鉆孔灌注樁工程泥漿固液分離系統(tǒng)及泥漿循環(huán)凈化和廢棄泥漿處理工法

【摘要】文章研發(fā)了一種振動(dòng)篩、離心機(jī)、加藥箱及管路系統(tǒng)組成的泥漿凈化和廢棄泥漿處理系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)不同組分和容重泥漿使用多種絮凝劑進(jìn)行室內(nèi)交叉試驗(yàn)絮凝特性分析，定量確定了不同組分泥漿的最佳絮凝劑類型及絮凝劑最佳用量；針對(duì)不同泥漿護(hù)壁鉆孔灌注樁施工工法制定不同的循環(huán)凈化和廢棄泥漿處理方案； 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用此處理系統(tǒng)進(jìn)行泥漿循環(huán)凈化有效降低了泥漿含沙量與比重、提高泥漿膠體率與穩(wěn)定性、粘度等指標(biāo)也達(dá)到工程適用水平；廢棄泥漿處理后，液相物達(dá)到生活中水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，固相物可使用運(yùn)渣車(chē)運(yùn)走，真正達(dá)到了綠色施工的目的。

【關(guān)鍵詞】鉆孔灌注樁；泥漿凈化；廢棄泥漿處理；絮凝；中水；

1 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)家城市化建設(shè)進(jìn)程的持續(xù)推進(jìn)，各種隱蔽性巖土工程施工產(chǎn)生的廢棄泥漿量也與日俱增。例如：僅溫州一個(gè)中小城市每年產(chǎn)生的廢棄泥漿量就達(dá)80萬(wàn)立方。

在實(shí)際施工過(guò)程中，施工方對(duì)非達(dá)標(biāo)泥漿一般作廢棄泥漿處理，造成資源浪費(fèi)且增加廢棄泥漿排放量。施工亂排廢棄泥漿現(xiàn)象非常嚴(yán)重，極大的破壞了城市環(huán)境。泥漿排入排水管道或直接排入河道，導(dǎo)致管道及河道淤塞，嚴(yán)重影響城市安全（圖1、圖2）。例如：2010年，僅無(wú)錫主城區(qū)就有三分之一的河道被工程廢棄泥漿淤塞，部分河道甚至失去河道功能，造成了巨大的汛期排水安全隱患。

隨著對(duì)工程泥漿危害認(rèn)識(shí)的深入，國(guó)內(nèi)科研工作者對(duì)廢棄泥漿處理展開(kāi)研究，工程施工技術(shù)人員也陸續(xù)提出幾種工程廢漿處理措施，但多數(shù)措施都有較大的約束條件，不宜推廣使用。例如：

（1）焚燒法。即用高溫蒸發(fā)掉泥漿中的水分而分離出固相，其耗能大，且必須使用專門(mén)的轉(zhuǎn)爐進(jìn)行焚燒，難以在工程施工中推廣使用；

（2）集中填埋處理。即城市管理者收集本市的廢棄工程泥漿外運(yùn)至野外荒地進(jìn)行填埋處理，這種處理方式花費(fèi)巨大的泥漿運(yùn)輸及選用廢棄場(chǎng)地費(fèi)用，增加施工成本，且廢棄泥漿對(duì)填埋地生態(tài)環(huán)境影響還需進(jìn)一步的研究，所以本方法在工程施工中只可作為暫時(shí)應(yīng)對(duì)措施，不宜大規(guī)模推廣使用；

（3）自然沉淀法、化學(xué)沉淀法、機(jī)械分離法等。即使用各種方法使泥漿固液分離，這幾種廢棄泥漿處理辦法不能做到真正的泥水分離，處理后的漿液往往不能達(dá)到市政污水排放標(biāo)準(zhǔn)，還需使用罐車(chē)運(yùn)輸排放，而且以上各種方法處理后液相物不能重復(fù)利用，浪費(fèi)水資源；

