盾構(gòu)廢棄泥漿的脫水固化處理研究

喬旭， 徐培蓁， 朱亞光

（青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 青島 266000）

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，我國許多城市以地鐵為主的地下空間資源建設(shè)進(jìn)入了迅速發(fā)展的階段。據(jù)統(tǒng)計，截止到2019年我國大陸35個城市地鐵正式投入運營，軌道總距離5027.36km，地鐵建設(shè)發(fā)展?jié)摿薮螅?］。泥水盾構(gòu)法以其適應(yīng)多種類型土層，開挖面穩(wěn)定性高等特點被多用于國內(nèi)地鐵隧道的建設(shè)中。在施工過程中通常會在開挖面泥漿中加入大量的水以及分散劑來保證泥漿的流塑性，泥水盾構(gòu)在施工過程中不可避免的會產(chǎn)生大量的廢棄泥漿，其出漿量為普通隧道開挖的2～3倍，該類泥漿多無法直接循環(huán)利用，如果隨意排放，不但占用土地資源，還會對環(huán)境造成嚴(yán)重污染［2，3］。隨著我國對城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)文明施工要求的不斷提升，如何科學(xué)有效的處理泥水盾構(gòu)廢棄泥漿十分重要。

目前泥漿的主要的處理方式為通過運輸車運送至填埋場排放，但由于盾構(gòu)廢棄泥漿具有較高含水率，在運輸過程中難免遺撒，不僅影響市容，而且清洗道路后產(chǎn)生的污水還會堵塞城市排污系統(tǒng)，因此如何科學(xué)有效的降低泥漿的含水率十分關(guān)鍵。機械處理法、化學(xué)絮凝法、化學(xué)固化法［4-6］可對泥漿進(jìn)行無害化脫水處理。機械處理法處理后泥漿含水率在30%左右，強度較低，并且設(shè)備租賃購買及維護(hù)費用較高?；瘜W(xué)絮凝法與化學(xué)固化法因操作簡單經(jīng)濟(jì)性好得到廣泛研究與使用。楊春英等［7］用多種PAM絮凝劑對泥漿脫水處理，研究了泥漿的脫水絮凝機理。范英宏［8］用PAM對膨潤土泥漿進(jìn)行絮凝脫水，發(fā)現(xiàn)APAM的脫水效果最好；陳源等［9］用水泥、硅酸鈉、硫酸鋁配制的固化劑對海南紅黏土廢泥漿固化處理取得良好固化效果。楊愛武等［10］用石灰、石膏、水泥固化軟土得到了很好的固化效果。現(xiàn)有利用絮凝劑、固化劑單摻或復(fù)配進(jìn)行脫水固化研究主要針對污泥、鉆井泥漿、淤泥等，對于盾構(gòu)泥漿的研究較少，盾構(gòu)廢棄泥漿由于其特殊施工工藝，具有含水率高、粘性大、含有添加劑的特點［11］，已有研究從經(jīng)濟(jì)與技術(shù)方面不一定適用于盾構(gòu)廢棄泥漿，因此針對盾構(gòu)廢棄泥漿優(yōu)選出科學(xué)經(jīng)濟(jì)的資源化處理方法具有重要意義。

結(jié)合復(fù)合類絮凝劑與無機類固化劑特點，利用復(fù)合類絮凝劑與無機類固化劑對盾構(gòu)泥漿先后進(jìn)行絮凝脫水以及固化，研究其脫水固化機理并提出絮凝劑與固化劑的最佳摻量。為盾構(gòu)泥漿的處理與資源化利用提出思路與建議。

1 材料與方法

1.1 泥漿

廢棄泥漿取自青島市嶗山區(qū)在建地鐵泥水盾構(gòu)廢棄泥漿，濕密度1.65g/cm3、含水率為85%、PH值為10.5，泥漿化學(xué)成分見表1。

表1 泥漿化學(xué)成分分析 %

1.2 絮凝劑

絮凝劑由陰離子聚丙烯酰胺（APAM）與聚合硫酸鐵（PFS）按1：1比例配制而成，陰離子聚丙烯酰胺分子量為1200萬，聚合硫酸鐵中鐵含量為18.5%。

1.3 無機類固化劑

固化劑由生石灰、石膏、水泥、硅酸鈉配制而成。硅酸鈉為白色粉末狀，純度99.8%，模數(shù)為2.0。水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，化學(xué)成分見表2。生石灰主要成分CaO含量占比98%，化學(xué)成分見表3。石膏主要成分CaO與SO3的占比81%，化學(xué)成分見表4。

