紀文棟 ，張宇亭 ，顏容濤，王 歡 ，孟 毅

（1. 交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所 水工構(gòu)造物檢測診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點試驗室，天津 300456；2. 交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，天津 300456；3. 桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004）

1 引 言

在市政工程尤其是湖泊及城市河流的疏浚工程中會產(chǎn)生大量高含水率的淤泥，這種淤泥強度幾乎為零，具有含水率大于液限，呈現(xiàn)流態(tài)，含有重金屬及有機污染物等特點。隨著城市建設(shè)施工環(huán)境標準的提高，對這種污染土體的處理要求也越來越高。

后續(xù)不論采用何種方式處理此類淤泥，前期都會面臨著一個比較突出的問題，即淤泥的流動性非常高，難以成型，如果不進行預(yù)處理，堆放和運輸都會非常的不方便?，F(xiàn)在一般采用的措施是圍堰自然脫水和利用脫水設(shè)備進行機械脫水。圍堰自然脫水需要占用場地大，容易造成二次污染，效率也很低，所以在城市建設(shè)和疏浚工程中已經(jīng)基本棄用。機械脫水可以較快的進行脫水，但也存在噪音大，能源消耗大、濾帶和絮凝劑的消耗比較多的缺點。因此需要一種可以使得淤泥流動性能夠迅速降低的方法，從而實現(xiàn)淤泥的便利周轉(zhuǎn)和運輸。

對于淤泥的流動性，學(xué)者們開展了一系列的研究，丁建文等[1－2]做了相關(guān)研究，開展了高含水率疏浚淤泥固化過程中流動值改善的研究，發(fā)現(xiàn)以水泥為主體的固化材料添量和淤泥流動值有線性相關(guān)關(guān)系。顧歡達等[3－5]、李建望等[6]開展了通過調(diào)整淤泥的含水率，然后在摻入固化劑的基礎(chǔ)上使得淤泥保持一定的流動性，從而實現(xiàn)淤泥的回填或者回灌處理的研究。侯天順[7]研究了輕質(zhì)土流動性上下限含水率之間時的強度特性。朱偉等[8]根據(jù)以污泥、淤泥為主的各種泥狀物產(chǎn)量巨大，需要研究安全、高效處理方法的現(xiàn)狀，提出建立泥科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)的學(xué)科方向。

本次通過系列試驗驗證了應(yīng)用一種全新的材料-高吸水材料處理高含水率淤泥的可行性。高吸水材料可以在短時間內(nèi)吸收大量的水，使得淤泥中自由水含量迅速降低，從而實現(xiàn)淤泥的流動性降低，進而具備一定的可塑性，便于疏浚泥的堆放、運輸及下一步處理。

高吸水材料為發(fā)展迅速的樹脂材料，其典型特征為可以在短時間內(nèi)吸收自重數(shù)百倍的水分，并且無毒、無臭、無腐蝕性?，F(xiàn)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于農(nóng)林、防洪、醫(yī)用、化工等多個領(lǐng)域[9－12]，生產(chǎn)的技術(shù)手段已經(jīng)比較成熟，且根據(jù)不同的需求也已開發(fā)出了耐鹽、耐酸、可降解等不同特性的高吸水材料，可以滿足多領(lǐng)域的不同需求。

2 試驗原理與設(shè)備

2.1 試驗方法

在塑限和液限之間的土可以用液性指數(shù)來判定其軟硬狀態(tài)，當土的含水率大于液限的時候，土就處于流塑狀態(tài)了，此時液性指數(shù)就不再適用衡量土的軟硬狀態(tài)了，需要用流動值來表征淤泥的流動性。

本文對淤泥流動性的研究借鑒了混凝土和易性指標中流動性測試的思路，參照丁建文等[1]思路制作了流動性測試儀器，用于測試不同狀態(tài)下淤泥的流動值。由于國內(nèi)還沒有相關(guān)的測試規(guī)范，流動性測試儀器主要依照日本對淤泥流動性測試的儀器來制作，同時據(jù)日本相關(guān)規(guī)范的標準，依據(jù)流動值是否大于18 ±2 cm判斷淤泥流動固化的可行性，即當大于此值的時候淤泥就比較易于流動，因此本文就借鑒此臨界值，把小于18 cm當作淤泥是否具有一定可塑性，便于運輸、存放的界限。