2工程泥漿的一般特性

泥漿在工程樁基成孔（或地連墻成槽）鉆進(jìn)中具有極其重要的作用，其性能的好壞直接影響鉆進(jìn)速度、孔壁穩(wěn)定、懸浮攜帶鉆渣、孔內(nèi)事故的預(yù)防及單樁承載力大小。為滿足護(hù)壁、攜渣、潤(rùn)滑鉆具等施工要求，各種施工工法所需工程泥漿需要具備不同的特殊性能（表1），例如：密度、黏度、靜切力、失水量、泥皮質(zhì)量、含砂量、膠質(zhì)率、pH值等。

泥漿中含有大量的分散和水化好的粘土顆粒不易聚集沉降，可長(zhǎng)時(shí)間維持懸浮狀態(tài)，保證了泥漿黏度、密度和性能穩(wěn)定性；泥漿一般在堿性范圍內(nèi)比較穩(wěn)定，否則會(huì)引起泥漿粘度、靜切力和失水量等性能的變化，所以配制泥漿時(shí)一般需加入少許燒堿調(diào)節(jié)泥漿PH值；為保證泥漿有足夠的容重，需加入一定量的重晶石粉調(diào)節(jié)泥漿密度。

重晶石粉顆粒粒徑一般在3～10 之間，配漿膨潤(rùn)土顆粒粒徑為0.02 ，而懸浮粘土顆粒直徑約為1-2 ，所以工程泥漿中含有大量的小粒徑懸浮顆粒；而在施工過(guò)程中，由于泥漿攜帶鉆渣或地層接觸，泥漿中也含有大量的粒徑為毫米級(jí)以上的固相顆粒。

泥漿一般在堿性范圍內(nèi)比較穩(wěn)定，否則會(huì)引起泥漿粘度、靜切力和失水量等性能的變化。所以泥漿PH值一般保持在8～9.

3工程廢棄泥漿固液分離處理系統(tǒng)

工程廢棄泥漿處理方案設(shè)計(jì)思想為按粒徑從大到小依次去除泥漿中的固相物質(zhì)。其中大顆粒物質(zhì)通過(guò)振動(dòng)設(shè)備去除；粒徑為毫米級(jí)固相顆粒通過(guò)離心設(shè)備去除；小粒徑固相物質(zhì)及泥漿中的膠體物質(zhì)通過(guò)在泥漿中添加絮凝劑使其絮凝，再通過(guò)離心設(shè)備去除。廢棄泥漿處理后的固相物質(zhì)含水量控制在40%以下，以便可作為工程回填土或使用工程車(chē)輛運(yùn)走處理；液相物能夠達(dá)到建筑中水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，可作為工地洗車(chē)、道路清潔及沖廁用水等。

工程非達(dá)標(biāo)泥漿處理方案設(shè)計(jì)思想：同工程廢棄泥漿處理方案設(shè)計(jì)思想，但保留泥漿中小粒徑固相物質(zhì)及膠體物質(zhì)等能夠優(yōu)化泥漿性能指標(biāo)的泥漿組分。即：只需在施工過(guò)程中，將大顆粒物質(zhì)通過(guò)振動(dòng)設(shè)備去除、粒徑為毫米級(jí)固相顆粒通過(guò)離心設(shè)備去除即可達(dá)到工程非達(dá)標(biāo)泥漿循環(huán)凈化處理目的。

通過(guò)大量的工程實(shí)地考察和論證分析，依據(jù)工程泥漿處理方案設(shè)計(jì)思想，并吸收傳統(tǒng)廢棄泥漿處理中自然沉淀法、化學(xué)固液分離法和機(jī)械固液分離法的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)明了廢棄泥漿三級(jí)凈化處理方案。

第一級(jí)：廢棄泥漿通過(guò)振動(dòng)篩，大顆粒鉆渣（粒徑>2mm）被篩分出來(lái)并通過(guò)工程車(chē)輛運(yùn)走，漿液流入泥漿沉淀池中；

第二級(jí)：將沉淀池中的廢棄漿液抽取到離心機(jī)進(jìn)行第一次離心凈化，使粒徑0.05mm～2mm的固相顆粒從漿液中分離，并將剩余漿液抽取到配漿池中暫存；

