吹填泥浆快速处理方法的室内试验研究

来源:优秀文章 发布时间:2023-02-10 点击:

刘龙武,周斌,2,宁泽宇

(1.长沙理工大学土木工程学院,湖南 长沙 410114;
2.湖南省勘测设计院有限公司,湖南 长沙 410000)

近些年,随着我国大力发展基础设施建设,吹填工程产生的吹填泥浆日益增多,泥浆处理成了工程处置的一大难题。传统做法是先将泥浆置于堆场自然风干(这需要占用大量场地长达2~3年的时间才能形成表面的硬壳层),再进行真空预压处理。但由于吹填泥浆的渗透性差、含水量高、排水固结速度慢、抗剪强度低。未经处置的泥浆不能直接弃置或用作填土。但该方法过长的工期常常难以满足工程建设的需求,且该方法不适宜多雨地区。

目前,泥浆处理方法主要有化学絮凝,真空预压和机械脱水等[1]。国内一些学者也进行了相关研究。詹良通[2]等人使用堆载真空预压工艺,在30 d内将泥浆的含水率从450%降到95%,但仍远达不到工程的需求。张吕林等人[3]研究了通过化学絮凝剂的方法来解决泥浆处理的问题,将阴离子型聚丙烯酰胺(apam aninoic polycrylamide,简称为APAM)加入泥浆中,最终泥浆含水率从500%降到200%,只花费了1 d的时间,效果显著,但处理后200%的泥浆含水率依然远未达到工程需求。

因此,单一的真空预压和絮凝沉降泥浆的处理方法均难以满足工程需要,必须研究一种综合处理的新方法提高泥浆处理效率。

本研究综合了各泥浆处理方法,提出了絮凝-真空预压-二次掺灰改性联合处理方法,并进行了室内试验研究。

试验所用泥浆取自湘江长沙段淤泥,其天然含水率约为120%,泥浆含砂量较高,且含微量有机质,根据《土工试验方法标准》(GB/T50123-2019)测得其物理性质指标,具体为:湿密度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 絮凝剂的选择

泥浆是胶体分散体系,具有一定的化学稳定性,其土颗粒主要是黏粒和粉粒,自然沉降速度缓慢。通过加入化学絮凝剂,可破坏泥浆体系中的化学稳定性,促使水与固体颗粒分离,达到泥浆轻量化和干化的目的。各类泥浆由于组成成分差异较大,物理化学性质差异较大,盲目地使用絮凝剂不仅处理效果不佳,还会造成环境污染等问题。因此,选择有针对性的絮凝剂既能达到最佳效果,又可节约资源和保护生态环境。絮凝剂分为无机试剂和有机试剂两种,常见絮凝剂有:生石灰、石膏、聚合氯化铝(polyaluminum chloride,简称为PAC)、聚合硫酸铝(polyaluminum sulfate,简称为PAS)、聚合氯化铁(polymeric ferric chloride,简称为PFC)和聚丙烯酰胺(polyacrylamide,简称为PAM)等[4]。

本试验选择生石灰、石膏、PAC、APAM和阳离子型聚丙烯酰胺(cationic polycrylamide,简称为CPAM)5种典型絮凝剂进行絮凝沉降试验,优选出最适宜处理湘江长沙段疏浚淤泥的絮凝剂。

2.2 试验方法与结果分析

本研究采用直接观测沉降界面法[5]进行试验,选取6个容量为1 L的量筒并加入1 000 g湘江长沙段疏浚泥浆,往各量筒内加入不同的絮凝剂,匀速搅动5 min,观察泥水分界面的高度变化,记录试验数据并对比分析。

试验数据如图1~2所示。根据试验数据计算各量筒在絮凝沉降24 h后的含水率,结果分别如图3~4所示。

图1 0.5%絮凝剂掺量的试样沉降过程Fig.1 Settling process of sample with 0.5%flocculant content

图2 1%絮凝剂掺量的试验沉降过程Fig.2 Settling process of sample with 1%flocculant content

图3 0.5%絮凝剂掺量的试样24 h沉降结果Fig.3 Settlement result of sample with 0.5%flocculant content after 24 h

图4 1.0%絮凝剂掺量的试样24 h沉降结果Fig.4 Settlement result of sample with 1%flocculant contentafter 24 h

从图3~4可以看出:

