PAM類有機絮凝劑對高黏粒含量廢棄泥漿脫水性能影響研究

李春林，吳言坤，呂煥杰，王登峰，杜昌言，閔凡路3, , *

(1.濟南城市建設集團有限公司，山東 濟南 250000; 2.清華大學土木水利學院，北京 100084; 3.中鐵十四局集團有限公司, 山東 濟南 250014; 4.河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210098; 5.中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，江蘇 南京 211899)

0 引言

泥水盾構工法由于其安全高效的特點，廣泛應用于我國鐵路、公路、市政地鐵及水利等領域的穿江越海隧道建設[1-2]。盾構刀盤掘削下的地層土與泥漿混合后經出漿管輸送至地面泥漿處理系統，在盾構穿越粉質黏土地層時，泥漿中黏粉粒含量顯著增加[3]。由于黏粉粒顆粒細小，很難通過篩分設備將其分離出來，導致經處理后的泥漿的密度和黏度增大，以至于無法滿足黏土類地層中掘進泥漿指標要求，需要廢棄部分泥漿，同時向沉淀池中加水來降低泥漿密度和黏度。隨著盾構的快速掘進，將產生大量的廢棄泥漿，若不及時處理將制約盾構掘進施工。因此，廢棄泥漿前期的快速脫水減量十分重要。

泥水盾構穿越粉質黏土地層時產生的廢棄泥漿黏粉粒含量高、密度大，細顆粒極難快速沉淀。有學者研究表明，當泥漿中黏粒質量分數大于30%時其2 h析水率不足10%[4]，因此廢棄泥漿產量較大的工程中高黏粒含量泥漿的處理已經成為泥水盾構面臨的一大難題。泥水盾構工程中處理廢棄泥漿的方法通常以化學絮凝配合機械脫水為主，將絮凝劑與泥漿混合進行泥水分離脫去一部分水分，然后對分離后的濃縮泥漿再次進行機械脫水[5-6]。適宜的絮凝劑在化學絮凝加機械脫水的泥漿處理方法中至關重要[7-9]。

為提高盾構泥漿泥水分離速率，常鴿等[10]、李旭[11]針對盾構工程泥漿進行了絮凝沉降試驗，發現不同含水率和密度的泥漿對應不同的絮凝劑種類及最優添加量，脫水效果有所差異；王海良等[12]通過研究分析含水率為99%、98%、97%的渣土廢棄泥漿的上清液濁度、絮體含水率以及絮體尺寸大小，確定了復摻PAC和APAM、PAC和CPAM的最佳摻量；張呂林等[13]將室內和現場的絮凝試驗相結合，得到有機和無機2種絮凝劑在處理黏粉土地層施工產生的廢棄泥漿時的最優添加量。以上研究發現，絮凝劑種類、絮凝劑添加量、絮凝劑分子量、泥漿含水率和泥漿密度等均是影響泥漿絮凝脫水效果的因素，其中，PAM類有機絮凝劑能夠顯著提高泥漿的脫水效果。然而，對于PAM類有機絮凝劑作用于高黏粒含量泥漿時的絮凝沉降規律還缺少進一步的分析，且未對絮凝沉降后泥漿的脫水性能進行評價。

本文采用不同添加量的3種PAM類有機絮凝劑與泥漿充分混合后開展絮凝沉降試驗，測試其沉降速率，通過顆粒粒徑、上清液濁度和Zeta電位等分析泥漿絮凝沉降效果差異，并通過比阻試驗得到的泥漿抽濾量及比阻值的變化規律，分析3種PAM類有機絮凝劑不同添加量的泥漿脫水性能。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

廢棄泥漿取自濟南市濟濼路穿黃隧道工程，為盾構掘進中排出的含渣泥漿經過泥水分離設備處理后的泥漿。取回的泥漿在室內實驗室進行了含水率、密度、蘇式漏斗黏度等基本物理性質指標的測定。試驗得到的泥漿基本性質見表1。圖1為采用Malvern Mastersizer 2000型激光粒度儀測試得到的泥漿顆粒級配曲線。

