馬 強(qiáng)，門 本

（四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司大橋工程分公司，四川 成都 610015）

0 引言

隨著 “十四五” 規(guī)劃的逐步開展，中國城市化進(jìn)程越來越快，以橋梁、城市地鐵、高速公路及隧道等為主的基礎(chǔ)建設(shè)也呈穩(wěn)步上升的狀態(tài)。同時(shí)，隨著低碳環(huán)保理念的大力推進(jìn)，工程建設(shè)中的環(huán)保要求也在逐步提高。其中對工程廢棄泥漿的處治是一項(xiàng)對環(huán)境保護(hù)影響顯著的工作。

工程廢棄泥漿是各種工程中常見的一類廢棄物。我國每年建筑泥漿的產(chǎn)生量可達(dá)到數(shù)億立方米，2015年上海工程泥漿申報(bào)總量達(dá)620萬t，南京每年就能夠產(chǎn)生1 000多萬立方米［1-2］。以上海某工程項(xiàng)目［3］為例，該工程總占地面積為26 144 m2，分地上與地下兩部分，在整個(gè)樁基施工過程中產(chǎn)生的泥漿量約為10 060 m3；武漢某工程［4］項(xiàng)目數(shù)據(jù)顯示，該工程總基底面積約45 808 m2，基坑總面積約31 268 m2，整個(gè)基坑開挖深度5.55 m～17.75 m，其中地下連續(xù)墻和樁基施工將產(chǎn)生大約70 000 m3廢棄泥漿；廈門某隧道工程［5］采用盾構(gòu)法施工，長度893.4 m，線路埋深15.2 m～16.4 m，掘土體積1 010 m3，盾構(gòu)出漿量約為2 021 m3～3 032 m3。巨大的廢棄泥漿量已經(jīng)嚴(yán)重的影響生態(tài)環(huán)境，對環(huán)境造成嚴(yán)重的危害。

以鉆井泥漿為例，在油井鉆進(jìn)的過程中產(chǎn)生大量的污染物中最具破壞性的即廢棄泥漿。2002年危險(xiǎn)廢物調(diào)查中鉆井泥漿已被列為危險(xiǎn)廢物［6］。原因在于廢棄泥漿中銅、鋅、鎳等多種元素及毒性較強(qiáng)的物質(zhì)多，且各類聚合物的pH值較高，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞；一旦廢棄泥漿排入水體中，會(huì)嚴(yán)重破壞水質(zhì)、影響水生動(dòng)植物的生長。不僅如此，部分物質(zhì)還會(huì)以離子的形式存在于環(huán)境中，有使人類及其他動(dòng)物的生命健康受到嚴(yán)重威脅的可能性［7-8］。

廢棄泥漿中黏土類礦物的同晶置換通常會(huì)導(dǎo)致微粒帶負(fù)電荷，進(jìn)而形成雙電層，雙電層中吸附層與擴(kuò)散層之間的電位差稱為ζ電位。李沖等［9］的研究中表明在泥漿初始pH值（7.2～8.8）下，其ζ電位在-12.686 mV～-17.545 mV范圍內(nèi)波動(dòng)。通常電位差愈大，黏土微粒周圍的水化膜愈厚，微粒之間愈不易因碰撞而粘結(jié)，使廢棄泥漿難以脫穩(wěn)和沉降。

目前廢棄泥漿處治方法缺乏及時(shí)性與高效性，因此，廢棄泥漿的規(guī)范處理和資源化利用已成為工程界迫切關(guān)注的一個(gè)問題。開發(fā)一種高效率、低耗能且環(huán)保的廢棄泥漿處理方法已刻不容緩。本文通過對工程泥漿進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)查研究，分析泥漿的不同處治方法，提出了利用水凝膠特殊的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)處理廢棄泥漿的方法。

1 廢棄工程泥漿的研究

泥漿是一種由水、膨潤土顆粒、黏性土顆粒以及外加劑組成的一種懸濁體系，通常由膨潤土或黏性土與水配制而成。一般的工程泥漿中，固體顆粒占20%～30%體積分?jǐn)?shù)，分散在70%～80%的水中。泥漿作為一種工程輔助施工材料，被廣泛運(yùn)用于鉆孔灌注樁施工、盾構(gòu)施工和地下連續(xù)墻施工等工程中，主要承擔(dān)護(hù)壁、排渣、冷卻、清孔等作用［10］。在施工過程中，開鑿工具切削巖石的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量鉆屑，最終沉積在工程泥漿中。該現(xiàn)象的存在導(dǎo)致經(jīng)使用工程泥漿的成分特征發(fā)生較大改變，導(dǎo)致其性能無法滿足施工使用要求，只能進(jìn)行廢棄處理。一般來說不同工程施工產(chǎn)生的廢棄泥漿的性能特征相對存在差異。

