鈣質(zhì)絮凝劑對固化高含水率疏浚泥流動(dòng)性影響研究

宋苗苗，齊永正，卞子君，姚 達(dá)，吳發(fā)紅，唐 鵬

(1.鹽城工學(xué)院 土木工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224051；2.江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003；3.蘇州西熱節(jié)能環(huán)保技術(shù)有限公司，江蘇 蘇州 215153；4.江蘇鴻基水源科技股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225002)

為保證港口、河道等的水質(zhì)和通航能力，我國每年都要進(jìn)行大規(guī)模的疏浚清淤，同時(shí)填海造陸、人工島修筑、航道建設(shè)等工程中也涉及大規(guī)模的海底清淤，從而產(chǎn)生了大量的高含水率疏浚泥[1-3]。傳統(tǒng)疏浚泥吹填和拋泥處置方法，不僅需要長期占用大量土地，還易帶來污染河流、影響海洋生態(tài)環(huán)境等問題。因此，近年來國內(nèi)外開始對疏浚泥進(jìn)行固化處理，用于填海造陸、港口等工程[4-6]，不僅很好地解決了土地資源不足、疏浚泥處置難等問題，還實(shí)現(xiàn)了疏浚泥的資源化利用。

由于直接疏浚產(chǎn)生的淤泥含水率較高，甚至可高達(dá)300%以上，直接采用固化法效果極其有限，很難滿足實(shí)際工程的要求[6-8]。因此，在采用固化法處理疏浚泥前，需降低其含水率。已有研究表明，高含水率疏浚泥的自重沉積通常需要經(jīng)歷幾個(gè)月甚至數(shù)年[9-10]，很難滿足工程建設(shè)周期的需要。因此，為快速降低疏浚泥的含水率，一些學(xué)者嘗試采用絮凝劑對高含水率疏浚泥進(jìn)行預(yù)處理，以加快疏浚泥的自重沉積[9-14]。武亞軍等[11]采用無機(jī)藥劑(生石灰、熟石灰、氯化鈣和硫酸鈣)對高含水率泥漿進(jìn)行預(yù)調(diào)理，發(fā)現(xiàn)真空預(yù)壓作用下無機(jī)藥劑的添加可縮短泥漿達(dá)到相同排水量所需時(shí)間。詹良通等[13]指出在高含水率泥漿中加入高價(jià)陽離子(如Ca2+)可提高泥漿的自重固結(jié)速率。

流動(dòng)固化技術(shù)是指使疏浚泥在固化初期具有一定的流動(dòng)性，再通過管道泵送方式將其泵送到施工場地的技術(shù)。該技術(shù)作為高含水率疏浚泥資源化利用的有效方式之一，具有施工不占用場地、成本低、效率高等優(yōu)點(diǎn)，已在日本中部國際機(jī)場[15]、大連港大窯灣[5]、橫沙東灘圍墾工程[16]等得到了成功的應(yīng)用。采用流動(dòng)固化技術(shù)處理高含水率疏浚泥時(shí)，固化疏浚泥的流動(dòng)性是影響其工程應(yīng)用的關(guān)鍵指標(biāo)之一[15-17]。本文分別以CaCl2和Ca(OH)2處理疏浚泥為研究對象，開展一系列的流動(dòng)度測定試驗(yàn)。對鈣質(zhì)絮凝劑固化疏浚泥的流動(dòng)性進(jìn)行研究，明確鈣質(zhì)絮凝劑添加對疏浚泥流動(dòng)性的影響，并對絮凝劑添加引起固化疏浚泥流動(dòng)性變化的原因進(jìn)行分析。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為安徽蚌埠某堆場的疏浚泥，其液限和塑限分別為58.3%、26.3%。由土體的液限和塑限可知，試驗(yàn)所用土樣為高液限黏土。采用密度計(jì)法測定土中砂粒(>75 μm )、粉粒(5～ 75 μm)和黏粒(<5 μm)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，分別為3.5%、48.3%和48.2%。

試驗(yàn)所用Ca(OH)2和CaCl2均為分析純，其雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)均低于1.0%。試驗(yàn)所用固化劑為P·O 42.5普通硅酸鹽水泥。

1.2 流動(dòng)度試驗(yàn)方案

參照日本對流動(dòng)固化疏浚泥流動(dòng)性測定的試驗(yàn)規(guī)范(JHSA313-1992)[18]測定試驗(yàn)所用固化疏浚泥的流動(dòng)度。試驗(yàn)所用裝置為兩端開口的有機(jī)玻璃圓筒，其高度和直徑都為8 cm。

試驗(yàn)前，先將現(xiàn)場取回的疏浚泥攪拌均勻并測定含水率；然后取一定質(zhì)量攪拌均勻的疏浚泥放入塑料桶內(nèi)，加入水和絮凝劑攪拌均勻，密封后靜置1 h以保證土顆粒和絮凝劑分子間充分作用，其中，絮凝劑和外加水的質(zhì)量根據(jù)表1中的絮凝劑摻量及泥漿初始含水率確定；最后，將含絮凝劑的疏浚泥再次攪拌均勻，在加水泥前和加入水泥后，分別快速進(jìn)行流動(dòng)度測定試驗(yàn)。