2.2 試驗儀器

試驗儀器的示意圖如圖1所示。由兩個主要組件構(gòu)成，組件1為一個內(nèi)徑為80 mm、高度為80 mm的圓柱體，其內(nèi)壁光滑，組件2為一塊透明有機玻璃平板，上表面光滑，底面標有刻度，直接讀數(shù)。

圖1 試驗儀器Fig.1 Test instrument

3 試驗方案

3.1 試驗樣品及基本參數(shù)

本次研究所用的淤泥取自天津市濱海新區(qū)西中環(huán)快速路旁貫穿城區(qū)的一條河流清理出來的淤泥?，F(xiàn)場采集樣品時，此淤泥已經(jīng)經(jīng)過了較長時間的晾曬，呈現(xiàn)較為松散的狀態(tài)。土體中的污染物以重金屬離子和有機物為主，此地區(qū)曾為近海潮間帶，所以土體中鹽含量偏高。對土樣進行常規(guī)土工測試得到其基本物理指標見表1。

表1 試樣的物理指標Table 1 Physical indices of samples

3.2 試驗步驟

流動性測試的試驗步驟為：① 試驗儀器清洗干凈，并將待測淤泥試樣充分攪拌后灌注到組件1內(nèi)，將上表面抹平，清理組件1筒壁外側(cè)和組件2的平板上灑落的淤泥，如圖2（a）所示。② 迅速將組件1垂直向上提起，此時淤泥將會在組件2的平板上攤開，如圖2（b）所示。③根據(jù)組件2的刻度讀出淤泥向4個方向流動的距離，把4個值進行平均就得到了淤泥的流動值。

圖2 試驗步驟Fig.2 Test procedure

4 不同添加量的試驗結(jié)果

4.1 含水率對流動值的影響

大于液限的淤泥可當做流體來看待，其流動性是流體運動黏度的一種體現(xiàn)。流體本身性質(zhì)的差異，導(dǎo)致其運動黏度的影響因素也不一致?，F(xiàn)在對淤泥流動性影響因素的研究成果并不是很多，根據(jù)工程經(jīng)驗及淤泥液塑限的控制因素推斷，含水率為影響淤泥流動性的一個重要因素。

表2 不同含水率試樣方案Table 2 Test scheme of different moisture contents

根據(jù)工程中遇到的實際情況，制備了不同含水率的淤泥試樣，分別測定了其流動值。制備的樣品信息見表2，試驗測試的結(jié)果如圖3所示。

圖3 含水率與流動值關(guān)系Fig.3 Relationship between flow value and moisture content

由試驗結(jié)果可以看出，隨著含水率的增加，淤泥的流動值也在逐漸增加，對于此種類型的淤泥，在所測試的含水率范圍內(nèi)，其流動性和含水率的關(guān)系大致可以用一元二次函數(shù)來表征，根據(jù)實測數(shù)據(jù)點擬合出來的曲線表達式為

此曲線擬合優(yōu)度可以達到0.999 81，說明此淤泥在試驗所測含水率的范圍內(nèi)，流動值和含水率之間的關(guān)系非常符合式（1）所表達的關(guān)系，可由含水率直接求得流動值的大小。

土中的水分為礦物成分水和土孔隙中的水，土孔隙中的水又進一步分為結(jié)合水和自由水。礦物成分水一般歸屬于土的固相成分中，在工程中不會考慮它對土體性質(zhì)的影響。在此次試驗中，土中結(jié)合水的含量是一定的，變化的只是土孔隙水中的自由水。因此是土中自由水含量的不同導(dǎo)致了淤泥流動性的不同。

