劉龍武，周斌，2，寧澤宇

（1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.湖南省勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

近些年，隨著我國(guó)大力發(fā)展基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，吹填工程產(chǎn)生的吹填泥漿日益增多，泥漿處理成了工程處置的一大難題。傳統(tǒng)做法是先將泥漿置于堆場(chǎng)自然風(fēng)干（這需要占用大量場(chǎng)地長(zhǎng)達(dá)2～3年的時(shí)間才能形成表面的硬殼層），再進(jìn)行真空預(yù)壓處理。但由于吹填泥漿的滲透性差、含水量高、排水固結(jié)速度慢、抗剪強(qiáng)度低。未經(jīng)處置的泥漿不能直接棄置或用作填土。但該方法過長(zhǎng)的工期常常難以滿足工程建設(shè)的需求，且該方法不適宜多雨地區(qū)。

目前，泥漿處理方法主要有化學(xué)絮凝，真空預(yù)壓和機(jī)械脫水等［1］。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)研究。詹良通［2］等人使用堆載真空預(yù)壓工藝，在30 d內(nèi)將泥漿的含水率從450%降到95%，但仍遠(yuǎn)達(dá)不到工程的需求。張呂林等人［3］研究了通過化學(xué)絮凝劑的方法來解決泥漿處理的問題，將陰離子型聚丙烯酰胺（apam aninoic polycrylamide，簡(jiǎn)稱為APAM）加入泥漿中，最終泥漿含水率從500%降到200%，只花費(fèi)了1 d的時(shí)間，效果顯著，但處理后200%的泥漿含水率依然遠(yuǎn)未達(dá)到工程需求。

因此，單一的真空預(yù)壓和絮凝沉降泥漿的處理方法均難以滿足工程需要，必須研究一種綜合處理的新方法提高泥漿處理效率。

本研究綜合了各泥漿處理方法，提出了絮凝-真空預(yù)壓-二次摻灰改性聯(lián)合處理方法，并進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用泥漿取自湘江長(zhǎng)沙段淤泥，其天然含水率約為120%，泥漿含砂量較高，且含微量有機(jī)質(zhì)，根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50123-2019）測(cè)得其物理性質(zhì)指標(biāo)，具體為：濕密度1.18 g/cm3、塑限21.3%、液限52.5%、黏粒含量38.7%、粉粒含量48.5%、砂含量12.8%。

1.1 絮凝劑的選擇

泥漿是膠體分散體系，具有一定的化學(xué)穩(wěn)定性，其土顆粒主要是黏粒和粉粒，自然沉降速度緩慢。通過加入化學(xué)絮凝劑，可破壞泥漿體系中的化學(xué)穩(wěn)定性，促使水與固體顆粒分離，達(dá)到泥漿輕量化和干化的目的。各類泥漿由于組成成分差異較大，物理化學(xué)性質(zhì)差異較大，盲目地使用絮凝劑不僅處理效果不佳，還會(huì)造成環(huán)境污染等問題。因此，選擇有針對(duì)性的絮凝劑既能達(dá)到最佳效果，又可節(jié)約資源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境。絮凝劑分為無(wú)機(jī)試劑和有機(jī)試劑兩種，常見絮凝劑有：生石灰、石膏、聚合氯化鋁（polyaluminum chloride，簡(jiǎn)稱為PAC）、聚合硫酸鋁（polyaluminum sulfate，簡(jiǎn)稱為PAS）、聚合氯化鐵（polymeric ferric chloride，簡(jiǎn)稱為PFC）和聚丙烯酰胺（polyacrylamide，簡(jiǎn)稱為PAM）等［4］。

本試驗(yàn)選擇生石灰、石膏、PAC、APAM和陽(yáng)離子型聚丙烯酰胺（cationic polycrylamide，簡(jiǎn)稱為CPAM）5種典型絮凝劑進(jìn)行絮凝沉降試驗(yàn)，優(yōu)選出最適宜處理湘江長(zhǎng)沙段疏浚淤泥的絮凝劑。

