高吸水材料改善高含水率淤泥流動(dòng)性的試驗(yàn)研究

紀(jì)文棟 ，張宇亭 ，顏容濤，王 歡 ，孟 毅

（1. 交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 水工構(gòu)造物檢測(cè)診斷與加固技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)試驗(yàn)室，天津 300456；2. 交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)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(huì)產(chǎn)生大量高含水率的淤泥，這種淤泥強(qiáng)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(jī)污染物等特點(diǎn)。隨著城市建設(shè)施工環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的提高，對(duì)這種污染土體的處理要求也越來(lái)越高。

后續(xù)不論采用何種方式處理此類淤泥，前期都會(huì)面臨著一個(gè)比較突出的問(wèn)題，即淤泥的流動(dòng)性非常高，難以成型，如果不進(jìn)行預(yù)處理，堆放和運(yùn)輸都會(huì)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(jìn)行機(jī)械脫水。圍堰自然脫水需要占用場(chǎng)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(jī)械脫水可以較快的進(jìn)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(diǎn)。因此需要一種可以使得淤泥流動(dòng)性能夠迅速降低的方法，從而實(shí)現(xiàn)淤泥的便利周轉(zhuǎn)和運(yùn)輸。

對(duì)于淤泥的流動(dòng)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(guò)程中流動(dòng)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(dòng)值有線性相關(guān)關(guān)系。顧歡達(dá)等[3－5]、李建望等[6]開展了通過(guò)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(dòng)性，從而實(shí)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(dòng)性上下限含水率之間時(shí)的強(qiáng)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(guò)系列試驗(yàn)驗(yàn)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(shí)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(shí)現(xiàn)淤泥的流動(dòng)性降低，進(jìn)而具備一定的可塑性，便于疏浚泥的堆放、運(yùn)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(shí)間內(nèi)吸收自重?cái)?shù)百倍的水分，并且無(wú)毒、無(wú)臭、無(wú)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(gè)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(yàn)原理與設(shè)備

2.1 試驗(yàn)方法

在塑限和液限之間的土可以用液性指數(shù)來(lái)判定其軟硬狀態(tài)，當(dāng)土的含水率大于液限的時(shí)候，土就處于流塑狀態(tài)了，此時(shí)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(dòng)值來(lái)表征淤泥的流動(dòng)性。

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

2.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器的示意圖如圖1所示。由兩個(gè)主要組件構(gòu)成，組件1為一個(gè)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(jī)玻璃平板，上表面光滑，底面標(biāo)有刻度，直接讀數(shù)。

圖1 試驗(yàn)儀器Fig.1 Test instrument

3 試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)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(lái)的淤泥?，F(xiàn)場(chǎng)采集樣品時(shí)，此淤泥已經(jīng)經(jīng)過(guò)了較長(zhǎng)時(shí)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(jī)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(duì)土樣進(jìn)行常規(guī)土工測(cè)試得到其基本物理指標(biāo)見表1。

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

3.2 試驗(yàn)步驟

流動(dòng)性測(cè)試的試驗(yàn)步驟為：① 試驗(yàn)儀器清洗干凈，并將待測(cè)淤泥試樣充分?jǐn)嚢韬蠊嘧⒌浇M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(shí)淤泥將會(huì)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(gè)方向流動(dòng)的距離，把4個(gè)值進(jìn)行平均就得到了淤泥的流動(dòng)值。

圖2 試驗(yàn)步驟Fig.2 Test procedure

4 不同添加量的試驗(yàn)結(jié)果

4.1 含水率對(duì)流動(dòng)值的影響

大于液限的淤泥可當(dāng)做流體來(lái)看待，其流動(dòng)性是流體運(yùn)動(dòng)黏度的一種體現(xiàn)。流體本身性質(zhì)的差異，導(dǎo)致其運(yùn)動(dòng)黏度的影響因素也不一致?，F(xiàn)在對(duì)淤泥流動(dòng)性影響因素的研究成果并不是很多，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及淤泥液塑限的控制因素推斷，含水率為影響淤泥流動(dòng)性的一個(gè)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(shí)際情況，制備了不同含水率的淤泥試樣，分別測(cè)定了其流動(dòng)值。制備的樣品信息見表2，試驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果如圖3所示。

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

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著含水率的增加，淤泥的流動(dòng)值也在逐漸增加，對(duì)于此種類型的淤泥，在所測(cè)試的含水率范圍內(nèi)，其流動(dòng)性和含水率的關(guān)系大致可以用一元二次函數(shù)來(lái)表征，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合出來(lái)的曲線表達(dá)式為

此曲線擬合優(yōu)度可以達(dá)到0.999 81，說(shuō)明此淤泥在試驗(yàn)所測(cè)含水率的范圍內(nèi)，流動(dòng)值和含水率之間的關(guān)系非常符合式（1）所表達(dá)的關(guān)系，可由含水率直接求得流動(dòng)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(jìn)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(huì)考慮它對(duì)土體性質(zhì)的影響。在此次試驗(yàn)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(dòng)性的不同。

4.2 不同添加量的影響

實(shí)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(huì)增高，本次試驗(yàn)所進(jìn)行的試樣含水率從2.3倍液限開始，直至3.8倍的液限。對(duì)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(yàn)安排見表 3。試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某一摻入量已經(jīng)使淤泥流動(dòng)值降低到比較低的程度，便不再進(jìn)行下一級(jí)添加量的試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)于表中標(biāo)注為“-”的試驗(yàn)項(xiàng)。

