橋梁鉆孔灌注樁泥漿固化實驗研究

蔡海燕，范晶晶，艾建杰

（西南科技大學城市學院建筑工程學院，四川 綿陽 621000）

0 引言

隨著經濟的快速發展，我國基礎設施的未來建設朝著“大規模、大空間”方向的發展，由此產生的建設工程廢棄泥漿的處理問題已成為工程建設中不可避免的巨大難題之一。目前建設工程廢棄泥漿基本上是直接利用土方車外運廢棄為主，這不僅造成了施工隱形成本的大幅增加，也給繁重的城市交通運輸系統增加了額外的壓力，由于泥漿運輸過程中的漏灑以及廢棄泥漿的隨意排放對于周邊自然環境及國土資源產生了不利的影響。其具體表現在：①廢棄泥漿的外運處理占據了施工方大量的資金與時間成本，不利于施工成本的控制和施工進度效率的提高；②大量的土方車運輸給交通帶來了巨大的壓力，由土方車引起的交通事故頻繁發生，給社會及人民生命財產安全造成了不利的影響；③運輸過程泥漿漏灑給道路行車安全及道路保養增加隱患；④廢棄泥漿若采用就地簡單填埋的方式，將會使得填埋場地的土體資源長時間無法正常使用，因填埋場地的地基承載力低，部分工程廢棄泥漿甚至還會造成土地資源的污染。

1 國內外泥漿固化的研究現狀

目前，國內外工程廢棄泥漿的處理方法有高速離心脫水回收技術、化學強化固液分離技術、MTC 轉化技術、注入安全地層或環形空間[1]。

（1）化學絮凝固液分離處理法在需要處理的泥漿溶液中加入絮凝劑使得泥漿原有的膠體體系結構被破壞，而在絮凝劑的作用下將泥漿溶液中的細微顆粒聚結使待處理廢棄泥漿黏土顆粒表面性質得到調整，然后再在機械設備的作用下實現廢棄泥漿固體和液體分離的目的，分離出的液體還需要進一步的處理，達到相關標準后再排放至周圍水體中，而分離出的固體顆粒物質可用于路基回填或種植土。該方法雖然處理工藝與技術相對比較簡單、工作效率較高，但是所用的絮凝劑與固液分離設備所需要花費的工程成本很高[2]。

（2）高速離心脫水回收將需要脫水處理的廢棄泥漿防止在高速離心裝置進行脫水處理，脫水處理后將固體物質外運，而脫出的水經處理后繼續循環使用。該方法對于廢棄泥漿的處理效率較低，設備投入資金以及所使用的電能較多[3]。

（3）化學絮凝加高速離心脫水的處理方法在需要處理的廢棄泥漿中加入化學絮凝劑，經沉淀將其分離出無法直接堆放和運輸的含水量較高的固體，再將所分離出的含水率較高的固體置于高速離心裝置中進行高速離心脫水，進一步降低固體物質的含水率以便直接運輸或堆放。該方法的泥漿固化效率仍較低，需要投入大量的資金用于設備的購買，且對于操作者的技術要求較高[4]。

（4）注入安全地層在地理與地質條件適宜地區可將廢棄的泥漿直接注入不向周圍滲透且壓裂梯度較低的安全地層中。該方法雖然操作較簡單，但是需要購買專用的設備，對地質條件有較苛刻的要求，同時還存在對已有地下水體的污染的可能性，因此很難普遍使用此種方法處理廢棄泥漿[5]。

（5）回填處理將工程施工過程中所產生的廢棄泥漿直接集中排放在事先挖好的存儲坑內，過很長一段時間后經自然沉淀，將分離出的上層液體直接排放，在待坑中沉淀物自然風干后用作工程土直接使用或直接就地填埋。該方法雖處理工藝簡單、對周圍環境的影響性小，但所需要的時間較長且需要占用大量的工程用地，對于場地受限且工期有嚴格要求的項目不適用。

（6）再循環使用將工程施工過程中所產生的泥漿直接運輸到距離較近的下一個施工點繼續使用，此種方法雖然能將廢棄泥漿循環使用，但在運輸的過程中很容易漏灑在施工便道上，污染施工環境，影響施工區域的交通安全。

（7）采用化學固化劑處理法直接在需要處理的工程廢棄泥漿中加入化學固化劑，待泥漿與固化藥劑反應生成具有一定強度或適宜植被生長的土壤后，再將其直接填埋或用作施工的填料。該方法對于周圍生態環境影響較小，且比較容易回填還耕。

2 橋梁鉆孔灌注樁泥漿特性

目前，在橋梁鉆孔灌注樁的施工過程中常采用高嶺土或膨潤土制造泥漿，因所用土在水中分解為較小顆粒物而形成懸浮液和膠體溶液的混合型液體。橋梁鉆孔灌注樁所使用的泥漿所具有的特點為：①泥漿因黏度較大，呈現出流體或者半流體狀態，泥漿組成物中固體顆粒物粒徑極小，水分含量較高很難機械脫水，而在自然風干的過程中失水較緩慢，遇水后又極易回復成流體或半流體的狀態，采用自然排放后對施工場地周圍的土壤和植被影響較大；②由于在造漿時加入了大量膨潤土或粘土，并在鉆孔過程中攜帶了泥砂及表層土等，導致廢棄泥漿固體物質含量較高；③在泥漿制造過程中必須加入由多種無機成分和有機成分所組成的化學處理劑，而處理劑的加入使得廢棄泥漿中的CODCr含量、表面化學活性劑及重金屬等有害物質含量嚴重超出了國家允許排放的標準要求[6]。

