史子瑤 吳欽楠 趙小蓉,2,3 楊曉曼 張雨晨 黃緒泉,2,3

(1.三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院,湖北 宜昌 443002;2.三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部工程研究中心,湖北 宜昌 443002;3.湖北省磷石膏資源化綜合利用企校聯(lián)合創(chuàng)新中心,湖北 宜昌 443002)

近年來,隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)和城市建設(shè)的快速發(fā)展,我國城市交通量大幅上升,各大城市普遍存在交通擁堵等問題[1],盾構(gòu)隧道施工有著掘進(jìn)效率高、對(duì)周邊環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn),因此廣泛運(yùn)用于地鐵建設(shè)項(xiàng)目中[2].泥漿作為一種工程輔助材料,被廣泛運(yùn)用于鉆孔灌注樁施工、盾構(gòu)掘進(jìn)施工和地下連續(xù)墻施工中[3].泥漿主要起到護(hù)壁、排渣、清孔和冷卻作用[4].當(dāng)泥漿出現(xiàn)黏度變大、顆粒變細(xì)等性能惡化問題時(shí),泥漿會(huì)被廢棄.由于廢棄泥漿的產(chǎn)量大、黏度高且固液分離難度大,使得廢棄泥漿的處置成為工程施工的一項(xiàng)重大難題.大量廢棄泥漿的產(chǎn)生不僅會(huì)造成土地面積的浪費(fèi),還有可能對(duì)填埋地的土質(zhì)造成污染,因此廢棄泥漿的減量化處理是資源化處理中關(guān)鍵的一步.現(xiàn)行的常用處理方式有外運(yùn)填埋、機(jī)械壓濾、固化劑固化處理和絮凝劑沉淀脫水[5-9]等,更有甚者直接將廢棄泥漿排入江、河之中,不僅造成了嚴(yán)重的污染,還會(huì)使得水域淤積、河床抬高[10].外運(yùn)填埋是一種成本高但處理效率低的處理手段;機(jī)械壓濾雖然效率有所提高,但是設(shè)備運(yùn)行成本較大且需要定期維護(hù);固化劑固化處理需要被處理的土壤具有一定的承載能力,否則無法進(jìn)行二次利用[11];絮凝沉淀法可以通過絮凝劑使泥漿中的懸浮顆粒形成較大的絮團(tuán),輔助機(jī)械手段使固液兩相更容易分離[12],能夠從根源上減少廢棄泥漿的排放,是目前實(shí)際工程中可以廣泛采用的脫水方式.目前有不少學(xué)者結(jié)合化學(xué)原理對(duì)廢棄盾構(gòu)泥漿進(jìn)行了脫水性能研究,烏效鳴等[13]研究了泥水盾構(gòu)除砂過程中使用絮凝劑的特殊分子結(jié)構(gòu)對(duì)高效泥水分離的影響,通過絮凝劑上非親水基團(tuán)和巖屑礦間的強(qiáng)吸附能力使得聚丙烯酰胺的分子鏈與巖屑顆粒觸聚、絮凝.但是,目前大多數(shù)研究是使用絮凝劑或混凝劑進(jìn)行單一調(diào)理的,單一調(diào)理雖然可以節(jié)約成本,但是依然存在著脫水時(shí)間長(zhǎng)、泥餅最終含水率較高等問題.本文將有機(jī)的絮凝劑與無機(jī)的混凝劑進(jìn)行復(fù)配,再將調(diào)理后的廢棄盾構(gòu)泥漿裝入小型壓濾裝置中進(jìn)行壓濾實(shí)驗(yàn),結(jié)合了化學(xué)調(diào)理和機(jī)械脫水的方法,大大提高了廢棄盾構(gòu)泥漿脫水的效率.

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 廢棄盾構(gòu)泥漿

實(shí)驗(yàn)用廢棄盾構(gòu)泥漿在南京盾構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng)采得,具體理化性質(zhì)見表1,主要化學(xué)成分見表2.

