并細小土顆粒的作用;③在泥漿或污泥中具有滅菌和抑制腐化的作用;④在工業(yè)廢水處理中具有鈍化重金屬離子的作用.

1 自由沉降試驗

1.1 試驗對象和儀器

為了研究工程廢漿在添加不同摻量的藥劑后的沉降特性,進行自由沉降試驗.試驗中的廢漿試樣取自溫州某樁基工程施工現(xiàn)場.表1為原始廢漿的物理性質(zhì)指標(biāo),其中廢漿比重采用泥漿比重計測得,土粒比重采用比重瓶法測定.采用X射線衍射分析測得廢漿的礦物組成,如表2所示.圖1為廢漿的顆粒粒徑累積曲線.由表1,2和圖1可知,實驗用的工程廢漿為典型的“雙高”型泥漿(高含水率、高黏粒含量),在短時間內(nèi)無法完成自重固結(jié).此外,礦物成分對黏土的滲透性影響較大,其中高嶺石和伊利石會降低黏土滲透性.

表1 原始廢漿的物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Physical parameters of initial waste mud

表2 原始廢漿的礦物組成Table 2 Mineral composition of initial waste mud %

圖1 原始廢漿的粒徑累積曲線Fig.1 Grading curve of initial waste mud

試驗儀器有標(biāo)準(zhǔn)篩、水槽、500 mL量筒、移液管、燒杯、精度為0.01 g的電子天平和SGZ-200AS濁度儀等.

如圖2所示,6個量筒內(nèi)均裝有200 mL廢漿,其中量筒1不加任何藥劑,量筒2,3,4,5,6內(nèi)分別加入1,3,5,7,9 g/L藥劑(摻加10 g/L以上藥劑后樣本的黏度較高,已不適合進行自由沉降試驗).試驗過程中記錄不同時刻渾液面的沉降量,持續(xù)24 h后測定上清液的濁度和pH值.沉降量穩(wěn)定后,取部分試樣進行液塑限和顆粒組成分析.

圖2 廢漿的自由沉降試驗Fig.2 Free settling test of waste mud

圖3為廢漿添加9 g/L藥劑前后狀態(tài)的對比.由圖3可以看出,藥劑的摻加完全改變了廢漿的狀態(tài)(流態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轲に軕B(tài)),而廢漿試樣的含水率僅降低了16%.

圖3 藥劑添加前后的廢漿試樣Fig.3 Waste mud sample before and after adding chemicals

1.2 試驗結(jié)果分析

(1)上清液的濁度與pH值.濁度的單位為NTU,1 NTU相當(dāng)于1 L的水中含有1 mg的福爾馬肼聚合物時所產(chǎn)生的渾濁程度.水的渾濁程度由含有微量不溶性懸浮物質(zhì)、膠體物質(zhì)所致.濁度越低,說明水質(zhì)越好.pH值是反映水溶液酸堿性的指標(biāo).濃度和pH值均是水質(zhì)檢測指標(biāo).圖4為廢漿試樣上清液的濁度和pH值.

圖4 廢漿試樣上清液指標(biāo)Fig.4 Index of the supernatant of waste mud samples

由圖4可以看出,隨著藥劑添加量的增加,上清液的濁度減小,而pH值增大.濁度的大幅降低,表明該藥劑中陽離子中和上清液中懸浮的細小土顆粒(特別是膠體顆粒)表面的負(fù)電荷,壓縮雙電層,減小了土顆粒間的斥力,從而實現(xiàn)土顆粒的聚并[5-7].pH值的增大使得排出的水呈強堿性,在水處理工程中可通過次氯酸(用于消毒)調(diào)節(jié)pH值至相關(guān)規(guī)范要求范圍內(nèi).

(2)顆粒組成分析.廢漿試樣的粒徑累積曲線如圖5所示.由圖5可以看出,隨著藥劑摻量的增加,粒徑為0.075 mm以下的顆粒占比有一定程度地減少.這進一步說明了在藥劑的作用下藥劑中陽離子中和泥漿土顆粒(特別是粒徑0.075 mm以下的細小顆粒)表面的負(fù)電荷,壓縮雙電層,減小土顆粒間的斥力,從而實現(xiàn)土顆粒的聚并.另外,與有機藥劑相比,摻加固凝劑的廢漿試樣小顆粒減少的程度較低.

圖5 廢漿試樣的粒徑累積曲線Fig.5 Grading curves of waste mud samples

(3)沉降量.為研究藥劑添加后漿體在自重荷載下的固液分離特性,繪制了渾液面沉降曲線,如圖6所示.由圖6可知:前12 h,隨著藥劑添加量的增加,沉降量逐漸減小,且沉降量均大于原始廢漿的沉降量;12 h后,沉降量逐漸減小,原始廢漿的沉降量逐漸超過添加藥劑后漿體的沉降量.結(jié)合圖5可知:細小顆粒的聚并沉淀,使得前期添加藥劑的廢漿沉降量均大于原始廢漿沉降量;而隨著藥劑添加量的增加,由于藥劑與廢漿中的活性氧化物反應(yīng),生成具有較強的膠結(jié)能力和穩(wěn)定性的水硬性化合物,使得漿體在自重荷載下較穩(wěn)定,從而導(dǎo)致漿體沉降量隨著藥劑添加量的增加而減小.因此,隨著時間的推移,添加藥劑的廢漿沉降量逐漸被原始廢漿超越.