表2 水泥化學(xué)成分分析 %

表3 石灰化學(xué)成分分析 %

表4 石膏化學(xué)成分分析表 %

1.4 實驗方法

盾構(gòu)廢棄泥漿的含水率一般在85%～95%，將所取原狀泥漿含水率分別稀釋至85%、90%、95%，置于100ml量筒中充分?jǐn)嚢韬蠹尤霃?fù)合類絮凝劑。每個含水率下，絮凝劑摻量分別設(shè)置為泥漿的0.05%、0.1%、0.2%、0.3%，對照組為不加絮凝劑的自由沉降試驗。觀察4h內(nèi)分離液體渾濁度及絮凝體大小，確定不同配比下的絮凝效果。將絮凝后的泥漿用200目濾布過濾，取脫水過濾后的泥漿放入烘箱烘干，計算最終含水率。

將脫水處理后的泥漿倒入攪拌機，攪拌2min，再加入固化劑攪拌4min。然后將混合漿液填入φ=45mm、h=90mm的圓柱模具中，用修土刀刮平，然后用薄膜封口，靜置1d后拆模，為保證水分不會蒸發(fā)，拆模后用薄膜覆蓋試塊，置于養(yǎng)護(hù)箱中（濕度大于95%，溫度于20℃±2℃）養(yǎng)護(hù)，待到指定齡期測試其抗壓強度，同一類型試件進(jìn)行三次測試，取平均值作為其強度。

1.5 固化材料配合比設(shè)計

無機類固化劑通常在10%左右可以形成良好固化效果［12，13］，能夠達(dá)到運輸強度要求，但當(dāng)前研究多為以水泥為主的水泥基固化劑，在不提高固化劑摻量的前提下，增設(shè)多種固化材料復(fù)配進(jìn)行研究，降低材料花費。生石灰、石膏、硅酸鈉、水泥對泥漿固化起積極的作用，各組分通過自身以及相互之間的水化反應(yīng)對泥漿進(jìn)行固化。其中，石灰與石膏對高含水率泥漿有著很好的干化作用，并且生成的堿性環(huán)境利于激發(fā)水泥活性，參考相關(guān)文獻(xiàn)［14-16］，石膏與石灰摻量分別取為泥漿的4.5%與3%；水泥在泥漿中經(jīng)水化作用生成的C-S-H凝膠等水化產(chǎn)物能夠顯著提升土體的強度。硅酸鈉作為助凝劑一方面可加快泥漿凝結(jié)固化，另外也能參與調(diào)節(jié)固化劑中水泥、石灰、石膏的水化反應(yīng)，改善固化效果［17，18］。通過調(diào)整水泥與硅酸鈉在泥漿中的占比來觀察不同配比下泥漿固化的強度，分析固化機理同時找出最佳配比。水泥摻量設(shè)為1%、1.5%、2%。硅酸鈉摻量為0.5%、1%、1.5%。試驗共9組試件，具體配合比見表5。

表5 固化劑配合比 %

2 結(jié)果分析

2.1 絮凝劑摻量對絮凝作用的影響

4h絮凝效果見表6，首先通過泥漿的自由沉降試驗得出，盾構(gòu)廢棄泥漿無法通過自由沉降進(jìn)行泥水分離。加入絮凝劑后可使泥漿迅速脫穩(wěn)，形成絮狀沉淀實現(xiàn)泥水分離。分析絮凝劑成分可知，絮凝劑中的APAM組分能夠利用其高分子鏈在水中的伸展吸附作用，聚攏泥漿中的土顆粒，從而形成大塊絮狀物沉淀，達(dá)到絮凝效果，聚合硫酸鐵組分則可以將泥漿以及絮凝物進(jìn)行電離破壞掉內(nèi)部的膠體體系，釋放被包裹的水分，因此復(fù)合類絮凝劑能夠迅速有效的實現(xiàn)盾構(gòu)泥漿的泥水分離。

