鈣質(zhì)絮凝劑對高含水率吹填淤泥自重沉積特性的影響

宋苗苗，王正宏，徐桂中，張 丹，翁佳興，唐 鵬

(1.鹽城工學(xué)院土木工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051；2.江蘇省工程勘測研究院有限責(zé)任公司，江蘇 揚州 225000；3.江蘇鴻基水源科技股份有限公司，江蘇 揚州 225002；4.江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

近年來隨著我國沿海地區(qū)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，土地資源緊張的現(xiàn)狀越發(fā)嚴(yán)重。填海造陸和海涂圍墾是解決這一問題的有效途徑[1-3]。隨著環(huán)境和生態(tài)保護(hù)要求的提高，河沙、山石料等的開采日益受到限制，使得這類工程常面臨理想填料資源短缺的難題。另一方面，為保證水質(zhì)及通航能力，港口、河道每年都要進(jìn)行疏浚清淤，同時圍海造陸、人工島修筑、航道建設(shè)等工程也涉及海底清淤，這些清淤處理每年將產(chǎn)生數(shù)億方以上的高含水率疏浚淤泥[2-6]。疏浚出的淤泥一般以黏土顆粒為主，呈流動狀態(tài)，在工程上難以直接利用而常作為廢棄物處理[4-7]。傳統(tǒng)的吹填和拋泥處置方法，不僅需占用大量土地，還易污染周邊環(huán)境[4]。因此，近年來國內(nèi)外一些工程開始將疏浚淤泥用于填海造陸、港口等工程[1-3,5]，不僅可以很好地解決土地資源不足、砂石料短缺、疏浚泥處置等問題，還實現(xiàn)了疏浚淤泥的資源化利用，符合資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會建設(shè)要求。

已有研究表明，高含水率淤泥的自重沉積特性對吹填工程設(shè)計與施工、吹填場地沉降計算、場地地基處理等都具有重要的影響[7-10]。張先偉等[8]通過研究天津濱海新區(qū)吹填泥漿的自重沉積固結(jié)特性，提出了吹填工程設(shè)計的控制指標(biāo)，并給出了含水率臨界值的經(jīng)驗計算公式。此外，國內(nèi)外學(xué)者通過試驗研究和理論分析，認(rèn)為高含水率泥漿自重沉積過程一般包括絮凝階段、沉降階段和固結(jié)階段，且初始含水率、砂粒含量、土體液限等都將影響其自重沉積特性[11-15]。由于吹填淤泥初始含水率和黏粒含量都比較高，其自重沉積通常需要經(jīng)歷幾個月甚至數(shù)年[15-16]。為縮短吹填淤泥自重沉積歷時，改善后續(xù)堆載預(yù)壓、真空預(yù)壓、固化處理等的效果，一些學(xué)者嘗試采用絮凝劑對吹填淤泥進(jìn)行預(yù)處理[17-24]。研究表明，添加絮凝劑可加速泥漿的自重沉積過程，提高真空預(yù)壓處理效果，固化淤泥強度等。

針對目前工程常用的各種無機絮凝劑，詹良通等[25]認(rèn)為在泥漿中添加高價陽離子(如Ca2+)可提高泥漿自重固結(jié)速率和固結(jié)后密實度。倪俊峰[26]對初始含水率分別為125%和155%的石灰處理吹填淤泥開展自重沉積試驗，發(fā)現(xiàn)添加石灰對吹填淤泥自重沉積特性的影響隨初始含水率的增加而顯著。為進(jìn)一步明確鈣質(zhì)絮凝劑對高含水率吹填淤泥自重沉積特性的影響，本文將分別以CaCl2和Ca(OH)2處理吹填淤泥(初始含水率大于200%)為例，開展一系列的量筒沉積試驗，探討初始含水率、絮凝劑摻量和絮凝劑性質(zhì)對泥漿自重沉積特性的影響。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