1.1 樁基泥漿

樁基泥漿可以根據(jù)實(shí)際工程情況分為鉆孔灌注樁基泥漿和地下連續(xù)墻泥漿，泥漿的成分以黏土和水為主，同時(shí)含有大量礦物。樁基泥漿因配制過程中不添加有毒有害試劑，且在施工過程中也不改變泥漿的理化性質(zhì)，導(dǎo)致該種泥漿有成分污染物單一、處理難度相對較小等特點(diǎn)。樁基工程的廢棄泥漿數(shù)量通常與鉆孔直徑、鉆孔深度以及處理方式等有關(guān)，一般為成孔體積的3倍～5倍，是一種常見的工程泥漿。通常，該種泥漿具有一定黏度，呈現(xiàn)較穩(wěn)定的分散系狀態(tài)，同時(shí)具有膠體和懸浮體的性質(zhì)，很難自然沉降［11］。

以深圳［12］某工程所使用的工程泥漿為例，該工程所使用的泥漿的理化特性如表1所示。該工程所使用的泥漿呈堿性，相對密度略高于水，膠體率高；且由于其黏度相對較大，自然沉降的速度較慢，如果采用自然沉降的方式進(jìn)行處理則需要大量時(shí)間。泥漿的粒徑分布如圖1所示，泥漿中固體顆粒粒徑在1μm～100μm范圍進(jìn)行分布，且約占總體積的85%；其中粒徑約15μm的顆粒含量所占體積比最大。理論上泥漿中粒徑大于15μm的顆?？梢圆扇∽匀怀恋淼姆绞綄δ嗨M(jìn)行分離加速泥漿的處治，但當(dāng)固體顆粒粒徑小于15μm時(shí)，由于其分散性優(yōu)于尺寸較大的顆粒、較難通過自然靜置的方法分離。所以，由于該工程所使用的泥漿中粒徑小于15μm的固體顆粒體積占比達(dá)到了40%，故而選擇自然沉淀的方法很難在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到水泥分離的效果。

表1 深圳某工程泥漿理化特性

圖1 深圳某工程泥漿的粒徑分布

1.2 盾構(gòu)泥漿

盾構(gòu)泥漿是在隧道工程中使用泥水平衡盾構(gòu)法進(jìn)行施工時(shí)產(chǎn)生的一種工程泥漿。該種泥漿具有黏性大、有機(jī)質(zhì)含量較少、含有添加劑、產(chǎn)量大等特點(diǎn)。泥水盾構(gòu)的出漿量一般為隧道挖土體積的2倍～3倍［13-15］。盾構(gòu)穿越的主要地層為雜填土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、細(xì)砂、粗砂、卵石土等，其中粉質(zhì)黏土層中細(xì)顆粒占比較多，也是盾構(gòu)泥漿中存在的固體顆粒的構(gòu)成部分。

以廈門軌道交通1號線一期工程的蓮坂站—蓮花路口站區(qū)間施工現(xiàn)場沉淀池底部泥漿為例。該工程中所使用的泥漿經(jīng)MS3000型激光衍射法粒度分析儀檢測發(fā)現(xiàn)，泥漿的土粒組成如圖2所示（數(shù)據(jù)為累計(jì)占比）。與樁基泥漿相似，該工程所使用的盾構(gòu)泥漿中含有的固體顆粒的粒徑在1μm～100μm區(qū)間分布。不過，泥漿在1μm～100μm范圍內(nèi)各粒徑顆粒含量幾乎呈等量分布。固體顆粒主要由黏粒、粉粒和細(xì)砂組成，無中砂及以上粒徑顆粒。表2為泥漿原樣的物理化學(xué)性質(zhì)，從表2數(shù)據(jù)可知盾構(gòu)泥漿的密度及pH值與樁基泥漿相近，但其含水率遠(yuǎn)低于樁基泥漿，導(dǎo)致泥漿所呈現(xiàn)出的狀態(tài)為流動(dòng)性差。此外，該工程所使用的盾構(gòu)泥漿的有機(jī)質(zhì)含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）約為7%，為有機(jī)質(zhì)土。

