關(guān)于廢棄工程泥漿的水凝膠固結(jié)方法的研究

門 本 馬 強(qiáng)

(四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司大橋工程分公司，四川 成都 610015)

1 概述

近年來，我國建筑業(yè)隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，基礎(chǔ)工程、橋梁工程、市政工程等施工項(xiàng)目不斷增多，工程泥漿由于其能夠懸浮土渣、防止孔壁坍塌的作用被廣泛地使用在鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻、盾構(gòu)掘進(jìn)等施工工作中。與此同時(shí)，產(chǎn)生了大量的廢棄泥漿，廢棄泥漿有著pH相對(duì)較高、含水率變化較大、懸浮物含量高等特點(diǎn)，直接排放到環(huán)境中或是經(jīng)由雨水的沖刷滲入地下都會(huì)對(duì)植物、土壤以及水環(huán)境產(chǎn)生不良影響。當(dāng)前，我國基礎(chǔ)建設(shè)體量龐大、環(huán)保要求日益提高，因此廢棄泥漿的處治壓力劇增。

國內(nèi)現(xiàn)有以下幾種處治技術(shù)：高速離心脫水回收、化學(xué)強(qiáng)化固液分離、MTC轉(zhuǎn)化、注入安全地層等。高速離心脫水回收技術(shù)主要針對(duì)泥漿中各組分的密度不同，利用高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力使各個(gè)組分在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行分離，并對(duì)沉淀物進(jìn)行回收作業(yè)。化學(xué)強(qiáng)化固液分離則是在固液分離的工序前對(duì)泥漿進(jìn)行化學(xué)強(qiáng)化造粒絮凝，使泥漿形成密實(shí)絮體顆粒再對(duì)漿體進(jìn)行離心分離。此外，通過在泥漿中加入高爐礦渣等膠凝材料將泥漿轉(zhuǎn)化成水泥漿的MTC技術(shù)也同樣用于泥漿的處治作業(yè)中。上述處治泥漿的技術(shù)普遍存在效率較低、設(shè)備投入及能耗較大、無法資源化利用等不足。此外，泥漿地處治周期較長，在處治過程中泥漿的長期堆積不僅占用大量土地資源，而且大幅度增加工程造價(jià)。有必要尋求簡便高效、經(jīng)濟(jì)適用、環(huán)保無害,并可資源化利用的新手段及方法，兼顧環(huán)保意義與經(jīng)濟(jì)價(jià)值，達(dá)到資源循環(huán)利用可持續(xù)發(fā)展的目的。

針對(duì)既有現(xiàn)狀，國內(nèi)學(xué)者對(duì)廢棄工程泥漿的處治做了一些相關(guān)研究。

黃俊妤等[1]對(duì)城市建筑泥漿的管理現(xiàn)狀、污染問題進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明廢棄工程泥漿存在資源化利用技術(shù)水平較低，易造成環(huán)境污染等問題。

翟玉新[2]提出一種基于化學(xué)破乳原理的廢棄泥漿處理方法，將泥漿中的水和固體廢棄物進(jìn)行固化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示將聚丙烯酰胺投放入泥漿中，靜止24 h后有明顯沉淀凝結(jié)。

陶祝華[3]以上海某工程項(xiàng)目為基礎(chǔ)，對(duì)施工泥漿固化處理進(jìn)行了研究分析。通過對(duì)泥漿進(jìn)行振動(dòng)分離、離心沉淀，實(shí)現(xiàn)泥漿的脫水與干化處理。提出了一種新的泥漿處治工藝流程。

董婭瑋等[4]提出了采用鐵鹽破膠的方法，使用粉煤灰、石灰為主凝固劑，外加黃土為輔料對(duì)泥漿進(jìn)行固化處治。結(jié)果表明該種工藝行之有效，處理后得知各項(xiàng)指標(biāo)滿足國家污水排放標(biāo)準(zhǔn)。

陳原野等[5]為了達(dá)到泥漿的無害化處治，采用了“預(yù)處理—破膠—固化—無害化處理施工—無害化退場(chǎng)”處理工藝的研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，聚合氯化鋁鐵為最佳破膠劑，處理后的水能達(dá)到無害化要求。