4.2 不同添加量的影響

實際工程中處理的淤泥沉積穩(wěn)定后的含水率一般在2.0～3.0倍液限之間[4]，考慮到沉積不充分的情況下含水率還會增高，本次試驗所進行的試樣含水率從2.3倍液限開始，直至3.8倍的液限。對不同含水率的試樣分別按照試樣質(zhì)量的1%、2%、3%質(zhì)量百分比添加高吸水材料，試驗安排見表 3。試驗過程中，當發(fā)現(xiàn)某一摻入量已經(jīng)使淤泥流動值降低到比較低的程度，便不再進行下一級添加量的試驗，對應(yīng)于表中標注為“-”的試驗項。

表3 不同添加量的試驗方案Table 3 Test scheme of different addition values

由圖4的試驗結(jié)果及圖5的試驗照片可知，高吸水材料對于改善淤泥流動性有非常明顯的效果，對于 75.0%和 87.5%含水率的試樣，僅僅需要添加相當于試樣總質(zhì)量 1%的高吸水材料，便可以使得淤泥的流動性降低到18 cm的參考值以下；2%比例的高吸水材料添加量就可以滿足處理3.4倍液限以下含水率的需要；對于最高的125%含水率的試樣，3%質(zhì)量百分比的添加量便可以使得淤泥的流動性降低到非常低的水平。處理后淤泥試樣可以直立于桌面上，見圖 5。對于達到此種流動程度的淤泥，已經(jīng)完全可以運用傳統(tǒng)的處理工藝和機械來進行挖掘、堆放和運輸，可以極大的提高淤泥處理的效率和便利性。

圖4 添加量與流動值關(guān)系Fig.4 Relationships between flow value and addition value

圖5 125%含水率的試驗圖片F(xiàn)ig.5 Photographs of samples with a moisture content of 125%

由前述試驗結(jié)果可知，淤泥中自由水的含量對淤泥流動性有直接的影響，本次試驗所用的高吸水材料可以吸收自身重量幾百倍的水，加入到淤泥中后大量的自由水被高吸水材料吸收變成了結(jié)合水，淤泥中的自由水含量降低使得淤泥的流動性下降，這就是利用高吸水材料降低淤泥流動性的機理。

4.3 處理效果的定量分析

將不同含水率淤泥在添加高吸水材料后的流動性測試結(jié)果進行對比，如圖6所示。從圖中可以看出，添加一定比例的高吸水材料后，流動值依然隨著含水率的增大而增大，但是，在不同含水率下淤泥流動值的減小量是明顯不同的。為了定量地分析高吸水材料的改善效果，在此引入“凈流動值”參數(shù)：

式中：fn為凈流動值；f為所測得的流動值；d為淤泥試樣的初始直徑。

圖6 不同含水率淤泥的流動值降低Fig.6 Flow values reduction under different moisture contents

本次試驗所用的測試容器的直徑為80 mm，所以式（2）中d統(tǒng)一取值80 mm。凈流動值消除了淤泥流動初始值的影響，可以更為準確地反映淤泥的流動擴散性能。

表4 凈流動值降低比例Table 4 Decrease amplitudes of net flow values

將不同含水率淤泥在不同添加量下凈流動值的降低程度進行了對比，結(jié)果見表 4。可以看到在添加 1%比例的高吸水材料后，不同含水率淤泥的凈流動值都降低到原先值 50%左右的水平，添加 2%比例的高吸水材料后，除已經(jīng)可以直立于桌面上的試樣（初始含水率為75%、87.5%），其他試樣凈流動值降低到原先值25%左右的水平。

試驗結(jié)果表明，在添加一定比例的高吸水材料后，流動充分的淤泥其凈流動值降低比例是基本保持一致的，并不會因為淤泥的初始含水率不同而改變。工程實際應(yīng)用中可以通過已知的某含水率下添加高吸水材料后淤泥凈流動性的降低比例來預(yù)測同類淤泥其它含水率條件下的凈流動值，從而預(yù)測高吸水材料的流動改善效果。