2.2 試驗(yàn)方法與結(jié)果分析

本研究采用直接觀測(cè)沉降界面法［5］進(jìn)行試驗(yàn)，選取6個(gè)容量為1 L的量筒并加入1 000 g湘江長(zhǎng)沙段疏浚泥漿，往各量筒內(nèi)加入不同的絮凝劑，勻速攪動(dòng)5 min，觀察泥水分界面的高度變化，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)并對(duì)比分析。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖1～2所示。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算各量筒在絮凝沉降24 h后的含水率，結(jié)果分別如圖3～4所示。

圖1 0.5%絮凝劑摻量的試樣沉降過程Fig.1 Settling process of sample with 0.5%flocculant content

圖2 1%絮凝劑摻量的試驗(yàn)沉降過程Fig.2 Settling process of sample with 1%flocculant content

圖3 0.5%絮凝劑摻量的試樣24 h沉降結(jié)果Fig.3 Settlement result of sample with 0.5%flocculant content after 24 h

圖4 1.0%絮凝劑摻量的試樣24 h沉降結(jié)果Fig.4 Settlement result of sample with 1%flocculant contentafter 24 h

從圖3～4可以看出：

1）在絮凝沉降試驗(yàn)開始后的前24 h內(nèi)，PAC和CPAM等陽(yáng)離子型絮凝劑能顯著提高泥漿的沉降效率。其中，分別加入1%的PAC、CPAM的兩組試樣的最終含水率分別為100%和110%；對(duì)比空白組（不添加絮凝劑組），沉降效果分別提升了16.7%和8.3%。PAC對(duì)泥漿的絮凝效果優(yōu)于CPAM的。

2）APAM等陰離子型絮凝劑的絮凝沉降效果不佳，甚至對(duì)泥漿的沉降產(chǎn)生了阻礙作用，使其沉降效率降低。這是因?yàn)轲ね令w粒表面帶負(fù)電荷，由于電荷中和作用，只有陽(yáng)離子型絮凝劑才能使泥漿更好地沉降絮凝［6］。

3）在試驗(yàn)的前8 h內(nèi)，各泥漿試樣的沉降速度均較快，在12～24 h內(nèi)沉降速度放緩，而24 h后沉降速度較慢。

本研究旨在提升300%含水率的泥漿處理效率，選取能使泥漿含水率在24 h內(nèi)降至100%以下的PAC絮凝劑。當(dāng)泥漿絮凝沉降處理效果達(dá)到工藝要求后，進(jìn)行真空預(yù)壓脫水工序。

2 真空預(yù)壓脫水試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

自制真空預(yù)壓脫水模型由真空泵、水氣分離裝置、泥漿脫水管和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)四部分構(gòu)成，如圖5所示。

圖5 真空預(yù)壓試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.5 The model for vacuum preload test

水氣分離裝置由三軸儀壓力室制成。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由兩個(gè)真空度表組成，其中，真空度表I測(cè)量水氣分離置的真空負(fù)壓，真空度表II測(cè)量泥漿脫水管中砂裝墊層的真空負(fù)壓。泥漿脫水管由聚氯乙烯（polyvinyl chloride，簡(jiǎn)稱為PVC）管制成，直徑20 cm，長(zhǎng)80 cm，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 泥漿脫水管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（單位：m）Fig.6 Internal structure diagram of mud dewatering pipe（unit：m）

各部分用高強(qiáng)度塑料硬管有序連接，組成完整的真空預(yù)壓脫水模型。通過抽真空，讓泥漿脫水管內(nèi)外形成氣壓差，管內(nèi)負(fù)壓將水從土體中孔隙水排出，降低孔隙水壓力，使土體固結(jié)、密實(shí)。