圖2 泥漿粒度成分累計(jì)分布曲線

表2 泥漿物理化學(xué)性質(zhì)

1.3 鉆井泥漿

鉆井泥漿是鉆井工程中以潤滑冷卻鉆頭、平衡井下壓力所制備使用的一種工程泥漿。鉆井泥漿多以膨脹土、鹽水黏土及多種化學(xué)處理劑等為主要成分經(jīng)混合形成泥狀物質(zhì)［16］。一般，可根據(jù)泥漿的分散介質(zhì)將鉆井泥漿分為水基、油基、氣基三種不同的類型。其組成較為復(fù)雜，除了油、水等基本分散介質(zhì)外，還包括活性劑與處理劑。漿體呈黏稠流體狀態(tài)，含有的固體顆粒具有粒徑小、級配差、黏度大、含水率高且不易脫水等特點(diǎn)，是一種典型的黏稠狀膠體。

鉆井工程廢棄泥漿的含油量較高，部分井含油量在10%以上；同時(shí)，鉆井液處理劑和鉆井材料的存在導(dǎo)致泥漿中有一定量的有毒有機(jī)物和無機(jī)污染物，多以聚合物、重金屬及其他雜質(zhì)存在。

盤錦某油田廢棄泥漿有害物質(zhì)含量如表3所示，可見廢棄的鉆井泥漿中含鉛、鉻等有害物質(zhì)，且含量相對較大，整體泥漿呈現(xiàn)強(qiáng)堿性。鉆井泥漿的pH值普遍較高，一般為8.15～9.10，最高可達(dá)12。

表3 盤錦某油田廢棄泥漿有害成分

2 廢棄工程泥漿處治方法

廢棄工程泥漿的規(guī)范處理和資源化利用逐漸成為工程行業(yè)密切關(guān)注的一個(gè)問題。尋找一種高效率、低耗能且環(huán)保的廢棄泥漿處理方法已刻不容緩。關(guān)于泥漿的處治多采用下述六種方法進(jìn)行，不同工程情況所適合的方法有所不同。

2.1 土地耕作法

土地耕作法是一種利用工程機(jī)械將廢棄的泥漿均勻撒布在土壤表面，利用微生物吸收、利用泥漿中有害物質(zhì)進(jìn)而降解泥漿的方法。當(dāng)工程周邊有豐富的土壤場地資源，且土壤結(jié)構(gòu)適合土地耕作法時(shí)，可采用該種方法。土地耕作法具有易于操作、處理周期短和經(jīng)濟(jì)實(shí)惠等特點(diǎn)。不過，廢棄泥漿中的各種處理劑的生物毒性有引起微生物的死亡的可能性，或?qū)е挛⑸锵馑俣葴p緩甚至停止消解。此外，該方法受土壤結(jié)構(gòu)的影響相對較大，當(dāng)所選土壤的吸附能力較差時(shí)，微生物未能完全對泥漿中的有毒有害物質(zhì)進(jìn)行消解時(shí)廢棄泥漿就滲透到地下，可能造成地下水污染。同時(shí)，泥漿的撒布量可顯著影響其處治效率及周邊環(huán)境，當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)泥漿的撒布量多則容易發(fā)生降低土壤滲透性、導(dǎo)致土地板結(jié)和鹽堿化的現(xiàn)象。

2.2 沉淀法

沉淀法通常可分為自然沉淀法和化學(xué)絮凝沉淀法兩種。

自然沉淀法是一種通過在低洼地或簡易沉淀池存放廢棄泥漿進(jìn)行自然沉淀最后起到分層回收泥漿的方法。自然沉淀法由于沒有使用化學(xué)制劑對泥漿進(jìn)行加速分層處理，故其沉淀的速度受泥漿的理化性質(zhì)影響較大。所處理的泥漿膠體穩(wěn)定性較大時(shí)，通常實(shí)現(xiàn)固液分離所花費(fèi)的沉淀周期相對較長，且效果無法保證。同時(shí)，在沉淀過程中受自然環(huán)境、天氣變化的影響較大，一旦遇到降雨就有泥漿外溢、污染周邊環(huán)境的可能性。

