吹填泥浆快速处理方法的室内试验研究

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 试验材料与方案

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。