試驗所用高含水率吹填淤泥取自安徽蚌埠某疏浚泥堆場，液限為58.3% ，塑限為26.3%,相對密度為2.70 g/cm3，大于75 μm的砂粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%，5～75 μm的粉粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48.3%，小于5 μm的黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為48.2%。其中，相對密度采用比重瓶法測定，土顆粒粒徑分布采用密度計法測定，通過液塑限聯(lián)合測定儀法獲得土樣的液限和塑限。由土體液限(58.3%)和塑限(26.3%)可知，試驗所用土樣為高液限黏土。

試驗所用鈣質(zhì)絮凝劑為Ca(OH)2和CaCl2，分別購自天津市大茂化學(xué)試劑廠和天津市北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠，其中Ca(OH)2為白色粉末，CaCl2為白色固體。兩種鈣質(zhì)絮凝劑主要化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均超過95%，雜質(zhì)均低于1.0%。

1.2 試驗方案

為明確鈣質(zhì)絮凝劑對高含水率吹填淤泥自重沉積特性的影響，分別以不含絮凝劑吹填淤泥、含Ca(OH)2吹填淤泥和含CaCl2吹填淤泥為研究對象，改變泥漿初始含水率和絮凝劑摻量，開展了24組量筒沉積試驗，具體試驗方案見表1。其中，試驗所用量筒規(guī)格為1 000 mL，絮凝劑摻量為外加絮凝劑質(zhì)量和泥漿中干土質(zhì)量之比。

表1 量筒沉積試驗方案

試驗前，首先配制不同初始含水率的泥漿。之后，稱取滿足1 000 mL量筒沉積試驗要求的泥漿放入燒杯內(nèi)，并依據(jù)表1中的絮凝劑摻量計算需外加絮凝劑的質(zhì)量，放入大燒杯內(nèi)并使用小型攪拌器攪拌均勻。最后，將攪拌均勻的泥漿快速移入沉積試驗所用量筒中，邊移入邊用細(xì)鐵絲進(jìn)行振搗，以避免移入過程中泥漿中產(chǎn)生大量的氣泡和發(fā)生沉積。待泥漿量達(dá)到預(yù)定高度后，停止倒入泥漿并記錄試驗開始時間和泥水分界面出現(xiàn)時間。不同時刻泥水分界面的沉降量則通過沿量筒外側(cè)豎直粘貼的刻度尺測定。需要注意的是整個試驗過程中室溫保持在(20±2) ℃，并在量筒敞口段覆蓋密封膜，以避免溫度變化和蒸發(fā)作用對泥漿自重沉積的影響。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 泥水分界面沉降時程曲線

圖1和圖2為不同絮凝劑處理泥漿典型的泥水分界面沉降時程曲線，圖中圖例為泥漿中絮凝劑摻量?？梢钥闯觯嗨纸缑娉两盗侩S沉積時間的增加，呈先快速增加再逐漸趨于穩(wěn)定的變化趨勢，曲線形狀與常規(guī)固結(jié)試驗測定的沉降時程曲線類似。根據(jù)已有研究可知[6-7]，試驗?zāi)酀{的沉降曲線為沉積沉降類型，即鈣質(zhì)絮凝劑處理后吹填淤泥泥漿的自重沉積過程也可分為絮凝階段、阻礙沉降階段和自重固結(jié)階段。絮凝階段的存在使得泥水分界面的出現(xiàn)需要一定的時間。在阻礙沉降階段，泥漿自重沉降量較大。之后，隨著沉積時間進(jìn)一步增加，沉降逐漸減緩并進(jìn)入自重固結(jié)階段，該階段泥漿自重沉降量整體較小。這和徐桂中等[7, 8, 17-19, 25]學(xué)者獲得的吹填淤泥及絮凝劑處理吹填淤泥泥漿的泥水分界面沉降時程曲線變化規(guī)律基本一致。

圖1 CaCl2處理高含水率泥漿典型的泥水分界面沉降時程曲線(w0 = 348%)

圖2 Ca(OH)2處理高含水率泥漿典型的泥水分界面沉降時程曲線(w0 = 348%)