表1 泥漿基本性質

圖1 泥漿顆粒級配曲線

土力學中定義粒徑小于5 μm的顆粒為黏粒。由圖1可知，泥漿中粒徑小于40 μm的土顆粒約有90%，黏粒約有37%，顆粒微小極難快速沉降。通過前期預試驗分析得到，PAM類有機絮凝劑效果較好。因此，本文采用PAM類有機絮凝劑中的陽離子型聚丙烯酰胺CPAM、陰離子型聚丙烯酰胺APAM和非離子型聚丙烯酰胺NPAM進行試驗。

1.2 試驗方法

1.2.1 絮凝沉降試驗

取一定量的泥漿分別置于多個1 000 mL燒杯中，按試驗設計將不同添加量的3種有機絮凝劑溶液分別加入不同燒杯中，具體添加量見表2。試驗中PAM類有機絮凝劑溶液為當天配置使用，溶液質量分數為0.3%。將絮凝劑溶液和泥漿混合后快速(120 r/min)攪拌1 min后倒入量筒至1 000 mL刻度線處，測試泥漿絮凝沉降后含水率、顆粒分布、上清液濁度、Zeta電位等變化。

表2 試驗絮凝劑添加量

其中，為更直觀得到泥漿絮凝沉降后的脫水效果，通過泥水分界面讀數、泥漿密度、泥漿初始含水率、絮凝劑溶液添加量等換算出沉降后泥漿的等效含水率。等效含水率是為了消除絮凝劑溶液加入后引起混合體系中水分的變化而建立的含水率指標，其計算方法如下。

燒杯中泥漿的干物質質量

(1)

式中：v0為試驗中泥漿試樣體積，cm3；ρ為泥漿密度，g/cm3；ω0為泥漿初始含水率，%。

燒杯中添加絮凝劑溶液質量

m2=v0ρn1/C。

(2)

式中：n1為絮凝劑添加量，%；C為絮凝劑溶液質量分數，%。

根據泥水分界面讀數，并忽略上清液中殘留的少部分泥漿顆粒，可以計算出泥漿等效含水率

(3)

式中：ρ1為水的密度，一般取1 g/cm3；h為量筒泥水分界面讀數，mL。

1.2.2 比阻試驗

比阻SRF表示在某恒定壓力下單位質量的泥在單位過濾面積上過濾時的阻力，可以反映脫水性能的好壞。試驗過程參考污泥固廢處理與處置領域污泥比阻[14]的測試方法進行。1)將潤濕后的快速濾紙覆蓋并貼緊于布氏漏斗底部，濾紙面積要略大于漏斗底部面積；2)打開真空泵，調節真空壓力至47.2 kPa左右，待濾紙緊貼漏斗底部后關閉真空泵；3)在布氏漏斗的快速濾紙內放置100 mL調理后的泥漿，打開真空泵，試驗壓力為70.9 kPa，然后開始計時，過濾時隨時記錄計量筒內的濾液體積V，恒壓過濾至濾餅破裂時即可停止試驗。

試驗前后的固體質量分數

(4)

式中：C0為泥漿的固體質量分數，%；C1為試驗結束后濾餅固體質量分數，%。

比阻值

(5)

式中：V為濾液體積，mL；t為過濾時間，s；A為過濾面積，m2；p為過濾壓強，Pa；μ為濾液動力黏滯系數，MPa·s；r為比阻值，m·kg-1；Rf為過濾介質的阻抗，m-3。

2 泥漿絮凝沉降試驗結果與分析

添加CPAM、APAM、NPAM溶液后泥漿絮凝沉降5 h時的試驗照片分別如圖2、圖3和圖4所示。將試驗中觀測到的泥水分界面讀數換算成等效含水率，得到等效含水率隨時間變化的結果，如圖5—7所示。