1)在絮凝沉降试验开始后的前24 h内,PAC和CPAM等阳离子型絮凝剂能显著提高泥浆的沉降效率。其中,分别加入1%的PAC、CPAM的两组试样的最终含水率分别为100%和110%;
对比空白组(不添加絮凝剂组),沉降效果分别提升了16.7%和8.3%。PAC对泥浆的絮凝效果优于CPAM的。

2)APAM等阴离子型絮凝剂的絮凝沉降效果不佳,甚至对泥浆的沉降产生了阻碍作用,使其沉降效率降低。这是因为黏土颗粒表面带负电荷,由于电荷中和作用,只有阳离子型絮凝剂才能使泥浆更好地沉降絮凝[6]。

3)在试验的前8 h内,各泥浆试样的沉降速度均较快,在12~24 h内沉降速度放缓,而24 h后沉降速度较慢。

本研究旨在提升300%含水率的泥浆处理效率,选取能使泥浆含水率在24 h内降至100%以下的PAC絮凝剂。当泥浆絮凝沉降处理效果达到工艺要求后,进行真空预压脱水工序。

2.1 试验设备

自制真空预压脱水模型由真空泵、水气分离装置、泥浆脱水管和监测系统四部分构成,如图5所示。

图5 真空预压试验模型Fig.5 The model for vacuum preload test

水气分离装置由三轴仪压力室制成。监测系统由两个真空度表组成,其中,真空度表I测量水气分离置的真空负压,真空度表II测量泥浆脱水管中砂装垫层的真空负压。泥浆脱水管由聚氯乙烯(polyvinyl chloride,简称为PVC)管制成,直径20 cm,长80 cm,内部结构如图6所示。

图6 泥浆脱水管内部结构图(单位:m)Fig.6 Internal structure diagram of mud dewatering pipe(unit:m)

各部分用高强度塑料硬管有序连接,组成完整的真空预压脱水模型。通过抽真空,让泥浆脱水管内外形成气压差,管内负压将水从土体中孔隙水排出,降低孔隙水压力,使土体固结、密实。

2.2 试验方案

将絮凝沉降后泥浆的泥水分界面的上层清夜抽出,将剩余泥浆填入泥浆脱水管指定位置,并用PVC盖板密封。密封完成后启动真空泵,使泥浆脱水管中砂垫层的真空负压保持在-70 kPa以下,对泥浆脱水管管口的泥浆含水率和密度进行实时监测和记录。泥浆密度、含水率与沉降速率分别如图7~9所示

2.3 试验结果与分析

从图7~9中可以看出,泥浆脱水量随时间变化可分为三个阶段:①在试验前6 h内,抽水速率极快,泥浆中的水分以水流的形式从泥浆脱水管内被抽出,水流有些许浑浊,脱水量随时间快速增长,此阶段为快速脱水阶段;
②在试验6~30 h内,随着时间的增加,抽水速率放缓,泥浆中的水分以水沫的形式被抽出,水沫较为清澈,泥浆脱水量随时间稳定增长,此阶段为稳定脱水阶段;
③在试验进行30 h后,抽水速率继续减小,无明显水分被抽出,泥浆脱水量缓慢增长,泥浆含水率和密度变化较小,此阶段为缓慢脱水阶段。

图7 泥浆密度变化Fig.7 The change graph of mud density

分析发现,随着真空预压试验的进行,泥浆脱水效率不断降低,含水率减小,脱水速率放缓,这是透水土工布中空隙被土颗粒堵塞导致的。在试验初期,泥浆呈流塑状态,水分大多为自由水且处于流动状态,土颗粒间有效应力为0 kpa,真空形式的压力能在泥浆中有效传递。随着试验的进行,泥浆中自由水被逐渐抽出,土颗粒在真空负压的作用下向砂垫层方向聚集、相互接触,土颗粒间有效应力增加,渗透路径不断减小,使透水土工布空隙逐渐堵塞,最终在土工布表面形成淤堵层,此时泥浆脱水效率接近于0。

试验持续进行30 h后,泥浆脱水管内的泥浆开始进入缓慢脱水阶段,此时,土工布表面虽已形成淤堵层,但泥浆脱水管内的泥浆已从初始的流动状态转变为软塑状态,含水率降至40.52%,较初始含水率大幅降低,处于液限和塑限状态之间,这说明处理效果显著。此后,真空预压脱水效率将明显降低,进入下一泥浆处理阶段。