表6 不同含水率盾構(gòu)泥漿4h絮凝效果

當(dāng)含水率為85%時，0.05%與0.1%摻量的絮凝劑絮凝效果較差，隨著含水率增加到90%與95%時，同摻量下絮凝劑的的絮凝作用愈加明顯，可以說明含水率越高，達(dá)到絮凝效果所需絮凝劑的摻量越少。這是因為泥漿含水率為85%時，含泥量較高，低濃度的絮凝劑無法對所有土顆粒完成吸附架橋作用，含水率的增加提高了高分子鏈在泥漿中的伸展程度，增大了與土顆粒的接觸面積，從而增強了絮凝作用。

加入不同摻量絮凝劑并充分?jǐn)嚢韬螅糜嫊r器記錄時間，觀測并記錄30min、1h、2h、3h、4h時間點的固相沉淀在量筒中的體積刻度。絮凝劑摻量與泥漿沉降時間關(guān)系曲線見圖1。

圖1 絮凝劑摻量與泥漿沉降時間關(guān)系曲線圖

由圖1可以看出85%、90%、95%含水率的泥漿在絮凝劑的作用下，30min內(nèi)迅速沉淀，反應(yīng)于4h完成。隨絮凝劑摻量的增加，沉淀泥漿體積占比變大，這是由于絮凝劑摻量較少時形成的絮狀物較密實，而摻量較多時，絮凝作用下生成的絮團(tuán)包裹了較多水分，沉淀體積因此較大。另外，當(dāng)絮凝劑摻量從0.05%～0.3%時圖1（a）中4h后沉淀體積增加了9.92ml，從圖1（b）中看出增加了7.42ml，圖1（c）中增加了4.07ml，可以看出含水率越大，不同摻量絮凝劑作用下產(chǎn)生的泥漿沉淀體積差距變小，說明在較高含水率時，泥漿中絮凝劑的濃度變化對絮凝作用產(chǎn)生的影響較小。

2.2 絮凝劑摻量對泥漿脫水率的影響

不同絮凝劑摻量對泥漿含水率的影響見圖2。

圖2 絮凝劑摻量對泥漿含水率的影響

由圖2可以看出，隨著絮凝劑含量的增大，脫水后泥漿的含水率呈現(xiàn)先減后增的趨勢，即原狀泥漿的脫水量先增大后減小。這是因為當(dāng)絮凝劑含量過少時，無法將泥漿中的所有土顆粒凝聚為絮狀體產(chǎn)生沉淀，實現(xiàn)泥水分離；含量過高時形成的絮狀體則會包裹較多水分無法濾出，因此這兩種情況下都無法達(dá)到最優(yōu)的脫水效果。從脫水效果確定不同含水率下絮凝劑的最佳摻量，85%含水率的泥漿在0.2%濃度絮凝劑作用下脫水效果最好，脫水率為24.99%。90%含水率的泥漿在0.1%濃度下脫水效果最好，脫水率為33.76%，95%含水率的泥漿在0.1%濃度絮凝劑作用下脫水效果最好，脫水率為42.53%，結(jié)合絮凝效果可以得出高含水率的泥漿絮凝所需的絮凝劑更少，并且脫水效果更好。因此在實際工程中，適當(dāng)?shù)奶岣吣酀{含水率再加入絮凝劑進(jìn)行脫水處理更為經(jīng)濟(jì)。

2.3 固化后試件強度

將養(yǎng)護(hù)到3d、7d、14d、28d的試樣置于電子萬能試驗機測試無側(cè)限抗壓強度，加載速率為0.1kN/s。各組試件抗壓強度見圖3。試塊養(yǎng)護(hù)14d照片見圖4。

圖3 無側(cè)限抗壓強度與硅酸鈉摻量的關(guān)系

圖4 試塊養(yǎng)護(hù)14d照片

由圖3可以看出，不同硅酸鈉摻量的試件抗壓強度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長都有不同程度的提高。試件在早期強度迅速增長，隨齡期增大強度增長速率逐漸變緩。齡期3d的試件強度基本在0.1MPa，強度較低，而在7d時，試件強度都在0.2MPa以上，滿足土體開挖和運輸?shù)膹姸纫?，因此固化時間至少為7d，并且硅酸鈉摻量越大，試件強度越大。這表明硅酸鈉利于早期強度的提升。另外，比較齡期14d的試件強度，發(fā)現(xiàn)硅酸鈉摻量為0.5%與1%的試件抗壓強度明顯高于摻量為1.5%的試件。結(jié)合圖4可知，當(dāng)硅酸鈉摻量為1.5%時，14d齡期的試件表面粗糙且出現(xiàn)局部開裂，硅酸鈉可促進(jìn)水泥與石膏的水化，推測這是因為過量的硅酸鈉使得試件在早期產(chǎn)生了較多的水化產(chǎn)物，造成了體積膨脹，亦會使試件出現(xiàn)裂縫并導(dǎo)致強度下降。