當(dāng)絮凝劑為CaCl2時，泥水混合物中的Ca2+可通過離子交換作用和電中和作用，使黏土顆粒表面的擴(kuò)散雙層厚度減小，相應(yīng)的黏土顆粒間斥力降低，使微小土顆粒更易絮凝形成大的團(tuán)聚體[24-25]，故含絮凝劑泥漿更快地出現(xiàn)泥水分界面，且在阻礙沉降階段泥水分界面沉降時程曲線都位于不含絮凝劑泥漿的下方。此外，由圖1還可以發(fā)現(xiàn)泥漿自重沉積進(jìn)入自重固結(jié)階段時，泥水分界面沉降量隨絮凝劑摻量的增加呈先增加后減小并逐漸趨于穩(wěn)定的變化趨勢。這主要是由于隨著絮凝劑摻量的增加，黏土顆粒表面所帶負(fù)電荷全部被中和，此時絮凝劑的絮凝效果達(dá)到最佳。之后，隨著絮凝劑摻量的進(jìn)一步增大，黏土顆粒表面開始帶正電荷，顆粒間的斥力重新開始增大，絮凝效果開始減弱。當(dāng)黏土顆粒表面所帶正電荷達(dá)到飽和后，絮凝劑摻量的進(jìn)一步增加將不再影響其絮凝效果。

已有研究表明[27]，采用Ca(OH)2加固土體時，Ca2+首先通過交換黏土顆粒表面的低價陽離子促進(jìn)土顆粒的絮凝，之后再與黏土顆粒表面溶解的活性二氧化硅和氧化鋁發(fā)生火山灰反應(yīng)。由此可知，在沉降初期(絮凝階段)，Ca(OH)2也主要通過離子交換作用和電中和作用，促進(jìn)土顆粒間絮凝形成尺寸較大的團(tuán)聚體。之后，隨著沉積時間進(jìn)一步增加，Ca(OH)2與土中的二氧化硅和氧化鋁發(fā)生火山灰反應(yīng)，生成具有凝膠作用的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，使土顆粒、土顆粒團(tuán)聚體等進(jìn)一步膠結(jié)形成穩(wěn)定的土體結(jié)構(gòu)。同時，由于團(tuán)聚體內(nèi)部包含一定量的自由水并吸附了大量的結(jié)合水，故和CaCl2不同，在阻礙沉降階段和自重固結(jié)階段，Ca(OH)2的添加將引起泥漿阻礙沉降階段持續(xù)時間及沉降量的大幅度降低，且泥漿進(jìn)入自重固結(jié)階段所需時間隨絮凝劑摻量的增加逐漸減小(圖2)。盡管Ca(OH)2處理泥漿的自重沉降量均顯著小于未加絮凝劑的泥漿，但Ca(OH)2的添加可改變泥漿的滲透性、強度特性等，對后續(xù)真空預(yù)壓處理、流動固化等具有重要的促進(jìn)作用[17, 24-26, 28-29]。

已有研究表明[14-15]，吹填淤泥的自重沉積特性和其初始含水率是密切相關(guān)的。因此，有必要對不同初始含水率下絮凝劑對泥漿自重沉積特性的影響進(jìn)行分析。圖3為不同初始含水率下含絮凝劑泥漿的泥水分界面沉降時程變化曲線。相同絮凝劑摻量下，初始含水率高的泥漿泥面沉降時程曲線始終位于初始含水率低的泥漿下方。這與已有不含絮凝劑高含水率泥漿自重沉積試驗結(jié)果一致。對于含CaCl2泥漿，不同初始含水率泥漿泥面沉降量間的差異隨初始含水率的增加逐漸減小。而對于含Ca(OH)2泥漿，相同沉積時間下初始含水率對泥漿泥面沉降量的影響隨絮凝劑摻量的增加而增大。此外，相同初始含水率和絮凝劑摻量下，Ca(OH)2處理泥漿的沉降量都小于CaCl2處理泥漿。

圖3 不同初始含水率下絮凝劑處理泥漿典型的泥水分界面沉降時程變化曲線

2.2 泥面沉降速率

除泥水分界面沉降量外，沉降速率v也是評價泥漿自重沉積特性的一個重要指標(biāo)，其主要用于表征泥漿自重沉積的快慢。Xu等[15]的研究表明采用公式(1)計算泥漿的泥面沉降速率是合適的。