第三級(jí)：將配漿池中的漿液混合加藥系統(tǒng)配制的絮凝劑藥液，使第二級(jí)處理后的漿液中的小粒徑固相顆粒和膠體絮凝沉淀后，再次抽取到離心機(jī)進(jìn)行固液分離。固相顆粒運(yùn)走，對(duì)液相物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，達(dá)到城市建筑中水標(biāo)準(zhǔn)后排放或儲(chǔ)存使用，如果未達(dá)到城市建筑中水標(biāo)準(zhǔn)，則將液相物質(zhì)抽取到配漿池與配漿池中漿液混合，重復(fù)第三級(jí)凈化工作，直至液相物質(zhì)全部達(dá)到建筑中水標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)排水設(shè)施排放或儲(chǔ)存使用。

如圖3所示，工程廢棄泥漿固化處理及泥漿循環(huán)凈化系統(tǒng)由振動(dòng)篩、加藥裝置、臥式螺旋離心機(jī)、泥漿沉淀池、工程泥漿池、配漿池、泥漿管、泥漿泵及閥門(mén)等組成，其中“振動(dòng)篩、加藥裝置、臥式螺旋離心機(jī)”是整個(gè)系統(tǒng)的主機(jī)系統(tǒng)，泥漿池是工程泥漿及廢漿容器，泥漿管、泥漿泵和閥門(mén)共同構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的管路系統(tǒng)，如圖4所示。

4 廢棄泥漿固液分離絮凝劑選用試驗(yàn)

工程廢棄泥漿中的主要污染物為粒徑大小不等的固相顆粒及膨潤(rùn)土、黏土水合作用形成的懸浮膠體。使用工程廢棄泥漿三級(jí)處理系統(tǒng)中的第一、二級(jí)處理系統(tǒng)，可以有效去除泥漿中粒徑大于0.05mm的固相顆粒，而對(duì)于廢棄泥漿中的部分粉細(xì)砂（粉土）顆粒、大部分的重晶石粉顆粒和幾乎全部的膨潤(rùn)土、黏土水合物不能進(jìn)行有效去除。所以，必須選用合適的絮凝劑并在加藥系統(tǒng)中制備絮凝劑溶液，對(duì)泥漿中的上述物質(zhì)進(jìn)行絮凝處理后使用離心機(jī)進(jìn)行固液分離。

絮凝劑的作用主要是由帶有正電（負(fù)）性的基團(tuán)中和泥漿中帶有負(fù)（正）電性難于分離的一些粒子或者顆粒結(jié)合，降低其電勢(shì)，使其處于不穩(wěn)定狀態(tài)，并利用絮凝劑的聚合性質(zhì)使得這些顆粒集中后通過(guò)物理或者化學(xué)方法分離出來(lái)。絮凝劑按照其化學(xué)成分總體可分為無(wú)機(jī)絮凝劑和有機(jī)絮凝劑兩類。其中無(wú)機(jī)絮凝劑又包括無(wú)機(jī)凝聚劑和無(wú)機(jī)高分子絮凝劑；有機(jī)絮凝劑又包括合成有機(jī)高分子絮凝劑、天然有機(jī)高分子絮凝劑和微生物絮凝劑。

通過(guò)對(duì)泥漿性能的分析，綜合考慮絮凝劑的毒性和在本項(xiàng)目廢棄泥漿三級(jí)處理系統(tǒng)中的適用性，本試驗(yàn)選用無(wú)機(jī)低分子絮凝劑硫酸鋁、無(wú)機(jī)高分子絮凝劑聚合氯化鋁及有機(jī)高分子絮凝劑聚丙烯酰胺（陰離子、陽(yáng)離子）作為備選泥漿固化處理劑。

4.1 泥漿試驗(yàn)樣本制取

泥漿配制方法不同，其懸浮顆粒組成成分也不同，有效的絮凝劑類型也不一樣。所以要針對(duì)不同組分的泥漿分別進(jìn)行試驗(yàn)。

在實(shí)際工程中，由于泥漿的自然沉淀，比重一般不大于1.15，黏度一般不高于22s。因?yàn)楸驹囼?yàn)?zāi)酀{樣本需模擬工程廢棄泥漿經(jīng)過(guò)第一次離心固液分離處理后的泥漿，所以配制試驗(yàn)?zāi)酀{比重為1.1，黏度為18s。