綜上所述，國內(nèi)的廢棄工程泥漿的處治與國外相同，主要是以高速離心脫水回收技術(shù)、化學(xué)強(qiáng)化固液分離技術(shù)等為主要處治手段。處治方法較為成熟，但固化時(shí)間長、工作量大，后期的壓實(shí)、挖運(yùn)和堆放等暴露已久的問題沒有得到解決。

由此本文提出，使用陽離子瓜爾膠為基體，硼砂為交聯(lián)劑制備水凝膠體系，通過水凝膠形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將泥漿中的顆粒包裹起來，從而達(dá)到固化泥漿的作用。瓜爾膠是一種水溶性高分子聚合物，其化學(xué)名稱為瓜爾膠羥丙基三甲基氯化銨，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。分子結(jié)構(gòu)以聚甘露糖為分子主鏈，其中甘露糖與半乳糖單元之摩爾比為2∶1，與硼酸鹽離子進(jìn)行反應(yīng)時(shí)形成五元環(huán)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生交聯(lián)，如圖2所示。國內(nèi)外學(xué)者也對(duì)瓜爾膠—硼砂體系在改變流體的流變特性以及吸附液體中的顆粒物的能力和應(yīng)用做了一些研究。

范亮姣[6]通過利用硼砂交聯(lián)黃原膠/瓜爾膠混合溶液，改變了液體的流變特性。

Nandkishore Thombare[7]使用不同比例的硼砂交聯(lián)瓜爾膠制備水凝膠，檢驗(yàn)了該體系在水凈化方面應(yīng)用的可能性。結(jié)果表明，該體系能有效地對(duì)水中的鋁和鉀進(jìn)行吸附。

本文希望通過瓜爾膠—硼砂體系的建立，有效地改變漿體的流變特性，利用其形成水凝膠所需要的時(shí)間較短的特性，加快固化廢棄工程泥漿的速度；并利用其形成的固結(jié)物具有一定強(qiáng)度、便于進(jìn)行搬運(yùn)、堆放的優(yōu)勢(shì)，縮短廢棄工程泥漿的處治周期，給廢棄工程泥漿的處治帶來經(jīng)濟(jì)效益。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文主要通過化學(xué)物理的方式，構(gòu)筑瓜爾膠—硼砂體系，將泥漿包裹在瓜爾膠—硼砂凝膠體系內(nèi)，形成含泥水凝膠。

本文使用的瓜爾膠為工業(yè)級(jí)陽離子瓜爾膠和上海鑫達(dá)精細(xì)化工有限公司的四硼酸鈉進(jìn)行試驗(yàn)。

本文的研究目標(biāo)為四川廣元市三江新區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目中樁基工程的廢棄工程泥漿。該項(xiàng)目共包括2條一級(jí)公路兼城市主干路、1條次干路、2處互通立交、1處分離式立交和1座小凈距隧道、28道涵洞。涉及多個(gè)地區(qū)需要進(jìn)行樁基工程和盾構(gòu)工程，需要處理大量的廢棄泥漿；隨著環(huán)保要求提高，處治造價(jià)攀升，對(duì)工程建設(shè)帶來更大壓力。在技術(shù)方面，所在區(qū)域土地主要有耕土、素填土、粉質(zhì)黏土及砂巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖等，這使廢棄泥漿的成分變得更加復(fù)雜，也使處治難度增加。本文針對(duì)該項(xiàng)目的具體情況選取下述3種不同的泥漿進(jìn)行試驗(yàn)。

將廢棄工程泥漿干燥處理后的粉末進(jìn)行復(fù)水，制成泥漿A進(jìn)行固結(jié)；同時(shí)根據(jù)施工地區(qū)的不同，選取了兩種不同的泥漿B和C原液進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。其含泥量如表1所示。

表1 使用的三種泥漿的含泥量

2.2 泥漿處治方法

由于沒有成熟的含泥水凝膠的制備工藝作為參考，本實(shí)驗(yàn)中按照下述方法進(jìn)行水凝膠的制備：稱取一定量的泥漿于塑料碗中，固定于攪拌機(jī)支架上，持續(xù)慢速攪拌(100 r/min)。將瓜爾膠加入塑料碗中，將攪拌機(jī)轉(zhuǎn)速提高至700 r/min，持續(xù)攪拌約5 min；待瓜爾膠全部溶解于泥漿后，攪拌機(jī)降速至200 r/min。加入硼砂，持續(xù)攪拌30 s，制得含泥水凝膠樣品。