圖2 添加CPAM后泥漿5 h沉降結果

圖3 添加APAM后泥漿5 h沉降結果

圖4 添加NPAM后泥漿5 h沉降結果

圖5 添加CPAM后泥漿含水率變化曲線

由添加3種絮凝劑后的泥漿含水率變化曲線可知，原泥漿自然沉降的速率極為緩慢，當向泥漿中加入CPAM、APAM、NPAM時，泥漿沉降速率明顯提升，泥漿絮凝沉降速率隨3種絮凝劑添加量的不同發生變化。當CPAM添加量大于0.06%、APAM添加量大于0.03%時，泥漿前2 h內絮凝沉降速率較快，隨后沉降速率減慢。由于絮凝劑以溶液形式添加，使得有多余水分進入泥漿造成等效含水率大于初始含水率。絮凝沉降過程中的泥漿等效含水率隨絮凝劑添加量的增加逐漸減小，2 h后C09、C12、C15、A06、A09、A12組泥漿已降低到初始含水率以下，說明CPAM、APAM可以有效降低泥漿的含水率。而添加NPAM后泥漿絮凝沉降速率較慢，等效含水率隨時間變化很小，5組絮凝泥漿含水率始終無法降低至初始含水率以下，說明NPAM無法通過絮凝沉降的方式使泥漿脫去一部分水分，脫水效果較差。

圖6 添加APAM后泥漿含水率變化曲線

圖7 添加NPAM后泥漿含水率變化曲線

為更好地比較添加絮凝劑后泥漿前期的快速脫水效果，通過式(6)計算出泥漿沉降趨于減緩時即2 h脫水率進行評估。

(6)

將由式(6)計算出的3種絮凝劑不同用量下泥漿2 h脫水率進行比較，如圖8所示。可以看出，不同絮凝劑及其添加量下的2 h脫水率有很大差別，整體上APAM與CPAM添加后的泥漿脫水效果較好。其中，當APAM添加量在0.06%～0.09%、CPAM添加量在0.12%～0.15%時，均能使泥漿在2 h內快速脫去約10%的水分。而當NPAM添加量僅為0.12%時能脫去極少部分水分，其余各添加量下脫水率均出現負值，說明NPAM以溶液形式添加時，與泥漿混合后會增加混合體系中的水分，而少量和過量的NPAM與泥漿顆粒混合形成的絮團由于其包裹著水分，難以透水，無法在2 h內快速沉降，導致出現水分反而增加的情況。

圖8 泥漿2 h脫水率對比

3 絮凝沉降后的泥漿性質變化分析

為探究泥漿在絮凝沉降前后的性質變化，對添加CPAM、APAM的泥漿進行顆粒粒徑、上清液濁度及Zeta電位的測試和變化分析。

3.1 泥漿顆粒粒徑分布變化規律

為研究絮凝泥漿的顆粒粒徑分布變化規律，采用激光粒度儀對添加CPAM、APAM后的絮凝泥漿顆粒粒徑進行測試，結果分別如圖9和圖10所示。

圖9 CPAM添加后泥漿顆粒級配曲線

圖10 APAM添加后泥漿顆粒級配曲線

可以看出，添加絮凝劑CPAM、APAM后泥漿顆粒級配曲線與原泥漿的顆粒級配曲線有明顯差異，曲線整體向左偏移，表明泥漿中顆粒粒徑因為絮凝劑的添加有明顯變大的趨勢。這說明絮凝劑在泥漿中可以將分散的黏土顆粒逐漸連接成整體，進而形成尺寸較大的絮團，使泥漿顆粒快速沉淀，這是泥漿發生絮凝沉降、出現泥水分離現象的根本原因。但絮團的尺寸會因絮凝劑添加量的不同發生變化，這也導致了泥漿的絮凝沉降速率存在差異。