圖6 廢漿試樣渾液面的沉降曲線Fig.6 Interface settlement curves of waste mud samples

2 一維固結(jié)試驗

2.1 試驗參數(shù)

試驗對象同上.試驗器材主要包括燒杯、攪拌棒、烘箱、GJZ-2雙聯(lián)中壓固結(jié)儀(環(huán)刀高2 cm)和精度為0.01 g的電子天平.

土的滲透系數(shù)是反映水在土孔隙中滲透流動快慢的一個重要指標(biāo).滲透系數(shù)越大,土體內(nèi)孔隙排水速度越快.根據(jù)固結(jié)系數(shù)與滲透系數(shù)的關(guān)系,計算每級荷載下廢漿試樣的平均滲透系數(shù).選取原始廢漿和分別添加3,7,9和11 g/L藥劑的廢漿試樣進行固結(jié)試驗,逐級施加12.5,25.0,50.0和100.0 kPa的固結(jié)壓力,并按照《土工試驗規(guī)程》[8]中的規(guī)定,記錄各級荷載下沉降量隨時間的變化,以試樣變形量每小時不大于0.005 mm為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn).

2.2 試驗結(jié)果與分析

(1)藥劑摻量與滲透系數(shù).圖7為廢漿試樣的滲透系數(shù)變化曲線.由圖7可知:整體上,所有廢漿滲透系數(shù)均隨著荷載的增大而減小,且降幅越來越小;而降幅隨著藥劑添加量的增大而增加.原始廢漿的滲透系數(shù)最小,變化范圍相對較小(在10?6cm/s數(shù)量級上變化);藥劑處理后的廢漿滲透系數(shù)較大,變化范圍也相對較大(在10?6～10?5cm/s數(shù)量級上變化).另外,在同一固結(jié)壓力區(qū)間時,藥劑摻量越高,廢漿滲透系數(shù)越大.同原始廢漿相比,在低固結(jié)壓力區(qū)間內(nèi),添加藥劑后漿體的滲透系數(shù)可提高為原來的5～10倍,分析其原因主要有兩個方面.一方面是原始廢漿中黏粒含量高,其結(jié)合水化膜較厚,會阻塞土的孔隙,從而降低水的滲透性,而藥劑加入廢漿后會立即發(fā)生離子交換作用,在廢漿中產(chǎn)生大量游離的高價陽離子.陽離子與土顆粒表面的Na+,H+和K+等置換,從而使土顆粒表面被高價陽離子包裹,使土顆粒外的結(jié)合水膜厚度減小,從而提高了滲透性.另一方面,藥劑的膠凝作用使得廢漿體系生成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)(見圖8),從而形成較大的宏觀孔隙.在低荷載時,這些宏觀孔隙大大增強了滲透性.而隨著荷載的增大,宏觀孔隙被壓縮,并發(fā)展為團粒間的孔隙以及顆粒間的孔隙為主.隨著荷載的進一步增大,孔隙發(fā)展為顆粒間的孔隙為主[9-11].也就是說,初期原始廢漿與藥劑處理后的廢漿二者間的孔隙相差較大,而隨著荷載的增大,二者的孔隙趨于一致,因此滲透系數(shù)剛開始相差較大,而隨著荷載的增大,最終趨于一致.由此可以認(rèn)為,藥劑對廢漿排水有顯著的增滲增排作用.

圖7 廢漿試樣滲透系數(shù)的變化曲線Fig.7 Curves of permeability coefficient varies of waste mud samples

圖8 廢漿試樣結(jié)構(gòu)模型Fig.8 Structural model of waste mud sample

(2)齡期.新型固凝劑與廢漿完全反應(yīng)需要較長時間,且這種反應(yīng)無法通過表觀直接體現(xiàn).圖7(b)所示為齡期與滲透系數(shù)的關(guān)系(以藥劑摻量為11 g/L的廢漿試樣為例).可以看出,齡期不同,廢漿試樣的滲透系數(shù)相差較大,其中齡期3～14 d的漿體滲透系數(shù)較大.可推斷,合理的齡期為3或7 d.這是因為藥劑與廢漿反應(yīng)需要一定的時間,藥劑與廢漿所形成的膠凝結(jié)構(gòu)對滲透性有較大的提高.在齡期較短時,反應(yīng)尚在進行,膠凝結(jié)構(gòu)尚未完全形成,故3 d之內(nèi)時廢漿的滲透系數(shù)變化幅度較大(在10?6～10?5cm/s數(shù)量級上變化);而在體系反應(yīng)穩(wěn)定后,滲透系數(shù)不再隨著齡期的增長而發(fā)生較大的改變.