表2 廢棄盾構(gòu)泥漿主要化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) (單位:%)

1.2 化學(xué)調(diào)理劑

本文使用的有機(jī)絮凝劑為陽離子型聚丙烯酰胺(PAM)、無機(jī)混凝劑為聚合氯化鋁(PAC)和聚合硫酸鐵(PFS),購買于天津市天力化學(xué)試劑有限公司.

1.3 試驗(yàn)方法

1)廢棄泥漿制備

廢棄盾構(gòu)泥漿采自南京盾構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng),為方便運(yùn)輸,原狀廢棄盾構(gòu)泥漿已使用板框壓濾機(jī)進(jìn)行了初次脫水,如圖1(a)所示.為避免泥質(zhì)不均等現(xiàn)象,將進(jìn)行過初次脫水的泥漿還原含水率到85%,如圖1(b)所示.取出1 000 g左右原狀廢棄盾構(gòu)泥漿,記為a,攪拌均勻后測(cè)量其含水率,記為wt.根據(jù)式(1)計(jì)算出還原加水量,記為mw.

圖1 廢棄盾構(gòu)泥漿

2)廢棄泥漿含水率測(cè)定

將廢棄盾構(gòu)泥漿攪拌混合均勻后,取50g左右樣品至干燥鋁盒中,鋁盒質(zhì)量記為m1,樣品及鋁盒總質(zhì)量記為m2.在105℃條件下烘干4 h后取出冷卻至室溫后稱重,直到最后兩次稱量結(jié)果相差值小于0.1 g時(shí)為止,記下烘干后樣品及鋁盒的總質(zhì)量m3.廢棄盾構(gòu)泥漿含水率記為wts,計(jì)算見式(2).

壓濾過程中的含水率變化根據(jù)式(3)進(jìn)行計(jì)算:

式中:w為某一時(shí)刻的含水率;a為進(jìn)入小型壓濾裝置的廢棄盾構(gòu)泥漿的質(zhì)量;w0為廢棄盾構(gòu)泥漿壓濾前的含水率;d為某一時(shí)刻的累計(jì)脫水質(zhì)量.

3)毛細(xì)吸水時(shí)間測(cè)定

取3～4 m L待測(cè)廢棄盾構(gòu)泥漿,放入毛細(xì)吸水時(shí)間測(cè)定儀中,泥漿液面達(dá)到刻度線后,按下測(cè)試鍵.當(dāng)濾液到達(dá)第一圈電極時(shí)開始計(jì)時(shí),當(dāng)濾液到達(dá)第二圈電極時(shí),計(jì)時(shí)停止,讀取儀表上數(shù)據(jù)并記錄.

4)旋轉(zhuǎn)黏度測(cè)定

取200 m L攪拌好的漿液倒入黏度測(cè)試筒內(nèi),設(shè)置轉(zhuǎn)速為30 r/min,帶讀數(shù)穩(wěn)定后記錄下數(shù)據(jù).

5)壓濾脫水試驗(yàn)

每次準(zhǔn)備(500±5)g含水率為85%的廢棄盾構(gòu)泥漿,加藥劑均化之后,取250 g左右分別放入兩個(gè)泥漿杯中進(jìn)行壓濾.當(dāng)泥漿杯安裝在自制小型壓濾裝置上后,調(diào)節(jié)壓濾的壓力值為0.6 MPa,自此開始?jí)簽V脫水過程,用一次性塑料杯在泥漿杯出水口接水,用式(3)反算泥餅含水率.當(dāng)濾液排出量使得泥漿杯內(nèi)外壓強(qiáng)相等時(shí),自制小型壓濾裝置放氣,壓濾過程結(jié)束.

1.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

B3002電子天平、JJ-5 水泥膠砂攪拌機(jī)、DFC-10A 毛細(xì)吸水時(shí)間測(cè)定儀、NDJ-8S旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)、自制小型壓濾裝置(如圖2所示).