(1)

式中Si+1、Si分別為ti+1和ti時刻泥水分界面的沉降量。

為進(jìn)一步探討鈣質(zhì)絮凝劑對高含水率泥漿自重沉積特性的影響，對不同絮凝劑摻量下泥漿沉降速率進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。在泥水分界面剛出現(xiàn)時，泥漿沉降速率比較大，這主要是由于不同泥漿泥水分界面出現(xiàn)的時間不同造成的。之后泥漿的沉降速率快速降低到一個穩(wěn)定范圍內(nèi)。隨著沉積時間的進(jìn)一步增加，當(dāng)泥漿自重沉積趨于穩(wěn)定時，泥漿的沉降速率將接近零。絮凝階段，添加兩種鈣質(zhì)絮凝劑都將引起泥漿自重沉積速率的增加。由此可見，Ca2+的絮凝作用在該階段起主導(dǎo)作用；而在阻礙沉降階段，兩種絮凝劑對泥漿沉降速率的影響規(guī)律并不完全相同，這和前述添加絮凝劑對泥漿泥面沉降時程曲線的影響相一致。該階段CaCl2對泥漿自重沉降速率的影響受絮凝劑摻量的影響，這可能是由于只有在適宜摻量下絮凝劑的絮凝效果才能達(dá)到最佳。而當(dāng)絮凝劑為Ca(OH)2時，和未添加絮凝劑的泥漿相比，阻礙沉降階段泥漿沉降速率隨絮凝劑添加表現(xiàn)出降低的變化趨勢，且沉降速率相對較快地趨近于零。這進(jìn)一步表明阻礙沉降階段Ca(OH)2主要通過火山灰反應(yīng)影響泥漿的自重沉積特性。

圖4 不同絮凝劑摻量下泥漿典型的沉積速率隨時間變化曲線(w0 = 348%)

2.3 自重沉積穩(wěn)定時間及沉降量

需要注意的是，沉積過程中泥水分界面并不是勻速下沉的。已有研究表明，對數(shù)坐標(biāo)系下泥面沉降量隨時間呈先逐漸增加再趨于平穩(wěn)的變化趨勢(圖1和圖2)。即當(dāng)沉積達(dá)到一定時間后，泥漿在自重作用下沉降達(dá)到穩(wěn)定。此時泥漿中的超靜孔隙水壓力消散完畢，自重沉積結(jié)束。故參考Imai[11]對泥漿自重沉積穩(wěn)定時間的定義，根據(jù)泥水分界面沉降隨時間在半對數(shù)坐標(biāo)系下的變化曲線，計算泥漿自重沉積穩(wěn)定時間tc，結(jié)果見表2。由表2可知，高含水率泥漿的自重沉積穩(wěn)定時間隨初始含水率的增加基本都是逐漸減小的。和未摻絮凝劑泥漿相比，相同初始含水率下含CaCl2和Ca(OH)2的泥漿將更快達(dá)到自重沉積穩(wěn)定。需要注意的是，含CaCl2泥漿自重沉積穩(wěn)定時間隨絮凝劑摻量的增加并不總是減小的。由此可見，只有摻入適量的CaCl2才能使泥漿較快地達(dá)到自重沉積穩(wěn)定。和CaCl2不同，泥漿的自重沉積穩(wěn)定時間隨Ca(OH)2摻量的增加而減小，故需要根據(jù)實際工程情況進(jìn)一步設(shè)計Ca(OH)2摻量。

表2 不同絮凝劑摻量下泥漿自重沉積穩(wěn)定時間

圖5為不同初始含水率下泥漿自重沉積穩(wěn)定時的沉降量Sc隨絮凝劑摻量的變化規(guī)律。相同初始含水率下Sc隨CaCl2摻量的增加呈先增大后減小并逐漸趨于穩(wěn)定的變化趨勢，但整體而言，添加CaCl2引起高含水率泥漿Sc的變化量較小，基本上都在(-1.0 cm，0.5 cm)范圍內(nèi)變化。由此可知，CaCl2主要影響高含水率泥漿達(dá)到自重沉積穩(wěn)定的時間，對其自重沉積穩(wěn)定時的沉降量基本不產(chǎn)生影響。結(jié)合泥漿自重沉積泥水分界面沉降時程曲線、自重沉積穩(wěn)定時間和自重沉積穩(wěn)定時的沉降量可知，當(dāng)CaCl2摻量超過2.0%后，泥漿的自重沉積穩(wěn)定時間和自重沉積穩(wěn)定時的沉降量基本相同，而摻量增加將使工程造價提高。故對于本文研究所用泥漿，