5 處理效果與時間的關(guān)系

淤泥流動性的降低效果的時間相關(guān)性是工程應(yīng)用必須面對的問題，在添加高吸水材料后，淤泥的流動值需要多長時間便降低至較為穩(wěn)定的階段，即高吸水材料改善淤泥流動性的時間效率問題，這將直接關(guān)系到此方法的工程實用性。

表5 短時間試驗方案Table 5 Test scheme in a short time

制備初始含水率為 100%的淤泥試樣，添加1.5%質(zhì)量百分比的高吸水材料。在未添加高吸水材料的時刻標記為 0點，將高吸水材料撒到淤泥表面，然后每攪拌2 min測定一次流動值。試樣方案見表5，試驗結(jié)果如圖7所示。由圖中可以看出，添加吸水材料后，攪拌2 min后流動值已經(jīng)由33.1降低到19.3，在很短時間內(nèi)可以實現(xiàn)顯著的降低。在此基礎(chǔ)上繼續(xù)攪拌 2 min，流動值略有降低，再繼續(xù)攪拌，流動值不再持續(xù)降低，反而略有上升。

圖7 短時間內(nèi)流動性變化Fig.7 Flow value variation in a short time

根據(jù)試驗的現(xiàn)場觀測，當在淤泥中添加高吸水材料后吸水材料會優(yōu)先吸收其周圍的水分，使得淤泥中局部自由水含量迅速降低，而在淤泥中出現(xiàn)一些明顯的團塊。攪拌時間較短時，這些團塊中聚集的高吸水材料還沒有充分的打散，正是因為這些團塊的存在，使得淤泥的流動擴散受到了限制。這就是加入高吸水材料后，在攪拌并不充分的情況下淤泥的流動性依然有較大改善的原因。如果再繼續(xù)攪拌，高吸水材料最終將會均勻的分布到淤泥中，前期聚集的團塊也消失不見，由于淤泥比較均質(zhì)，其流動性反而略有上升，圖8為不同攪拌時間后的試驗圖片。試驗結(jié)果表明，攪拌時間及攪拌的強度對高吸水材料效果的發(fā)揮并不是一個重要的影響因素，即使是攪拌時間短、強度低，也可以使得淤泥的流動值有顯著的降低。高吸水材料的這種特性對于工程應(yīng)用是十分有幫助的，不但可以顯著降低時間損耗，還可以降低工程工作量，節(jié)省工程費用。

圖8 不同攪拌時間試驗圖片F(xiàn)ig.8 Photos taken at different times

6 結(jié) 論

（1）淤泥的流動性與其含水率有直接的關(guān)系，對本次試驗的淤泥，通過對流動值和含水率數(shù)據(jù)進行曲線擬合發(fā)現(xiàn)兩者成二次函數(shù)關(guān)系。

（2）通過添加較少量的高吸水材料就可以使淤泥的流動性迅速降低，添加原泥質(zhì)量 1%的高吸水材料就可以使 87.5%以下含水率的淤泥流動值降低到參考標準值以下，87.5%～112.5%含水率淤泥僅需2%添加量，對125%的高含水率，3%的添加量足可以使得淤泥直立于桌面。

（3）凈流動值可以定量地分析流動性的改善效果，添加一定比例的高吸水材料后淤泥的凈流動值降低比例是基本保持一致的，并不會因為淤泥的初始含水率不同而改變。

（4）添加高吸水材料后攪拌2 min就可以使得淤泥流動值有明顯的改善，并接近最優(yōu)情況，攪拌的持續(xù)時間和強度對其改善淤泥流動性并無明顯影響，可以有效地降低工作耗時和工作強度，對工程應(yīng)用非常有利。

[1] 丁建文, 洪振舜, 劉松玉. 疏浚淤泥流動固化處理與流動性試驗研究[J]. 巖土力學(xué), 2011, 32(增刊 1): 280－284.DENG Jian-wen, HONG Zhen-shun, LIU Song-yu. Study on flow-solidification method and fluidity test of dredged clays[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(Suup.1):280－284.