圖2 自制小型壓濾裝置

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)試

2.1 試驗(yàn)方案

根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,設(shè)計(jì)3因素3水平的正交試驗(yàn).確定絮凝劑PAM(A)、PAC(B)、PFS(C)為3種因素,單因素?fù)搅糠秶倪吔缰蹬c中間值為3種水平,具體見表3.

表3 各因素各水平設(shè)計(jì)表 (單位:%)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果分析,如圖3～5所示,確定了各個(gè)單因素的適合摻量.其中,當(dāng)PAM 的摻量范圍為0.006%～0.008%時(shí),相比于原狀泥漿的脫水過程,其含水率達(dá)到最佳值47.78%,當(dāng)PAM 摻量為0.010%時(shí),絮凝劑的摻入對(duì)壓濾過程起抑制作用.當(dāng)PAC摻量范圍為0.2%～0.6%時(shí),廢棄盾構(gòu)泥漿的壓濾含水率隨著摻量的增大而降低,期間最低含水率為16.92%,摻量范圍在0.6%～0.8%期間,含水率變化曲線的傾斜程度降低,為最大程度地降低含水率并節(jié)約絮凝劑用量,選用PAC 的最適摻量范圍為0.2%～0.6%.當(dāng)PFS摻量范圍為0.20%～0.50%時(shí),泥漿含水率明顯降低至17.59%,達(dá)到較好的脫水效果,繼續(xù)增大摻量對(duì)泥漿含水率變化影響不大,因此,確定PFS的最佳摻量范圍為0.2%～0.5%.

圖3 單摻PAM 含水率變化曲線圖

圖4 單摻PAC含水率變化曲線圖

圖5 單摻PFS含水率變化曲線圖

綜上,通過各個(gè)絮凝劑調(diào)理廢棄盾構(gòu)泥漿的單因素分析,確定PAM 最佳摻量范圍為0.006%～0.008%,PAC最佳摻量范圍為0.2%～0.6%,PFS最佳摻量范圍為0.2%～0.5%.

在確定了各因素的摻量邊界值與中間值后,對(duì)各個(gè)單因素的邊界摻量下的廢棄盾構(gòu)泥漿脫水性能進(jìn)行測(cè)試,如圖6～8所示.

圖6 單摻PAM 后泥漿脫水性能對(duì)比圖

圖7 單摻PAC后泥漿脫水性能對(duì)比圖

圖8 單摻PFS后泥漿脫水性能對(duì)比圖

從圖6可以看出,在摻入PAM 后,與原狀泥漿相比,廢棄盾構(gòu)泥漿的毛細(xì)吸水時(shí)間均有所降低,但黏度值在摻量為0.008%時(shí)卻有所回升,推測(cè)是因?yàn)镻AM 具有較強(qiáng)的吸附和黏連作用,從而導(dǎo)致泥漿黏度增大,同時(shí)也證明了當(dāng)摻量繼續(xù)增大時(shí)會(huì)惡化泥漿的脫水性能.

圖7～8 具有相似的變化趨勢(shì),當(dāng)PAC 和PFS的摻量處于兩處邊界值時(shí),相比于原狀泥漿,調(diào)理后廢棄盾構(gòu)泥漿的毛細(xì)吸水時(shí)間均有降低,但是黏度值都在摻量較大的邊界值處有小幅度回升,由此可以判斷,根據(jù)泥餅含水率確定的邊界值合理.

圖9～11為摻不同調(diào)理劑后所得的壓濾泥餅,圖9中的泥餅按照摻量為0.000%、0.002%、0.004%、0.006%、0.008%、0.010%從左到右依次擺放,隨著摻量的逐漸增大,泥餅表面越粗糙,說明PAM 壓濾前在廢棄盾構(gòu)泥漿內(nèi)部形成了較大的孔隙,在泥漿進(jìn)入小型壓濾裝置后,隨著氣體被壓入裝置,氣體占據(jù)了原有的孔隙,在壓濾結(jié)束氣體排出后,形成了泥餅表面上凹凸不平的坑洼;圖10中的泥餅依次按照摻量為0.0%、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%從左到右依次擺放,但五塊泥餅在外觀上無明顯差異;圖11中的泥餅依次按照摻量為0.1%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.6%順序從左到右依次擺放,可以明顯看出:當(dāng)PFS摻量不小于0.2%時(shí),泥餅表面有鐵銹紅色的紋路,且隨著PFS的摻量增大,鐵銹紅色的紋路越加明顯.