在自然沉淀法的基礎(chǔ)上，針對其處理周期長占地面積大等缺點(diǎn)，研究者們提出了化學(xué)絮凝沉淀法。

通過向泥漿中加入絮凝劑，可以破壞泥漿體系的化學(xué)穩(wěn)定性，從而改變泥漿體系的物理、化學(xué)性質(zhì)使其更容易進(jìn)行分層?；瘜W(xué)絮凝沉淀法通過改變廢棄泥漿中黏土顆粒表面的物理性質(zhì)，讓微小尺寸的固體顆粒產(chǎn)生聚結(jié)、加速其沉淀的過程，產(chǎn)生水與固相顆?？焖俜蛛x的效果。通常，與自然沉淀法相比化學(xué)絮凝沉淀法分離得到的底泥含水率更低，更加利于后續(xù)處理工作。不過，該方法有操作較麻煩、處理成本較高等缺點(diǎn)，在采用化學(xué)絮凝沉淀法時(shí)需合理選擇絮凝劑、精確計(jì)算藥品摻量，才可能在保證絮凝劑無毒或低毒性的前提下以較高效率進(jìn)行泥漿的沉淀工作。

2.3 化學(xué)固化法

化學(xué)固化法是通過向廢棄泥漿加入固化劑，使其轉(zhuǎn)化成類似土壤或膠結(jié)強(qiáng)度很大的固體的方法。一般能較迅速地處理大量泥漿，但處理成本較高，后期處置復(fù)雜，適合污染物成分復(fù)雜且含量高的泥漿，常用于油田鉆井泥漿及化工廠泥漿的處理中。

2.4 直接排放法

直接排放法即將廢棄泥漿運(yùn)至指定地點(diǎn)，直接廢棄或簡單填埋。該方法操作簡單，無特殊技術(shù)要求，但存在運(yùn)輸成本高、選購廢棄場地花費(fèi)高、容易造成環(huán)境污染、不能回收利用等缺點(diǎn)，已逐漸減少或被禁止使用。

2.5 注入安全地層或環(huán)形空間法

注入安全地層或環(huán)形空間法通常用于處理高毒性的廢棄泥漿，如油基和水基廢泥。一般通過注入的方式將廢棄泥漿灌注于深度大于600 m的非滲透地層或鉆孔環(huán)形空間中。

不過，由于該種方法相對特殊，可能會(huì)導(dǎo)致周圍水體的污染且對施工水平有較高要求，一旦施工不當(dāng)容易導(dǎo)致地下水或油氣貯藏的污染。故而該法的使用在較多國家受到限制。

2.6 MTC轉(zhuǎn)化技術(shù)

MTC轉(zhuǎn)化技術(shù)［17-18］于20世紀(jì)90年代被提出，是美國為了改變鉆井和固井作業(yè)方法而發(fā)明的一種方法。通過在鉆井液中加入水淬高爐礦渣、激活劑等材料，使其轉(zhuǎn)變?yōu)闈M足固井性能的水泥漿進(jìn)行再利用。但該方法僅限使用于鉆井泥漿的處理中，應(yīng)用于其他廢棄泥漿的處理上還需考慮。

上述幾種處理方法是目前常用的方法，根據(jù)施工工程類型、廢棄泥漿的性能特征和產(chǎn)量、施工現(xiàn)場的環(huán)境敏感性及其要求、水文、氣象、土壤條件等條件選擇合適的處理方法。不過這些方法存在一些缺點(diǎn)，不能夠完全滿足對廢棄的泥漿高效率、低能耗、低費(fèi)用的處理要求，以及實(shí)現(xiàn)泥漿處理的污染零排放和泥漿處理產(chǎn)物的再利用。從不同的角度出發(fā)，追求更好處理手段，本文提出利用水凝膠特殊的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)處理廢棄泥漿的方法。

3 水凝膠軟固化廢棄工程泥漿

3.1 水凝膠

水凝膠是一種能在水中溶脹并保持大量水分且不被溶解的交聯(lián)聚合物，具有高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系，可以保持一定形狀。通過聚合物的溶脹可以保持較高的含水量，含水量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）可達(dá)99%以上，具有介于固體和液體之間的性質(zhì)，使得水凝膠有廣闊應(yīng)用場景［19］。

水凝膠有一定力學(xué)強(qiáng)度，主要由凝膠的交聯(lián)構(gòu)成。通過增加交聯(lián)劑的用量，可提高交聯(lián)密度、改善凝膠強(qiáng)度。不過，水凝膠的溶脹行為與其力學(xué)性能成反比例關(guān)系，提高強(qiáng)度的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致溶脹度降低，所以針對不同的使用要求需選擇相符的水凝膠。