3 真空預(yù)壓試驗

3.1 試驗參數(shù)

試驗儀器主要包括廢漿比重計、真空管、法蘭桶、錐形量瓶、排水板、排水管、真空泵等.試驗裝置如圖9所示.試驗桶直徑為70 cm,容積為200 L,在其中間布置排水板,并在不同位置布置真空表進行監(jiān)控.排水管與錐形量瓶側(cè)面排水口依次連接,錐形瓶頂部與真空設(shè)備連接,用于計量排水量和氣液分離.表3為真空預(yù)壓試驗的相關(guān)參數(shù),包括試驗桶藥劑種類及其摻量、去除上清液后的含水率和排水的pH值.

圖9 真空預(yù)壓試驗裝置Fig.9 Experimental setup of vacuum preloading

表3 真空預(yù)壓試驗參數(shù)Table 3 Experimental parameters of vacuum preloading

3.2 結(jié)果分析

(1)排水效率.藥劑對廢漿排水的“增滲增排”作用主要體現(xiàn)在排水速率和土樣終態(tài)含水率兩個方面.圖10為廢漿試樣排水速率的變化曲線.由圖10可知:排水速率在真空加載后12 h內(nèi)差別較大,其中添加9 g/L藥劑后廢漿的排水速率較大,為原始廢漿排水速率的2～3倍;而12 h后廢漿試樣的排水速率比較接近.結(jié)合圖7可知:在加載初期,添加不同摻量藥劑的廢漿滲透系數(shù)相差較大,排水速率有較大區(qū)別;而后期,滲透系數(shù)逐漸持平,排水速率比較接近.

圖10 廢漿試樣排水速率的變化曲線Fig.10 Curves of drainage rate varies of waste mud samples

圖11為廢漿試樣含水率隨時間的變化曲線以及最終取樣實測含水率和藥劑摻量的關(guān)系.由圖11可知:添加藥劑后的試驗桶的含水率均比原始廢漿降低得快,且含水率隨著藥劑摻量的增加而減小,最低為66.5%,降幅達120%,并可繼續(xù)降低;而原始廢漿含水率只能降至約141.5%,且無法進一步降低.這進一步說明,藥劑對廢漿的滲透性具有改善作用.

圖11 廢漿試樣的含水率變化曲線Fig.11 Curves of water content varies of waste mud samples

(2)土體狀態(tài).廢漿真空排水處理后的狀態(tài)如圖12所示.由圖12可以看出,原始廢漿經(jīng)真空排水后,仍呈流態(tài),而經(jīng)藥劑真空預(yù)壓法處理后的土樣強度較高,經(jīng)測量其十字板剪切強度最高達47.1 kPa.土體強度的提高,除了與含水率的降低有直接關(guān)系,也與藥劑的固化作用不斷加強有關(guān).藥劑的固化機理主要分為膠凝作用和硬化作用.藥劑與廢漿中的活性金屬氧化物反應(yīng),生成具有較強的膠結(jié)能力和穩(wěn)定性的水硬性化合物.該化合物在廢漿中繼續(xù)硬化并保持和發(fā)展其強度,這是廢漿狀態(tài)由流體迅速轉(zhuǎn)變?yōu)榘肓黧w的直接原因.硬化作用包含兩個結(jié)晶過程:①藥劑與CO2反應(yīng)生成堅硬的結(jié)晶體,具有較高的強度和水穩(wěn)定性;②試驗過程中,藥劑不斷吸收水分,由膠體逐漸形成晶體,并和土顆粒相結(jié)合形成共晶體,提高了土體的整體性和強度.藥劑硬化作用是土體后期強度不斷提高的主要原因.

圖12 廢漿處理后的土樣Fig.12 Improved soil samples of waste mud

圖13所示為藥劑摻量不同時最終土樣的液塑限.由圖13可以看出,藥劑摻加后,土樣的液塑限有顯著的提高.這與藥劑中存在固化劑成分有關(guān)[12-13],其作用機理有待進一步探究.

圖13 藥劑摻加后廢漿最終土樣的液塑限Fig.13 Plastic limit and liquid limit of waste mud samples before and after adding chemicals

4 結(jié)束語

本工作將配置的新型固化混凝劑用于高含水率、高黏粒含量工程廢漿的預(yù)處理,研究了藥劑對廢漿滲透特性和真空固化特性的影響.研究結(jié)果表明,新型固化絮凝劑結(jié)合真空預(yù)壓法可以有效地處理高含水率、高黏粒含量的工程廢漿.在此過程中,藥劑的作用主要包括顆粒聚并、增滲增排和固化.

(1)固凝劑可以通過壓縮雙電層將廢漿中的細小顆粒聚并,有效減小排出液的濁度.

(2)摻加固凝劑后,通過離子交換作用使黏土顆粒結(jié)合水膜變薄,同時通過膠凝作用促使廢漿生成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),使得廢漿的滲透系數(shù)隨著摻量的增加而大幅增大,從而大幅提高排水速率.反應(yīng)齡期為3或7 d時,藥劑可獲得較大的滲透系數(shù).

(3)固凝劑與真空排水相互作用,在降低土體含水率的同時,通過固化作用提高土體強度,改變土體液塑限.