圖9 摻PAM 壓濾后泥餅

圖10 摻PAC壓濾后泥餅

圖11 摻PFS壓濾后泥餅

本實(shí)驗(yàn)采用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的方法來確定相同條件下,不同絮凝劑相互作用時(shí),對(duì)廢棄盾構(gòu)泥漿脫水絮凝過程的影響.

根據(jù)表3選定的正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)因素和水平,選取L9(34)正交表用于安排3因素3水平的正交設(shè)計(jì)試驗(yàn),共計(jì)有9組試驗(yàn).其中,將廢棄盾構(gòu)泥漿的最終含水率作為評(píng)價(jià)正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的指標(biāo),每組試驗(yàn)重復(fù)3次,最終含水率取平均值.

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

在壓濾過程中的泥漿杯內(nèi)的廢棄盾構(gòu)泥漿含水率變化按公式(3)計(jì)算,壓濾完成后泥餅的含水率按公式(2)計(jì)算,正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及摻入絮凝劑調(diào)理后廢棄盾構(gòu)泥漿的最終含水率見表4.

表4 壓濾脫水后含水率測(cè)試結(jié)果

從表4可以看出,使用不同的絮凝劑調(diào)理廢棄盾構(gòu)泥漿后,最終所得泥餅的含水率差異較大.其中,第7組的實(shí)驗(yàn)效果最佳,最終的泥餅含水率為15.02%;而第6組的實(shí)驗(yàn)效果最差,其最終的泥餅含水率為33.89%;第2組、第5組和第7組的最終泥餅含水率的值較為相近,3 組泥餅的最終含水率都在16%左右,這與PFS 的摻量(3 組分別為0.35%、0.50%、0.50%)有著較大的關(guān)系;第1組和第6組的含水率均大于30%,這兩組的含水率在9組正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)中最高,且這兩組的PFS摻量都為最小,進(jìn)一步說明PFS的摻量對(duì)廢棄盾構(gòu)泥漿脫水具有較大的影響.

3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 直觀分析

首先計(jì)算出調(diào)理后的廢棄盾構(gòu)泥漿在各影響因素下各個(gè)水平的含水率,第i個(gè)因素的第j個(gè)水平總值記為(K i)j,在數(shù)值上等于該因素在第j個(gè)水平所做的3組試驗(yàn)結(jié)果的平均值之和[14],然后再計(jì)算出水平均值(k i)j,由該因素的水平均值即可求出在該因素下的極差(R i)j,直觀分析的計(jì)算結(jié)果見表5.

表5 直觀分析結(jié)果

由直觀分析可以得到以下結(jié)論:

1)根據(jù)表5所得的各項(xiàng)指標(biāo)間極差R值的大小來確定各個(gè)絮凝劑對(duì)廢棄盾構(gòu)泥漿脫水性能影響的主次.極差R值越大,表明該種絮凝劑對(duì)廢棄盾構(gòu)泥漿脫水過程的影響越大.反之,極差R值越小,表明該種絮凝劑對(duì)廢棄泥漿脫水過程的影響越小.

各個(gè)因素的極差值分別為:R(k1)=3.68,R(k2)=4.34,R(k3)=13.61,由此可見:各個(gè)因素在相同條件下,對(duì)于廢棄泥漿脫水性能影響的主次排名為:PFS＞PAC＞PAM.