參考實(shí)際工程中泥漿組分，擬配制以下三組不同組分泥漿（比重1.1，黏度18s）：

a、黏土；

b、黏土+膨潤(rùn)土+纖維素+燒堿；

c、黏土+膨潤(rùn)土+燒堿；

泥漿中的膨潤(rùn)土水合物、燒堿及纖維素在本系統(tǒng)第一次固液分離處理中幾乎不能有效分離，所以以上b、c組泥漿膨潤(rùn)土、燒堿及纖維素配比應(yīng)與實(shí)際工程泥漿相同，物料質(zhì)量比為： 水：膨潤(rùn)土：燒堿：纖維素=1000：60：3：1。

按上述要求在燒杯中依次配制三種泥漿樣本各2000ml備用。

4.2 試劑配制

絮凝劑的絮凝效果除了與泥漿中物料的電荷屬性、物料粒徑及泥漿ph值等泥漿自身的物理性質(zhì)有關(guān)，絮凝溫度、絮凝劑的制備方法等對(duì)絮凝劑的絮凝效果也有較大影響。本試驗(yàn)控制室內(nèi)溫度為18℃左右，絮凝劑攪拌方法模擬本項(xiàng)目固液分離系統(tǒng)中加藥箱攪拌方式。

聚合氯化鋁試劑（2%）配制方法：稱量PAC2g，盛入洗凈的200ml量筒中，加清水約50ml，待溶解后再加水稀釋至100ml刻度，搖勻備用；15010468175

聚丙烯酰胺試劑（1‰）配制方法：稱量PAM0.1g，均勻撒入裝有100ml清水的量筒中，緩慢攪拌，搖勻備用；

硫酸鋁試劑（2%）配制方法：稱量聚合氯化鋁2g，盛入洗凈的200ml量筒中，加清水約50ml，待溶解后再加水稀釋至100ml刻度，搖勻備用；

4.3 絮凝劑初試試驗(yàn)及絮凝物性質(zhì)

依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，如圖5、6、7所示，綜合考慮本項(xiàng)目泥漿固液三級(jí)分離系統(tǒng)工作方式與各絮凝劑的絮凝效果，初步確定使用聚丙烯酰胺（陰離子）作為含有膨潤(rùn)土泥漿的固液分離絮凝劑，使用聚丙烯酰胺（陽(yáng)離子）作為不含有膨潤(rùn)土泥漿的固液分離絮凝劑；

4.4各泥漿樣本最優(yōu)加藥量分析

工程泥漿比重一般控制在1.2-1.4之間，泥漿在沉淀池內(nèi)自然沉淀后，比重一般不大于1.15。因?yàn)楸驹囼?yàn)?zāi)酀{樣本需模擬工程廢棄泥漿經(jīng)過(guò)第一次離心固液分離處理后的泥漿，所以配制試驗(yàn)?zāi)酀{比重為1.1，黏度為18s。因?yàn)椴煌恼承酝梁团驖?rùn)土在經(jīng)過(guò)第一次離心固液分離后，比重一般不同，所以需要對(duì)比重不同的泥漿樣本進(jìn)行絮凝試驗(yàn)，以確定泥漿比重不同對(duì)絮凝效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果分析如圖8、9、10、11所示。

以泥漿樣本c作為研究對(duì)象，在量筒內(nèi)分別配制比重為1.08、1.06、1.04、1.02的泥漿各100ml，根據(jù)1min內(nèi)絮凝物可沉淀至50ml且上清液澄清作為絮凝劑加入量標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)定每種比重泥漿的最佳絮凝劑量。

5 工程泥漿泥水分離系統(tǒng)工程示范

5.1泥漿循環(huán)凈化試驗(yàn)

本試驗(yàn)?zāi)康臑橥ㄟ^(guò)檢測(cè)工程泥漿循環(huán)凈化前后泥漿性能，并調(diào)試泥漿脫水機(jī)運(yùn)行參數(shù)，測(cè)試固液分離系統(tǒng)泥漿循環(huán)凈化效果并驗(yàn)證泥漿循環(huán)凈化處理工藝的合理性，完成泥水分離系統(tǒng)泥漿循環(huán)凈化功能驗(yàn)收。