表1 流動(dòng)度試驗(yàn)方案Table 1 Fluidity test scheme

流動(dòng)度測定試驗(yàn)的具體操作如下：首先將流動(dòng)度測定圓筒放置在平整光滑的有機(jī)玻璃板上；再將攪拌均勻的混合物分次快速倒入流動(dòng)度測定筒內(nèi)，邊倒入邊輕微振搗，以免有孔隙和氣泡產(chǎn)生；然后沿豎直方向，雙手均勻用力將流動(dòng)度測定筒提起，測定混合物在有機(jī)玻璃板上擴(kuò)散流動(dòng)后的最大直徑。重復(fù)進(jìn)行3次試驗(yàn)操作，取3次試驗(yàn)測定最大直徑的平均值作為混合物的流動(dòng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對于疏浚泥和固化疏浚泥，流動(dòng)性對管道泵送及澆筑質(zhì)量均具有重要的影響，是影響實(shí)際工程施工的重要參數(shù)。為更好地分析絮凝劑添加對固化高含水率疏浚泥流動(dòng)性的影響，首先應(yīng)明確未摻絮凝劑條件下疏浚泥的流動(dòng)性。圖1為不添加絮凝劑時(shí)不同初始含水率下疏浚泥及流態(tài)固化疏浚泥的流動(dòng)度，其中，流態(tài)固化疏浚泥中的水泥摻量為200 kg/m3。疏浚泥初始含水率越大，其中的自由水就越多，自重作用下混合物自由流動(dòng)形成的塌落體直徑也越大。故初始含水率高的疏浚泥和固化疏浚泥通常具有更大的流動(dòng)度(見圖1)。由此可見，初始含水率對疏浚泥及流態(tài)固化疏浚泥流動(dòng)性具有重要影響。

圖1 疏浚泥及流態(tài)固化疏浚泥流動(dòng)度隨初始 含水率的變化規(guī)律Fig.1 Variation law of fluidity of dredged mud and fluid-solidified dredged mud with initial moisture content

水泥與水接觸后將發(fā)生水化反應(yīng)，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，故水泥的加入將不可避免地引起疏浚泥中自由水大幅度減少。同時(shí)，水泥水化反應(yīng)生成的硅酸三鈣、硅酸二鈣等膠凝物質(zhì)還將促進(jìn)土顆粒間的絮凝，從而限制流態(tài)固化疏浚泥在自重作用下的自由流動(dòng)。由此可推知，疏浚泥的流動(dòng)度將隨水泥的添加出現(xiàn)大幅度減小。

測定不同初始含水率和水泥摻量下流態(tài)固化疏浚泥的流動(dòng)度，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，添加水泥后疏浚泥的流動(dòng)度顯著降低，進(jìn)一步證實(shí)了前述推論的正確性。相同水泥摻量下，初始含水率高的流態(tài)固化疏浚泥中具有更多的自由水，宏觀表現(xiàn)為具有更高的流動(dòng)度。圖2中，水泥摻量小于50 kg/m3時(shí)，流態(tài)固化疏浚泥流動(dòng)度隨水泥摻量增加而顯著降低；當(dāng)水泥摻量高于150 kg/m3后，進(jìn)一步增加水泥摻量所造成的流態(tài)固化疏浚泥流動(dòng)度變化很小。由此可見，當(dāng)水泥摻量達(dá)到一定值后，繼續(xù)提高水泥摻量對流態(tài)固化疏浚泥流動(dòng)性的影響較小。

圖2 水泥添加對流態(tài)固化疏浚泥流動(dòng)度的影響Fig.2 Effect of cement addition on fluidity of flow state solidified dredged mud

實(shí)際工程中，只有當(dāng)流態(tài)固化疏浚泥的流動(dòng)度達(dá)到一定值后，才能滿足流動(dòng)固化技術(shù)的管道泵送要求。日本羽田國際機(jī)場、七尾港等工程，以及室內(nèi)試驗(yàn)研究成果表明，流態(tài)固化疏浚泥的流動(dòng)度在9～15 cm范圍內(nèi)時(shí)，既可滿足管道泵送的要求，又可滿足實(shí)際工程對固化疏浚泥強(qiáng)度的要求[15-17]。由圖2可知，疏浚泥初始含水率越高，滿足流動(dòng)性要求所需的水泥摻量也越大。因此，在實(shí)際工程中，采用流動(dòng)固化技術(shù)處理疏浚泥前，應(yīng)盡可能地降低其含水率，以降低工程成本。對于初始含水率為174%的流態(tài)固化疏浚泥，當(dāng)水泥摻量高于50 kg/m3后，即可滿足流動(dòng)固化技術(shù)對流動(dòng)度的要求。同時(shí)，考慮到固化疏浚泥用作工程填料時(shí)還需要達(dá)到一定的強(qiáng)度(與流動(dòng)度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系)，本文選取水泥摻量200 kg/m3的含鈣質(zhì)絮凝劑流態(tài)固化疏浚泥為研究對象，分析絮凝劑添加對固化疏浚泥流動(dòng)性的影響。