2)C因素(絮凝劑為PFS)對(duì)廢棄盾構(gòu)泥漿脫水性能的正面影響最大,對(duì)于C 因素的各水平(不同的PFS摻量)而言,廢棄盾構(gòu)泥漿含水率和PFS的摻量變化呈現(xiàn)相反的趨勢(shì),這說明隨著C因素3個(gè)水平摻量的逐漸增大,廢棄泥漿脫水性能逐漸增強(qiáng).在選擇C因素水平時(shí),從廢棄泥漿的含水率來看,C2、C3均符合要求,但從總體考慮,C3組廢棄盾構(gòu)泥漿含水率比C2稍低,因此,綜合考慮選取C3為最佳.

3)B因素(絮凝劑為PAC)對(duì)廢棄盾構(gòu)泥漿脫水性能的正面影響僅次于C因素,從廢棄盾構(gòu)泥漿含水率的值來看,B2組廢棄盾構(gòu)泥漿的含水率比B1組的含水率稍低并在3組中為最低,且B因素的廢棄泥漿含水率變化趨勢(shì)為先下降后升高,B 因素選取B2最佳.

4)從極差分析可看出:A 因素(絮凝劑為PAM)為次要因素,與其他兩個(gè)因素相比,A 因素對(duì)廢棄盾構(gòu)泥漿脫水性能影響并不大.在廢棄盾構(gòu)泥漿的含水率都滿足要求的情況下,選擇含水率最低的A3作為PAM 的最終摻量值.

通過對(duì)以上正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果的分析,可確定出最優(yōu)化的絮凝劑組分及配比條件A3、B2、C3,即PAM摻量為0.008%,PAC 摻量為0.4%,PFS 摻量為0.50%.

3.2 方差分析

直觀分析得到的主要因素不一定是影響廢棄盾構(gòu)泥漿脫水的顯著因素,次要因素也不一定是非顯著因素,影響因素的顯著性需要通過方差分析進(jìn)行確定[15].各影響因素下含水率偏差平方和見表6.

表6 各影響因素下含水率偏差平方和

根據(jù)表6可知,PFS的摻量對(duì)廢棄盾構(gòu)泥漿的脫水影響的偏差平方和最大,而PAM 的摻量在相同情況下最小.使用各個(gè)因素的偏差平方和作為誤差平方和、自由度作為誤差平方和的自由度,進(jìn)行正交試驗(yàn)的方差分析.利用F檢驗(yàn)法進(jìn)行顯著性結(jié)果檢驗(yàn),計(jì)算結(jié)果見表7.表中的F0.01和F0.05均由F檢驗(yàn)法查表獲得,F0.01=F0.01(f2,f1),F0.05=F0.05(f2,f1).其中,f1為誤差的自由度,f2為本次正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的因素自由度.當(dāng)F0.01＞F i≥F0.05時(shí),i因素是顯著影響因素;如果F i≥F0.01,i因素是高度顯著影響因素;如果F i＜F0.05,則i因素是非顯著影響因素.

表7 方差分析計(jì)算結(jié)果

從表7可知,PAM(A)、PAC(B)、PFS(C)的摻入對(duì)于廢棄盾構(gòu)泥漿的壓濾脫水而言都是非顯著性因素,但是根據(jù)三者的F值可看出,PFS(C)的影響相比于其他兩組絮凝劑(A 和B)的摻入效果更加明顯.

4 結(jié)論

當(dāng)PAM、PAC、PFS摻量分別為0.008%、0.4%、0.50%時(shí),調(diào)理后進(jìn)行壓濾脫水的廢棄盾構(gòu)泥漿的含水率為14.40%,已基本達(dá)到機(jī)械脫水和化學(xué)固化處理方法相結(jié)合脫水方式的極限,滿足最終的填埋要求,該配方適用于和本文類似的硅鋁含量占比大、液塑限范圍在16%～24%、相對(duì)密度在1.2左右且含水率為85%的廢棄盾構(gòu)泥漿絮凝脫水的實(shí)際工程.