同時(shí)，本實(shí)驗(yàn)使用絮凝劑對(duì)廢棄工程泥漿進(jìn)行絮凝，通過加入泥漿質(zhì)量0.05%的陽離子丙烯酰胺進(jìn)行絮凝，其結(jié)果作為參照組與水凝膠固化實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2.3 含泥水凝膠的環(huán)境耐受性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證制備的含泥水凝膠在潮濕環(huán)境下不會(huì)溶解、分解到水體中，本研究進(jìn)行了含泥水凝膠的環(huán)境耐受性試驗(yàn)。

環(huán)境耐受性試驗(yàn)是將制備完成的含泥水凝膠填充于10 cm×2 cm×2 cm的硅膠模具中，放置于露天場(chǎng)所。72 h后脫模后測(cè)量其尺寸，觀察樣品在日曬下是否變形或開裂，在雨水的沖刷下是否重新溶解擴(kuò)散于水中。

3 分析與討論

本文首先通過針對(duì)含泥量為20%的泥漿A進(jìn)行了絮凝試驗(yàn)。經(jīng)過24 h的絮凝，三杯泥漿都呈現(xiàn)出分層現(xiàn)象，泥漿中的固體顆粒物均有一定程度的沉淀，除去上層清液后剩余質(zhì)量為總體泥漿質(zhì)量的62.3%，泌水率為37.7%。結(jié)果表明，絮凝劑能有效地使泥漿中的顆粒物沉淀下來，便于泥漿的處治。不過，沉淀過程所花費(fèi)的時(shí)間較長，且根據(jù)絮凝劑濃度的增加，上層清液呈現(xiàn)出粘稠化的趨勢(shì)，如何適量地投入絮凝劑保證上層清液達(dá)到國家污水排放標(biāo)準(zhǔn)同樣需要進(jìn)一步研究。此外，經(jīng)過絮凝沉淀處理后的泥漿下層溶液沒有固化，需要其他工序?qū)ζ溥M(jìn)行處理便于搬運(yùn)。

其次，本文使用泥漿A進(jìn)行了水凝膠的制備試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示，瓜爾膠—硼砂體系能夠?qū)⒛酀{中的顆粒進(jìn)行網(wǎng)羅包裹住，形成了有一定強(qiáng)度的固結(jié)物，其性狀如圖3所示。水凝膠形成所花費(fèi)的時(shí)間約為5 min，相較于耗時(shí)24 h的絮凝，使用水凝膠對(duì)廢棄工程泥漿進(jìn)行固化處理更加高效。形成的含泥水凝膠擁有較好的強(qiáng)度，并且有一定的飽水性，能夠以固體的狀態(tài)進(jìn)行挖掘、運(yùn)輸，給泥漿處治工藝上帶來便利。筆者認(rèn)為，可以根據(jù)廢棄工程泥漿的實(shí)際情況選擇在制備含泥水凝膠之前對(duì)泥漿進(jìn)行絮凝作業(yè)，泌出部分水分減少泥漿質(zhì)量，減小運(yùn)送壓力。

為了驗(yàn)證本方法可以對(duì)實(shí)際廢棄工程泥漿進(jìn)行處治，筆者對(duì)項(xiàng)目中的廢棄工程泥漿進(jìn)行了收集，使用B，C兩種泥漿的原液進(jìn)行了水凝膠固化試驗(yàn)。由于含泥量的不同，對(duì)B種泥漿的含泥水凝膠制備配比進(jìn)行了調(diào)整。調(diào)整配比以及制備中材料情況如表2所示。

表2 水凝膠配比及狀態(tài)

瓜爾膠：硼砂質(zhì)量比為2∶0.5時(shí)，硼砂用量較多、無法完全溶解在液體中，形成的含泥水凝膠中有未能反應(yīng)的硼砂顆粒存在；不過，含泥水凝膠有較好的強(qiáng)度及挑掛性質(zhì)。含泥水凝膠的挑掛性質(zhì)表征了其能否承受挖掘、搬運(yùn)等工序的能力，是判斷能否快速處理廢棄工程泥漿的一個(gè)重要指標(biāo)。樣品2所制備含泥水凝膠強(qiáng)度及挑掛性質(zhì)符合要求，硼砂固體也全部溶解。樣品3則無法交聯(lián)形成含泥水凝膠，無法進(jìn)行挑掛，樣品性狀如圖4所示。相較于圖4a)的含泥水凝膠，右側(cè)的則無法用木棍挑掛起來，泥漿整體呈現(xiàn)出半固體半液體狀態(tài)。同時(shí)考慮泥漿的挑掛性質(zhì)及材料用量多寡所對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益，本試驗(yàn)采用泥漿∶瓜爾膠∶硼砂質(zhì)量比為100∶2∶0.4的配比進(jìn)行含泥水凝膠的制備。