圖5 不同初始含水率下泥漿自重沉積穩(wěn)定沉降量隨絮凝劑摻量變化規(guī)律

CaCl2的摻量以不超過2.0%為宜。

前述分析表明，和CaCl2不同，Ca(OH)2對泥漿自重沉積特性的影響還包括火山灰反應(yīng)。通過火山灰反應(yīng)生成的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣，一方面使土顆粒、土顆粒團(tuán)聚體等進(jìn)一步膠結(jié)形成穩(wěn)定的土體結(jié)構(gòu)，且團(tuán)聚體內(nèi)部包含一定量的自由水并吸附了大量的結(jié)合水；另一方面該化學(xué)反應(yīng)還將一部分的自由水轉(zhuǎn)化為結(jié)晶水，使得相同初始含水率下泥漿Sc隨Ca(OH)2摻量的增加而顯著減小，且減小幅度隨Ca(OH)2摻量的增加而降低(圖5(b))。如對于初始含水率為348%的泥漿，當(dāng)Ca(OH)2摻量由0逐漸增大到0.5%，1.0%和2.0%時，Sc則由11.9 cm依次減小為5.5 cm、3.7 cm和1.7 cm。對于含Ca(OH)2的泥漿，不同初始含水率泥漿Sc間的差異隨Ca(OH)2摻量的增加逐漸減小。此外，和未加絮凝劑泥漿類似，含絮凝劑泥漿的Sc隨其初始含水率的增加也是增大的。

綜上可知，絮凝劑類型、絮凝劑摻量及泥漿初始含水率等因素都會影響鈣質(zhì)絮凝劑處理吹填淤泥的自重沉積特性。因此，采用絮凝-真空聯(lián)合、絮凝-固化聯(lián)合等方法處理高含水率吹填淤泥時，需根據(jù)實際工程需要，綜合各方面影響因素確定絮凝劑類型和摻量，以使疏浚泥的自重沉積與后續(xù)工程處理措施相配套。

3 結(jié) 論

a.和未加絮凝劑泥漿類似，含絮凝劑泥漿泥水分界面沉降時程曲線也可分為絮凝階段、阻礙沉降階段和自重固結(jié)階段。相同初始含水率下，含CaCl2泥漿的泥水分界面沉降時程曲線基本都位于不含絮凝劑泥漿的下方，而含Ca(OH)2泥漿的泥水分界面沉降時程曲線基本都位于不含絮凝劑泥漿的上方。添加鈣質(zhì)絮凝劑對泥漿絮凝階段和阻礙沉降階段的影響更顯著。

b.絮凝階段和阻礙沉降階段，相同沉積時間下添加CaCl2將引起泥漿泥水分界面沉降量和沉降速率的增加。這主要是由于Ca2+的出現(xiàn)促進(jìn)了黏土顆粒間的絮凝。此外，還將引起高含水率泥漿自重沉積穩(wěn)定時間的減少，對其自重沉積穩(wěn)定時的沉降量則基本不產(chǎn)生影響。

c.沉積初期，Ca(OH)2主要通過離子交換作用和電中和作用影響泥漿自重沉積性狀，故含Ca(OH)2泥漿和原泥漿泥水分界面沉降曲線間差異較??；而和含CaCl2泥漿不同，添加Ca(OH)2將引起泥漿自重沉積穩(wěn)定時間及其所對應(yīng)沉降量的大幅度減小，且不同初始含水率泥漿自重沉降穩(wěn)定時的沉降量的差距隨Ca(OH)2摻量的增加逐漸減小，這主要是由于含 Ca(OH)2泥漿中存在火山灰反應(yīng)。