由圖5可以看出，當(dāng)水泥摻量從1%增加至2%時，硅酸鈉摻量為0.5%、1%、1.5%的試件28d抗壓強度分別增加了50.2%，64.84%，58.82%?？梢娝嗪康淖兓@著影響了盾構(gòu)泥漿的固化強度。另外，可以看出1%摻入比是固化劑中硅酸鈉的最佳摻量，試件28d的抗壓強度最高，在2%水泥摻量下最高能達(dá)到1.5MPa，可作為建筑填料使用。

圖5 不同配比試件28d強度變化

2.4 XRD結(jié)果及分析

脫水后未固化泥漿與固化后在養(yǎng)護(hù)28d試件的XRD圖譜如圖6所示。可以看出，脫水后泥漿的主要物相為石英、鈉長石和少量方解石。經(jīng)固化后的試件產(chǎn)生了C-S-H凝膠、鈣礬石的衍射峰，且CaCO3的峰相比未固化更高。能夠得出經(jīng)固化后28d試件中生成了水化硅酸鈣（C-S-H）、鈣礬石與方解石晶體。根據(jù)固化劑成分分析可知，水泥與石灰在泥漿中經(jīng)水化作用生成了C-S-H凝膠、Ca（OH）2等產(chǎn)物。石膏與含鋁相產(chǎn)物反應(yīng)生成了鈣礬石晶體。由于硅酸鈉的摻入，Ca（OH）2一方面經(jīng)碳酸化作用與CO2反應(yīng)轉(zhuǎn)化為了CaCO3，另一方面與硅酸鈉快速反應(yīng)轉(zhuǎn)化為了強度更高的C-S-H凝膠。因此，固化后試件的早期強度提升迅速。在上述凝膠與晶體對土體的膠結(jié)與填充作用下從而對泥漿產(chǎn)生固化效果。

圖6 脫水后泥漿及固化后泥漿的XRD圖譜

3 經(jīng)濟(jì)分析

文中從絮凝脫水到固化處理用了多種固化劑，具體流程較為復(fù)雜，以達(dá)到運輸強度考慮，選取最優(yōu)配比做一個簡單的經(jīng)濟(jì)分析，以便于實際應(yīng)用。以泥漿密度為1.65g/cm3計算，絮凝劑摻量取泥漿的0.2%；水泥摻入比為脫水后泥漿的1%，生石灰摻量3%，石膏摻量4.5%，水玻璃摻量0.5%，整體摻量不到泥漿的10%。綜合市面上材料價格，取聚丙烯酰胺3200元/t、聚合硫酸鐵830元/t、水泥單價418元/t、生石灰300元/t、石膏200元/t、硅酸鈉2400/t。僅考慮材料的前提下處理一方泥漿需要花費的費用為63.05元。具體明細(xì)見表7。

表7 處理一方泥漿所需材料花費明細(xì)

4 結(jié)語

（1） 泥漿含水率的提高，可促進(jìn)絮凝劑的絮凝作用與脫水效果。85%、90%、95%含水率的廢棄泥漿所對應(yīng)最優(yōu)的絮凝劑摻比為0.2%、0.1%、0.1%。適當(dāng)?shù)奶岣吣酀{含水率再加入絮凝劑進(jìn)行脫水處理更為經(jīng)濟(jì)有效。

（2） 水泥、生石灰、石膏、硅酸鈉在泥漿中通過自身或相互之間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了C-S-H凝膠、Ca-CO3晶體以及鈣礬石。硅酸鈉能顯著提高固化泥漿的早期強度，過量增加會降低泥漿中后期固化強度。泥漿固化強度隨水泥摻量的增加而增大。固化強度最高可達(dá)1.5MPa，可用于建筑填料，實現(xiàn)了泥漿的資源化利用。