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

由圖4的試驗(yàn)結(jié)果及圖5的試驗(yàn)照片可知，高吸水材料對(duì)于改善淤泥流動(dòng)性有非常明顯的效果，對(duì)于 75.0%和 87.5%含水率的試樣，僅僅需要添加相當(dāng)于試樣總質(zhì)量 1%的高吸水材料，便可以使得淤泥的流動(dòng)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(duì)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(dòng)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(duì)于達(dá)到此種流動(dòng)程度的淤泥，已經(jīng)完全可以運(yùn)用傳統(tǒng)的處理工藝和機(jī)械來(lái)進(jìn)行挖掘、堆放和運(yùn)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(dòng)值關(guān)系Fig.4 Relationships between flow value and addition value

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

由前述試驗(yàn)結(jié)果可知，淤泥中自由水的含量對(duì)淤泥流動(dòng)性有直接的影響，本次試驗(yàn)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(dòng)性下降，這就是利用高吸水材料降低淤泥流動(dòng)性的機(jī)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(dòng)性測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(dòng)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(dòng)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(dòng)值”參數(shù)：

式中：fn為凈流動(dòng)值；f為所測(cè)得的流動(dòng)值；d為淤泥試樣的初始直徑。

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

本次試驗(yàn)所用的測(cè)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(dòng)值消除了淤泥流動(dòng)初始值的影響，可以更為準(zhǔn)確地反映淤泥的流動(dòng)擴(kuò)散性能。

表4 凈流動(dòng)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(dòng)值的降低程度進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見表 4?？梢钥吹皆谔砑?1%比例的高吸水材料后，不同含水率淤泥的凈流動(dòng)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(dòng)值降低到原先值25%左右的水平。

試驗(yàn)結(jié)果表明，在添加一定比例的高吸水材料后，流動(dòng)充分的淤泥其凈流動(dòng)值降低比例是基本保持一致的，并不會(huì)因?yàn)橛倌嗟某跏己什煌淖?。工程?shí)際應(yīng)用中可以通過(guò)已知的某含水率下添加高吸水材料后淤泥凈流動(dòng)性的降低比例來(lái)預(yù)測(cè)同類淤泥其它含水率條件下的凈流動(dòng)值，從而預(yù)測(cè)高吸水材料的流動(dòng)改善效果。

5 處理效果與時(shí)間的關(guān)系

淤泥流動(dòng)性的降低效果的時(shí)間相關(guān)性是工程應(yīng)用必須面對(duì)的問(wèn)題，在添加高吸水材料后，淤泥的流動(dòng)值需要多長(zhǎng)時(shí)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(dòng)性的時(shí)間效率問(wèn)題，這將直接關(guān)系到此方法的工程實(shí)用性。

表5 短時(shí)間試驗(yàn)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(shí)刻標(biāo)記為 0點(diǎn)，將高吸水材料撒到淤泥表面，然后每攪拌2 min測(cè)定一次流動(dòng)值。試樣方案見表5，試驗(yàn)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(dòng)值已經(jīng)由33.1降低到19.3，在很短時(shí)間內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)顯著的降低。在此基礎(chǔ)上繼續(xù)攪拌 2 min，流動(dòng)值略有降低，再繼續(xù)攪拌，流動(dòng)值不再持續(xù)降低，反而略有上升。

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

根據(jù)試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，當(dāng)在淤泥中添加高吸水材料后吸水材料會(huì)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(tuán)塊。攪拌時(shí)間較短時(shí)，這些團(tuán)塊中聚集的高吸水材料還沒(méi)有充分的打散，正是因?yàn)檫@些團(tuán)塊的存在，使得淤泥的流動(dòng)擴(kuò)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(dòng)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(huì)均勻的分布到淤泥中，前期聚集的團(tuán)塊也消失不見，由于淤泥比較均質(zhì)，其流動(dòng)性反而略有上升，圖8為不同攪拌時(shí)間后的試驗(yàn)圖片。試驗(yàn)結(jié)果表明，攪拌時(shí)間及攪拌的強(qiáng)度對(duì)高吸水材料效果的發(fā)揮并不是一個(gè)重要的影響因素，即使是攪拌時(shí)間短、強(qiáng)度低，也可以使得淤泥的流動(dòng)值有顯著的降低。高吸水材料的這種特性對(duì)于工程應(yīng)用是十分有幫助的，不但可以顯著降低時(shí)間損耗，還可以降低工程工作量，節(jié)省工程費(fèi)用。

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

6 結(jié) 論

（1）淤泥的流動(dòng)性與其含水率有直接的關(guān)系，對(duì)本次試驗(yàn)的淤泥，通過(guò)對(duì)流動(dòng)值和含水率數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合發(fā)現(xiàn)兩者成二次函數(shù)關(guān)系。

（2）通過(guò)添加較少量的高吸水材料就可以使淤泥的流動(dòng)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(dòng)值降低到參考標(biāo)準(zhǔn)值以下，87.5%～112.5%含水率淤泥僅需2%添加量，對(duì)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(dòng)值可以定量地分析流動(dòng)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(dòng)值降低比例是基本保持一致的，并不會(huì)因?yàn)橛倌嗟某跏己什煌淖儭?/p>

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

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