參照該配比，對(duì)使用泥漿B制備的含泥水凝膠進(jìn)行了72 h的環(huán)境耐受性試驗(yàn)。一般來說，含泥水凝膠由于其網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，使其在干燥環(huán)境中很難再分散；在飽水情況下則可能產(chǎn)生一些剝落，導(dǎo)致體積損失。為了模擬工地實(shí)際可能遇到的氣候、天氣條件，本實(shí)驗(yàn)選取了干濕參半的氣候環(huán)境對(duì)制備的含泥水凝膠進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)中天氣變化及氣溫變化如表3所示。試件尺寸變化如表4所示，放置72 h后，三個(gè)樣品的長寬高變形均在3%以內(nèi)，平均體積減少率為15%。交聯(lián)反應(yīng)時(shí)，各部分交聯(lián)程度有差異，一部分交聯(lián)形成體積較大的網(wǎng)絡(luò)，一部分交聯(lián)形成較小的網(wǎng)絡(luò)。在兩者之間鏈接不緊密時(shí)，雨水沖刷會(huì)導(dǎo)致交聯(lián)較小的部分脫落，形成環(huán)境耐受性試驗(yàn)中樣品體積損失的情況。試驗(yàn)結(jié)果顯示，剝落部分所占比例不大，且剝離主體的部分不會(huì)溶解于水中，能夠滿足實(shí)際工地的堆放要求。

表3 試驗(yàn)周期天氣及氣溫表

表4 環(huán)境耐受性試驗(yàn)試件尺寸變化

按照相同配比，對(duì)廢棄工程泥漿C原液也進(jìn)行了含泥水凝膠的制備。相較于A，B兩種泥漿，泥漿C的粘稠度更大，在不進(jìn)行靜置沉淀作業(yè)的情況下，能形成如圖5a)所示的含泥水凝膠，有較好的強(qiáng)度、良好的挑掛性質(zhì)。當(dāng)進(jìn)行靜置沉淀之后，下層漿體固形物增加，形成的含泥水凝膠表面比較粗糙，部分泥漿未能完全包裹在水凝膠網(wǎng)絡(luò)中(如圖5b)所示)。當(dāng)泥漿中固形物過多時(shí)，固形物會(huì)吸附加入的瓜爾膠，導(dǎo)致用以交聯(lián)的瓜爾膠不足，無法形成足夠的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對(duì)泥漿進(jìn)行包裹。由此，針對(duì)不同含泥量、不同稠度的泥漿，使用瓜爾膠—硼砂體系進(jìn)行處治時(shí)的材料選擇以及配比需要進(jìn)一步研究。

另外，由瓜爾膠—硼砂體系所構(gòu)建的含泥水凝膠擁有較好的飽水性能，使用合理的配比進(jìn)行制備的含泥水凝膠有作為培養(yǎng)基質(zhì)材料再利用的可能性。

4 結(jié)語

本文以四川廣元市三江新區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，旨在提出一種新型、高效的廢棄工程泥漿處治方法。通過使用瓜爾膠—硼砂體系構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包覆泥漿中固形物，達(dá)到快速固化泥漿的目的。對(duì)三種不同的廢棄工程泥漿進(jìn)行了水凝膠的制備試驗(yàn)，并對(duì)形成的含泥水凝膠的性狀進(jìn)行了觀察研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：

1)瓜爾膠—硼砂體系形成的水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以對(duì)廢棄工程泥漿進(jìn)行固化，且固化過程耗時(shí)較短；

2)通過該體系形成的含泥水凝膠具有一定的挑掛性質(zhì)，表明含泥水凝膠在形成之后能夠承受挖掘、搬運(yùn)等處理；

3)制成的含泥水凝膠有一定的環(huán)境耐受性，具有在陰雨天氣下保證其自身不溶解、分散的能力。