2.2 試驗(yàn)方案

將絮凝沉降后泥漿的泥水分界面的上層清夜抽出，將剩余泥漿填入泥漿脫水管指定位置，并用PVC蓋板密封。密封完成后啟動(dòng)真空泵，使泥漿脫水管中砂墊層的真空負(fù)壓保持在-70 kPa以下，對(duì)泥漿脫水管管口的泥漿含水率和密度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄。泥漿密度、含水率與沉降速率分別如圖7～9所示

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

從圖7~9中可以看出，泥漿脫水量隨時(shí)間變化可分為三個(gè)階段：①在試驗(yàn)前6 h內(nèi)，抽水速率極快，泥漿中的水分以水流的形式從泥漿脫水管內(nèi)被抽出，水流有些許渾濁，脫水量隨時(shí)間快速增長(zhǎng)，此階段為快速脫水階段；②在試驗(yàn)6～30 h內(nèi)，隨著時(shí)間的增加，抽水速率放緩，泥漿中的水分以水沫的形式被抽出，水沫較為清澈，泥漿脫水量隨時(shí)間穩(wěn)定增長(zhǎng)，此階段為穩(wěn)定脫水階段；③在試驗(yàn)進(jìn)行30 h后，抽水速率繼續(xù)減小，無(wú)明顯水分被抽出，泥漿脫水量緩慢增長(zhǎng)，泥漿含水率和密度變化較小，此階段為緩慢脫水階段。

圖7 泥漿密度變化Fig.7 The change graph of mud density

分析發(fā)現(xiàn)，隨著真空預(yù)壓試驗(yàn)的進(jìn)行，泥漿脫水效率不斷降低，含水率減小，脫水速率放緩，這是透水土工布中空隙被土顆粒堵塞導(dǎo)致的。在試驗(yàn)初期，泥漿呈流塑狀態(tài)，水分大多為自由水且處于流動(dòng)狀態(tài)，土顆粒間有效應(yīng)力為0 kpa，真空形式的壓力能在泥漿中有效傳遞。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，泥漿中自由水被逐漸抽出，土顆粒在真空負(fù)壓的作用下向砂墊層方向聚集、相互接觸，土顆粒間有效應(yīng)力增加，滲透路徑不斷減小，使透水土工布空隙逐漸堵塞，最終在土工布表面形成淤堵層，此時(shí)泥漿脫水效率接近于0。

試驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行30 h后，泥漿脫水管內(nèi)的泥漿開始進(jìn)入緩慢脫水階段，此時(shí)，土工布表面雖已形成淤堵層，但泥漿脫水管內(nèi)的泥漿已從初始的流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檐浰軤顟B(tài)，含水率降至40.52%，較初始含水率大幅降低，處于液限和塑限狀態(tài)之間，這說明處理效果顯著。此后，真空預(yù)壓脫水效率將明顯降低，進(jìn)入下一泥漿處理階段。

圖8 泥漿含水率與時(shí)間變化Fig.8 The curve of mud water content-time

圖9 沉降速率變化Fig.9 The change graph of settlement rate

3 二次摻灰改性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料與方案

試驗(yàn)土料取自湘江長(zhǎng)沙段淤泥。將天然土料烘干、研磨后，按45%初始含水率配制試驗(yàn)土樣。

按改性土二次摻灰方案［7］進(jìn)行試驗(yàn)。將土樣分為3組（每組兩個(gè)試樣測(cè)量，所測(cè)結(jié)果取平均值），分別摻入1%、2%和3%的生石灰并攪拌均勻，燜料1 d后測(cè)量各組的含水率、液限和塑限指數(shù)，再在各組試樣中摻入2%的水泥并攪拌均勻，養(yǎng)護(hù)1 d后分別測(cè)量各組試樣的含水率和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

第一和第二次摻灰后各組測(cè)量結(jié)果分別見表2～3，各組軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變之間的如圖10所示。

圖10 軸向應(yīng)力與軸向應(yīng)變的關(guān)系Fig.10 Relationship between axial strain and axix stress

表2 第二次摻灰后土樣的含水率Table 2 Water content of soil sample after the second lime mixing （%）