[2] 丁建文, 張帥, 洪振舜. 高含水率疏浚淤泥流動固化處理試驗研究[J]. 水運工程, 2009, 25(6): 30－34.DING Jian-wen, ZHANG Shai, HONG Zhen-shun.Experimental study on solidification in flowing state of dredged clay with water content[J]. Port & Waterway Engineering, 2009, 25(6): 30－34.

[3] 顧歡達, 顧熙. 河道淤泥的有效利用方式及其物性探討[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報, 2002, 22(4): 454－458.GU Huan-da, GU Xi. The approach to effective utilization of river sludge and engineering properties[J].Acta Scientiae Circumstantiae, 2002, 22(4): 454－458

[4] 顧歡達, 陳甦. 河道淤泥的流動化處理及其工程性質(zhì)的試驗研究[J]. 巖土工程學(xué)報, 2002, 24(1): 108－111.GU Huan-da, CHEN Su. Engineering properties of river sludge and its stabilization[J]. Chiese Journal of Geotechnical Engineering, 2002, 24(1): 108－111.

[5] 顧歡達, 顧熙. 河道淤泥的輕質(zhì)化處理及其工程性質(zhì)[J]. 環(huán)境科學(xué)與技術(shù), 2010, 33(9): 63－66.GU Huan-da, GU Xi. Air foamed lightweight soil with river sludge and its engineering properties[J].Environmental Science & Technology, 2010, 33(9): 63－66.

[6] 李建望, 頤歡達. 流動化處理河道淤泥的填充性試驗研究[J]. 福建建筑, 2009, 27(4): 109－112.LI Jian-wang, GU Huan-da. The experimental research for river sludge which was treated by liquefied stabilization method[J]. Fujian Jianzhu, 2009, 27(4):109－112.

[7] 侯天順. 特征含水率對輕量土基本性質(zhì)的影響規(guī)律[J].巖土力學(xué), 2012, 33(9): 2581－2587.HOU Tian-shun. Influence law of characteristic water content on basic properties of light weight soil[J]. Rock and Soil Mechanics, 2012, 33(9): 2581－2587.

[8] 朱偉, 閔凡路, 呂一彥, 等. “泥科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)”的提出及研究進展[J]. 巖土力學(xué), 2013, 34(11): 3041－3054.ZHU Wei, MIN Fan-lu, LU Yi-yan, et al. Subject of "mud science and application Technology "and its research progress[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(11):3041－3054.

[9] 邵水源, 涂亮亮, 鄧光榮, 等. 復(fù)合型耐鹽高吸水性樹脂的制備[J]. 化工新型材料, 2009, 37 (5): 22－24.SHAO Shui-yuan, TU Liang-liang, DENG Guang-rong,et al. Preparation of composite salt-tolerant super absorbent resin[J]. New Chemical Materials, 2009,37(5): 22－24.

[10] 杜建軍, 王新愛, 廖宗文, 等. 不同肥料對高吸水性樹脂吸水倍率的影響及養(yǎng)分吸持研究[J]. 水土保持學(xué)報,2005, 19(4): 27－31.DU Jian-Jun, WANG Xin-Ai, LIAO Zong-wen. Effects of chemical fertilizers on water absorbent rate of super absorbent polymers and pheir adsorption and fixation[J].Journal of Soil and Water Conservation, 2005, 19(4):27－31.

[11] 李仲謹, 李小燕, 郭焱. 農(nóng)用高吸水性樹脂及其研究進展[J]. 高分子材料科學(xué)與工程, 2006, 22(3): 16－20.LI Zhong-jin, LI Xiao-yan, GUO Yan. Agricultural super absorebent polymers and their developments[J]. Polymer Materials Science and Engineering, 2006, 22(3): 16－20.

[12] 馬新偉, 李學(xué)英, 焦賀軍. 超強吸水聚合物在砂漿與混凝土中的應(yīng)用研究[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報, 2009, 31(2):33－36.MA Xin-wei, LI Xue-ying, JIAO He-jun. Experimental research on utilization of super absorbent polymer in cement mortar and concrete[J]. Journal of Wuhan University of Technology, 2009, 31(2): 33－36.