測定不同絮凝劑摻量下疏浚泥的流動(dòng)度，結(jié)果如圖3所示。相同摻量下，絮凝劑為Ca(OH)2的疏浚泥的流動(dòng)度小于絮凝劑為CaCl2的，且二者間的差異隨絮凝劑摻量的增加而增大。對于含Ca(OH)2的疏浚泥，Ca2+首先通過電中和作用和離子交換作用，使土顆粒間的斥力和黏土顆粒表面擴(kuò)散雙電層厚度減小，疏浚泥中的自由水量小幅增加[11-13]，故和不含絮凝劑的疏浚泥(流動(dòng)度為26.9 cm)相比，添加0.1%的Ca(OH)2將使疏浚泥流動(dòng)度出現(xiàn)小幅增加，增加到27.5 cm；隨著Ca(OH)2摻量的進(jìn)一步增加，除電中和作用和離子交換作用外，Ca(OH)2還將和土中的活性二氧化硅和氧化鋁發(fā)生火山灰反應(yīng)[20]，該反應(yīng)不僅消耗大量的自由水，同時(shí)還將生產(chǎn)一定量的膠凝產(chǎn)物，二者共同作用將引起固化疏浚泥流動(dòng)度的大幅度降低。

圖3 絮凝劑添加對疏浚泥流動(dòng)度的影響Fig.3 Effect of flocculant addition on fluidity of dredged mud

對于含CaCl2的疏浚泥，絮凝劑的添加會引起其流動(dòng)度的增加，但流動(dòng)度增加量基本都小于1 cm，且最大增加幅度僅為7%。由此可知，CaCl2添加對疏浚泥流動(dòng)度的影響整體較小。這主要是由于CaCl2中的Ca2+僅通過離子交換作用和電中和作用使疏浚泥中自由水量小幅增加，進(jìn)而改變其流動(dòng)度。

圖4為流態(tài)固化疏浚泥的流動(dòng)度隨絮凝劑摻量增加的變化曲線。和疏浚泥類似，流態(tài)固化疏浚泥的流動(dòng)度隨Ca(OH)2摻量的增加也呈先增加后減小的變化趨勢。這主要是由于Ca(OH)2摻量較低時(shí)，通過電中和作用和離子交換作用使流態(tài)固化疏浚泥中的自由水量增加，從而引起其流動(dòng)度的增加；之后，由于水泥與Ca(OH)2都會促進(jìn)土體發(fā)生火山灰反應(yīng)，使疏浚泥中的自由水大量消耗，從而引起流動(dòng)度的大幅度降低。需要注意的是，Ca(OH)2摻量達(dá)到3.0%后，固化疏浚泥的流動(dòng)度將低于9.0 cm，已不能滿足流動(dòng)固化技術(shù)對固化疏浚泥流動(dòng)性的要求。

圖4 流態(tài)固化疏浚泥流動(dòng)度隨絮凝劑摻量的變化規(guī)律Fig.4 Variation law of fluidity of flow state solidified dredged mud with flocculant content

當(dāng)固化疏浚泥中所含絮凝劑為CaCl2時(shí)，其流動(dòng)度隨絮凝劑摻量的增加先增大后出現(xiàn)小幅度的減小。和Ca(OH)2相比，CaCl2添加引起流態(tài)固化疏浚泥流動(dòng)度的變化基本小于1.0 cm，整體較小。這是由于CaCl2主要通過Ca2+的電中和作用和離子交換作用，影響其流動(dòng)度。盡管CaCl2添加對流態(tài)固化疏浚泥的流動(dòng)度影響較小，但適量地加入CaCl2可顯著提高固化高含水率泥漿的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度[21]。由此可見，采用鈣質(zhì)絮凝劑預(yù)處理固化疏浚泥時(shí)，應(yīng)綜合考慮實(shí)際工程對固化疏浚泥流動(dòng)性和強(qiáng)度的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

(1)疏浚泥和流態(tài)固化疏浚泥的流動(dòng)度均隨初始含水率的增加而增大。初始含水率和水泥摻量是影響流態(tài)固化疏浚泥流動(dòng)度的重要因素，且隨疏浚泥初始含水率的增加，滿足流動(dòng)性要求的流態(tài)固化疏浚泥的水泥摻量增大。

(2)相同絮凝劑摻量下，摻加CaCl2的疏浚泥和流態(tài)固化疏浚泥的流動(dòng)度均大于摻加Ca(OH)2的。CaCl2主要通過Ca2+的電中和作用和離子交換作用，影響疏浚泥和流態(tài)固化疏浚泥的流動(dòng)度，故CaCl2添加引起的流動(dòng)度改變基本小于1.0 cm，整體變化幅度較小。

(3)與CaCl2相比，Ca(OH)2添加會造成疏浚泥和流態(tài)固化疏浚泥流動(dòng)度的大幅度減小，這主要是由于隨著Ca(OH)2摻量的增加，除離子交換和電中和作用外，Ca2+還將與土中的活性二氧化硅和氧化鋁發(fā)生火山灰反應(yīng)，消耗大量的自由水，從而造成流動(dòng)度的大幅度減小。