3.2 水凝膠的體系

水凝膠根據(jù)其使用的基礎(chǔ)材料及對應(yīng)的交聯(lián)劑的不同，可分為多種不同的體系。例如可以使用聚丙烯酸構(gòu)成聚丙烯酸類水凝膠。

聚丙烯酸是一種性能特異的水溶性有機(jī)高分子，在高溫或長期光照下，低分子量的聚丙烯酸能進(jìn)行再聚，使其分子量繼續(xù)增加，黏度也隨之增大。

聚丙烯酸類水凝膠中含有大量羧基親水基，是典型的pH敏感型水凝膠。聚丙烯酸體系水凝膠在農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域上有較廣泛的應(yīng)用［20-21］，常見產(chǎn)品有退熱貼、水凝膠微球等。

也可使用殼聚糖形成水凝膠。殼聚糖是一種線形多糖，是一種陽離子聚電解質(zhì)，廣泛存在于節(jié)肢動(dòng)物和軟體動(dòng)物的甲殼、低等植物藻類等生物中，具有良好的生物相容性、刺激響應(yīng)性和可降解性，且不易導(dǎo)致免疫反應(yīng)，故殼聚糖基水凝膠常被用于醫(yī)藥領(lǐng)域。

海藻酸鈉也可形成水凝膠。海藻酸鈉是由β-D-甘露糖醛酸和α-L-古洛糖醛酸組成的線型聚合物，每個(gè)糖醛酸單元上含有一個(gè)羧基。因此，海藻酸鈉在中性或堿性條件下呈現(xiàn)聚陰離子電解質(zhì)的性質(zhì)，當(dāng)有Ca2+，Sr2+等陽離子存在時(shí)，可發(fā)生離子交換反應(yīng)形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

此外，還有纖維素基水凝膠等多種不同特性的水凝膠。

3.3 水凝膠的交聯(lián)

水凝膠的交聯(lián)形式通常有物理交聯(lián)、化學(xué)交聯(lián)和輻射交聯(lián)三種。

物理交聯(lián)是通過靜電作用、離子相互作用、氫鍵作用等物理作用形成凝膠。物理交聯(lián)水凝膠在形成水凝膠前以大分子溶液的狀態(tài)存在，當(dāng)溫度、pH值等外部條件發(fā)生變化時(shí)，析出分散介質(zhì)交聯(lián)形成凝膠。

化學(xué)交聯(lián)主要是采用光、熱、機(jī)械力、超聲波等手段通過加入交聯(lián)劑將鏈狀大分子的化學(xué)鍵聯(lián)結(jié)起來，形成網(wǎng)狀或體形結(jié)構(gòu)高分子。交聯(lián)劑在該過程中作為起架橋分布在線型分子間，使多個(gè)線型分子相互鍵合交聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)、調(diào)節(jié)聚合物分子鏈間共價(jià)鍵或離子鍵形成。由化學(xué)鍵交聯(lián)能形成永久性的三維網(wǎng)絡(luò)聚合物［22-24］。

輻射交聯(lián)是一種利用各種輻射引發(fā)聚合物高分子長鏈之間的交聯(lián)反應(yīng)的方法。通常選擇紫外光、γ射線進(jìn)行照射單體或單體溶液，使其產(chǎn)生主鏈線性分子的聚合，再引發(fā)鏈狀高分子聚合物交聯(lián)形成水凝膠。與需使用交聯(lián)劑的化學(xué)交聯(lián)相比，輻射交聯(lián)有反應(yīng)條件溫和、不需交聯(lián)劑產(chǎn)物純凈、工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，更加適用于醫(yī)學(xué)材料領(lǐng)域。

4 結(jié)語

本文通過對不同工程泥漿進(jìn)行了文獻(xiàn)綜述，分別闡述了不同泥漿的特點(diǎn)，并總結(jié)分析了不同種類的泥漿處治方法，最終提出采用水凝膠固化泥漿的方法。通過對水凝膠體系的研究分析，本文認(rèn)為通過使用水凝膠固化泥漿具有一定可能性，不過需要針對具體使用條件選擇合理的水凝膠體系以及交聯(lián)方法，需進(jìn)一步試驗(yàn)研究。