本試驗(yàn)采用在2號(hào)泥漿池內(nèi)新配制泥漿模擬鉆孔/挖槽泥漿。為保證配制泥漿與實(shí)際工程施工過(guò)程中泥漿的相似性，采用膨潤(rùn)土+粉質(zhì)黏土（順義土）作為泥漿組分配制方案，泥漿組分質(zhì)量比為水：膨潤(rùn)土：粉質(zhì)黏土=100：5：20。2號(hào)泥漿池容量為2.5 ，需先加入膨潤(rùn)土100kg并靜置24h，待膨潤(rùn)土充分水和后加入粉質(zhì)黏土400kg并攪拌均勻。圖12為泥漿調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)圖。

泥漿調(diào)制完畢后測(cè)得泥漿比重為1.13，粘度為19s，基本符合實(shí)際施工過(guò)程中泥漿經(jīng)振動(dòng)篩篩分和沉淀池自然沉淀后的比重與粘度。

使用塑料桶舀取5kg此次試驗(yàn)?zāi)酀{，作為泥漿循環(huán)凈化前后性能對(duì)比泥漿樣品并妥善保存。

通過(guò)檢測(cè)工程泥漿循環(huán)凈化前后泥漿粘度、膠體率等性能發(fā)現(xiàn)，泥漿循環(huán)凈化有效降低了泥漿含沙量與比重、提高泥漿膠體率與穩(wěn)定性、并使得非達(dá)標(biāo)泥漿的粘度等指標(biāo)達(dá)到工程適用水平，達(dá)到了泥漿循環(huán)凈化的目的。本試驗(yàn)驗(yàn)證了泥漿循環(huán)凈化處理工藝的合理性及使用泥漿固液分離系統(tǒng)進(jìn)行泥漿循環(huán)凈化處理的有效性，完成了泥水分離系統(tǒng)泥漿循環(huán)凈化功能驗(yàn)收。

5.2廢棄泥漿固液分離處理試驗(yàn)

本試驗(yàn)?zāi)康臑橥ㄟ^(guò)檢測(cè)工程廢棄泥漿固液分離后泥餅含水率及上清液水質(zhì)，并調(diào)試泥漿脫水機(jī)運(yùn)行參數(shù)，測(cè)試固液分離系統(tǒng)廢棄泥漿固液分離效果并驗(yàn)證廢棄泥漿處理工藝的合理性，完成泥水分離系統(tǒng)廢棄泥漿處理功能驗(yàn)收。試驗(yàn)相關(guān)圖片如圖13、14、15所示。

依據(jù)前文結(jié)論，選取聚丙烯酰胺陽(yáng)離子為廢棄泥漿處理絮凝劑。因?yàn)樾跄齽┑男跄Чc泥漿物料組成、溫度、固相顆粒粒徑、PH值等多種因素有關(guān)，所以對(duì)廢棄泥漿作現(xiàn)場(chǎng)絮凝試驗(yàn)，以保證廢棄泥漿固液分離試驗(yàn)的順利進(jìn)行，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)絮凝試驗(yàn)，確定聚丙烯酰胺陽(yáng)離子使用量為30ppm。

經(jīng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，廢棄泥漿處理后的上澄清液達(dá)到中水標(biāo)準(zhǔn)，可以作為生活再生水使用。固相物含水量為30%，可以使用運(yùn)渣車(chē)運(yùn)走做填埋處理。

5 結(jié)論與展望

通過(guò)對(duì)不同組分和容重泥漿使用多種絮凝劑進(jìn)行室內(nèi)交叉試驗(yàn)絮凝特性分析，定量確定了不同組分泥漿的最佳絮凝劑類型及絮凝劑最佳用量；針對(duì)不同施工工法制定不同的循環(huán)凈化和廢棄泥漿處理方案； 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用此處理系統(tǒng)進(jìn)行泥漿循環(huán)凈化有效降低了泥漿含沙量與比重、提高泥漿膠體率與穩(wěn)定性、粘度等指標(biāo)也達(dá)到工程適用水平；廢棄泥漿處理后，液相物達(dá)到生活中水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，固相物可使用運(yùn)渣車(chē)運(yùn)走，真正達(dá)到了綠色施工的目的。

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