由表1～2可知：隨著生石灰摻量的增加，土樣的液限和含水率逐漸降低，塑限逐漸升高。第3組試樣經(jīng)燜料1 d后，其塑性指數(shù)為19.39，液性指數(shù)為0.591，試樣從軟塑狀的淤泥轉(zhuǎn)變成可塑狀的粉質(zhì)黏土。這是由于生石灰與土中水發(fā)生熟化反應(yīng)消耗水分，反應(yīng)產(chǎn)生的熱量加速水分的遷移和土樣的脫濕［8-9］并同時(shí)產(chǎn)生砂化效應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物使土顆粒膠結(jié)凝聚，形成更大粒徑的土顆粒［10］。

表1 第一次摻灰后土樣的物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of soil samples after first lime mixing

從圖10可以看出，在泥漿中摻入水泥后，水泥與土中水分發(fā)生水化反應(yīng)和火山灰反應(yīng)，其反應(yīng)生成物C-S-H，促進(jìn)土顆粒進(jìn)一步膠結(jié)凝聚［11］，最終形成穩(wěn)定的土骨架。經(jīng)養(yǎng)護(hù)1 d后試樣的塑性指數(shù)與稠度較改性前降低，而強(qiáng)度大大提高。第2和第3組這兩組試樣在摻入2%的水泥并經(jīng)養(yǎng)護(hù)1 d后，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度均能達(dá)到60 kPa以上，滿足大部分輕型施工機(jī)械的承載力和施工要求，可以用作沿海地區(qū)的港口填土。

綜上所述，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，可選擇生石灰和水泥作為泥漿二次摻灰方案。

4 結(jié)論

本研究提出一種絮凝-真空預(yù)壓-二次摻灰改性的聯(lián)合處理方法，并對(duì)其進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究，所得結(jié)論為：

1）陽(yáng)離子型絮凝劑能顯著提高泥漿沉降效率，而陰離子型絮凝劑會(huì)對(duì)泥漿沉降產(chǎn)生阻礙作用。PAC為處理湘江長(zhǎng)沙段淤泥的最佳絮凝劑。在初始含水率為300%的泥漿中摻入1%的PAC沉降24 h后，其含水率可降至100%。

2）在真空預(yù)壓脫水試驗(yàn)中，泥漿脫水量隨時(shí)間變化可分為三個(gè)階段：快速脫水階段、穩(wěn)定脫水階段和緩慢脫水階段。在前兩個(gè)階段中，泥漿脫水效率較高，土顆粒滲透路徑較大，泥漿含水率可從100%降至40%左右；而在緩慢脫水階段，泥漿脫水效率很低。

3）泥漿經(jīng)先摻石灰，燜料后，再進(jìn)行摻入水泥的二次摻灰改性處理后，其塑性指數(shù)與稠度降低，含水率降至36.5%，強(qiáng)度顯著提高，無(wú)側(cè)限強(qiáng)度達(dá)到60 kPa以上，改性效果較好。

4）本研究提出的聯(lián)合處理方法分三個(gè)階段進(jìn)行，工藝流程如下：第一階段為絮凝沉降階段，通過在泥漿中摻入合適的絮凝劑（PAC），待泥漿含水率降至約100%時(shí)結(jié)束；第二階段為真空預(yù)壓脫水階段，當(dāng)泥漿進(jìn)入緩慢脫水階段或含水率降至40%左右時(shí)結(jié)束；第三階段為二次摻灰改性階段，選擇合適的生石灰和水泥經(jīng)摻入，改性處理后的泥漿無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)60 kPa以上。

5）經(jīng)過本聯(lián)合方法處理后的泥漿含水率大幅降低，強(qiáng)度顯著提高，能直接用于沿海地區(qū)港口填土，可解決沿海地區(qū)土料缺失問題。本方法處理流程可在4～5 d內(nèi)完成，縮短了泥漿處理的施工工期，且符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。