3 泥漿固化處理室內試驗

3.1 試驗方案設計

本試驗的主要研究內容為結合試驗泥漿特性與現場施工的要求采用化學絮凝的方法將泥漿的膠體結構破壞分離出粘土就地實現橋梁鉆孔灌注樁廢泥漿的固液分離，再使用施工現場的通用設備經過簡單的操作后，形成一種低成本、高效率、易操作的施工工藝，從而實現廢棄泥漿處理安全快速且成本較低的目標，其具體的技術路線如圖1 所示。

圖1 泥漿固化技術研究路線

3.2 泥漿取樣與土體物理性質試驗

本試驗所取泥漿為綿陽市涪江三橋橋址下游右側50m 處的淤泥質土，取樣后對所取試樣進行土體物理性能試驗測定，測定主要結果為：泥漿的天然含水率為74.9%，液限44.7%，塑限33.9%，塑性指數為10.8，該泥漿中的土體為低液限粉土。在對土樣物理力學分析的基礎上，采用1200 萬～1600 萬分子量的陰離子聚丙烯酰胺（APAM）作為泥漿固化的絮凝劑對試驗所用的淤泥質土進行固化處理，從而獲得用陰離子聚丙烯酰胺處理該淤泥質土泥漿的規律及相關試驗數據。

3.3 絮凝劑的選擇與溶液配置

絮凝劑種類的選擇與泥漿的物理力學性質密切相關，還應考慮絮凝效果與成本以及絮凝劑是否有毒與用后對周圍水資源的污染，因此必須選擇無毒無害的絮凝劑。根據相關文獻資料查詢可知，無毒害性的聚乙烯酰胺可作為工程建設廢棄泥漿固化的絮凝劑。再根據前期試驗比對發現1200 萬～1600 萬分子量的陰離子聚丙烯酰胺（APAM）的對本試驗的泥漿絮凝效果優于其他分子量的聚丙烯酰胺，為找出適宜與本試驗泥漿的絮凝劑溶液濃度，需要配置一系列不同濃度的絮凝劑溶液，并且為了保證絮凝劑的充分溶解需要高速攪拌1.5h。

3.4 混凝試驗

混凝試驗主要是指將絮凝劑所配置的混凝溶液與泥漿溶液的混合，而兩種溶液的混合是否需要攪拌以及攪拌時間的長短也將影響混凝試驗的結果。若長時間攪拌會破壞新形成的泥漿膠體結構，從而導致絮團松散，各個絮團之間的水分充分飽和，所產生的固體沉淀物也不容易收縮；而若攪拌時間過短，則會使得絮凝劑與泥漿顆粒沒有完成充分的接觸從而化學反應不充分，使得未反應的部分泥漿顆粒仍然懸浮水中不能沉淀。

混凝試驗步驟：取100mL 已攪拌均勻的廢泥漿于150mL 燒杯中，按單位體積的泥漿加入絮凝劑的質量為標準（單位為mg/mL），把兩種溶液按比例均勻混合，先700r/min 高速攪拌1min，再100r/min 低速攪拌1min，然后靜30min，最后再觀察實驗燒杯中泥水的分離效果，并將其與析出水量作為選擇絮凝劑種類與摻量的標準。具體實驗數據如圖2～5 所示：

圖2 11200+1.22 混凝試驗

圖3 11500+1.22 混凝試驗

圖4 21600+1.22 混凝試驗

根據混凝試驗的結果圖2 所示采用11200 溶質配制的梯度溶液，當溶液濃度為1 的時候混凝試驗析水量較采用其他濃度的析水量大且形成的固態膠體較為穩定；圖3 所示采用11500溶質配制的梯度溶液，當溶液濃度為1.5‰的時候混凝試驗析水量較采用其他濃度的析水量大且形成的固態膠體較為穩定；圖4所示采用21600 溶質配制的梯度溶液，當溶液濃度為0.8‰的時候混凝試驗析水量較采用其他濃度的析水量大且形成的固態膠體較為穩定。在試驗過程中，發現混凝效果較好的濃度分別為11500+1.0‰+35mL，以及21600+0.8‰+25mL。圖5 所示采用固定濃度0.5‰溶液，可以看出試驗用泥漿更適合選用21600 溶質所選用的絮凝劑其析水量大。

圖5 0.5‰+1.22 混凝試驗

3.5 廢棄泥漿處理施工要點

（1）泵送泥漿根據泥漿固化的要求選擇合適的泵送系統，以穩定的管道流量與壓力確保泥漿流量與絮凝固化劑添加比例合理性。避免因設計不合理造成管道堵塞，增加損失，不利于泥水分離。

（2）泥漿分離絮凝后的泥漿需要通過離心機進行分離處理，所選設備應與混凝設備相匹配，并在排渣口分離出的水通過排出口流出，泥漿處理后的含沙量達到標準后可直接排放到沉淀池中，若不達標則需要再一次添加絮凝劑直至符合標準為止。

（3）渣土處置通過處理后的渣土應送至指定區域堆放或者排入周圍空地，再通過運輸設備將其堆放到指定地點，處理后的渣土也可通過改良作為路基土或種植土使用。

4 結語

本文主要通過相關試驗研究分析出適宜于綿陽地區淤泥質泥漿的絮凝劑的種類與濃度為：21600+0.8‰，試驗結果表明混凝與析出水量效果較好。為了更好地解決廢棄泥漿固化所產生的一系列問題，還需要進一步針對不同巖土工程所產生的不同種類的廢棄泥漿進行室內相關試驗確定所需絮凝劑的種類及試驗配置濃度，以保證工程的施工進度，減少對工程施工環境的影響，并在可能的前提下將所產生的廢棄泥漿資源通過固化試驗在用于工程建設使用，從而達到工程建設可持續發展的目的。