图8 泥浆含水率与时间变化Fig.8 The curve of mud water content-time

图9 沉降速率变化Fig.9 The change graph of settlement rate

3.1 试验材料方案

试验土料取自湘江长沙段淤泥。将天然土料烘干、研磨后,按45%初始含水率配制试验土样。

按改性土二次掺灰方案[7]进行试验。将土样分为3组(每组两个试样测量,所测结果取平均值),分别掺入1%、2%和3%的生石灰并搅拌均匀,焖料1 d后测量各组的含水率、液限和塑限指数,再在各组试样中掺入2%的水泥并搅拌均匀,养护1 d后分别测量各组试样的含水率和无侧限抗压强度。

3.2 试验结果与分析

第一和第二次掺灰后各组测量结果分别见表2~3,各组轴向应力与轴向应变之间的如图10所示。

图10 轴向应力与轴向应变的关系Fig.10 Relationship between axial strain and axix stress

表2 第二次掺灰后土样的含水率Table 2 Water content of soil sample after the second lime mixing (%)

由表1~2可知:随着生石灰掺量的增加,土样的液限和含水率逐渐降低,塑限逐渐升高。第3组试样经焖料1 d后,其塑性指数为19.39,液性指数为0.591,试样从软塑状的淤泥转变成可塑状的粉质黏土。这是由于生石灰与土中水发生熟化反应消耗水分,反应产生的热量加速水分的迁移和土样的脱湿[8-9]并同时产生砂化效应,反应产物使土颗粒胶结凝聚,形成更大粒径的土颗粒[10]。

表1 第一次掺灰后土样的物理性质Table 1 Physical properties of soil samples after first lime mixing

从图10可以看出,在泥浆中掺入水泥后,水泥与土中水分发生水化反应和火山灰反应,其反应生成物C-S-H,促进土颗粒进一步胶结凝聚[11],最终形成稳定的土骨架。经养护1 d后试样的塑性指数与稠度较改性前降低,而强度大大提高。第2和第3组这两组试样在掺入2%的水泥并经养护1 d后,无侧限抗压强度均能达到60 kPa以上,满足大部分轻型施工机械的承载力和施工要求,可以用作沿海地区的港口填土。

综上所述,从经济角度考虑,可选择生石灰和水泥作为泥浆二次掺灰方案。

本研究提出一种絮凝-真空预压-二次掺灰改性的联合处理方法,并对其进行了室内试验研究,所得结论为:

1)阳离子型絮凝剂能显著提高泥浆沉降效率,而阴离子型絮凝剂会对泥浆沉降产生阻碍作用。PAC为处理湘江长沙段淤泥的最佳絮凝剂。在初始含水率为300%的泥浆中掺入1%的PAC沉降24 h后,其含水率可降至100%。

2)在真空预压脱水试验中,泥浆脱水量随时间变化可分为三个阶段:快速脱水阶段、稳定脱水阶段和缓慢脱水阶段。在前两个阶段中,泥浆脱水效率较高,土颗粒渗透路径较大,泥浆含水率可从100%降至40%左右;
而在缓慢脱水阶段,泥浆脱水效率很低。

3)泥浆经先掺石灰,焖料后,再进行掺入水泥的二次掺灰改性处理后,其塑性指数与稠度降低,含水率降至36.5%,强度显著提高,无侧限强度达到60 kPa以上,改性效果较好。

4)本研究提出的联合处理方法分三个阶段进行,工艺流程如下:第一阶段为絮凝沉降阶段,通过在泥浆中掺入合适的絮凝剂(PAC),待泥浆含水率降至约100%时结束;
第二阶段为真空预压脱水阶段,当泥浆进入缓慢脱水阶段或含水率降至40%左右时结束;
第三阶段为二次掺灰改性阶段,选择合适的生石灰和水泥经掺入,改性处理后的泥浆无侧限抗压强度可达60 kPa以上。

5)经过本联合方法处理后的泥浆含水率大幅降低,强度显著提高,能直接用于沿海地区港口填土,可解决沿海地区土料缺失问题。本方法处理流程可在4~5 d内完成,缩短了泥浆处理的施工工期,且符合环保标准。

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