3.2 泥漿上清液濁度變化規律

泥漿上清液濁度的測試結果如圖11所示。

(a)CPAM

當絮凝劑添加量較少時，泥漿未發生明顯的泥水分離現象且上清液濁度過高地超過儀器量程，未得到測試結果。可以看出，當CPAM、APAM加入后，除了未出現明顯泥水分離現象的泥漿，其余各組上清液濁度均隨時間呈減小趨勢，并隨著添加量的增加逐漸增大。當絮凝劑添加量適宜時，泥漿上清液濁度最低僅約20 NTU，上清液中極少有懸浮的黏土顆粒或小絮團，這是由于聚丙烯酰胺可以完全舒展開其分子長鏈并通過架橋吸附方式團聚起多個黏土顆粒，形成較大粒徑的絮團后可以快速沉降。當絮凝劑過量添加時，泥漿上清液濁度最高可超過100 NTU，這是由于聚丙烯酰胺分子鏈未能完全打開，絮凝劑分子鏈可以吸附部分黏土顆粒形成絮團，并且多余的PAM使溶液黏滯系數上升，使一部分小絮團懸浮在上清液中，因此上清液的濁度有所增加。

3.3 泥漿Zeta電位變化規律

Zeta電位可以衡量顆粒間相互排斥或吸引的能力，有學者認為Zeta電位可以作為泥漿絮凝脫水能力的評價指標[15]。此外，絮凝劑的吸附架橋作用[16]也會促進泥漿絮凝沉降。為了探究PAM類絮凝劑促進泥漿絮凝的作用機制，測試并分析了PAM類高分子絮凝劑對泥漿Zeta電位的影響規律。圖12示出Zeta電位隨CPAM、APAM的添加量變化曲線。

圖12 泥漿Zeta電位變化曲線

可以看出，絮凝劑的添加改變了泥漿的Zeta電位。添加APAM溶液后，泥漿的Zeta電位值先減小后增大，說明剛開始添加APAM時可以破壞泥漿的分散體系，APAM水解產生的高分子鏈連接黏土顆粒形成團粒；隨著添加量的增加，引進的負電荷增多，使Zeta電位值有所增加，但最終APAM對Zeta電位值的影響最小，說明APAM主要是通過其架橋吸附作用，使黏土顆粒發生絮凝沉降。添加CPAM溶液后，Zeta電位逐漸減小，說明CPAM水解產生的分子鏈上的大量極性基團具有中和黏土顆粒表面負電荷的作用，能有效地降低水化層厚度，壓縮黏土顆粒表面雙電層厚度，減小顆粒間的斥力，從而降低了Zeta電位，并且其分子鏈仍具有架橋吸附的作用，最終使黏土顆粒發生絮凝沉降。

4 基于泥漿絮凝沉降的泥漿脫水性能評價

當泥水盾構穿越黏土層時，會產生大量的廢棄泥漿。經旋流器組分選后，廢棄泥漿中黏粒含量變高，在后續的壓濾脫水過程中效率低下，從而影響盾構掘進效率。對于泥漿處理的要求是一方面能夠在短時間內具有較好的脫水效果和沉淀效果，另一方面在后續壓濾過程中形成的絮團疏松透水、具有良好的過濾性能。因此，對泥水分離效果較好的CPAM和APAM添加后的泥漿進行比阻試驗，評估其脫水效果。其中，比阻SRF值表示在某恒定壓力下單位質量的泥在單位過濾面積上過濾時的阻力，可以反映脫水性能的好壞。

4.1 有機絮凝劑調理下抽濾量變化規律

添加CPAM后濾液體積隨時間變化曲線如圖13所示。

圖13 添加CPAM后濾液體積隨時間變化曲線

由圖13可知，各組泥漿的濾液體積均隨抽濾時間增加而增大，前期濾液體積增長速率較快，后期均趨向于緩慢增長。相比于SL0，C09、C12、C15組前期排水速率明顯提高，前期濾液體積隨抽濾時間的增加快速增大，約14 min后排水速率逐漸穩定。C03、C06組泥漿前期排水速率略小于原泥漿的排水速率，這是由于CPAM的添加量還未達到適宜的范圍，泥漿中的大絮團較少，水分從細小顆粒間的孔隙中緩慢流出。

添加APAM后濾液體積隨時間變化曲線如圖14所示。

由圖14可知，各組泥漿的濾液體積均隨抽濾時間的增加而增大，而增加速率不同。相比于SL0，A06、A09組泥漿前期排水速率有明顯提高，前期濾液體積隨抽濾時間的增加快速增大，約13 min后濾液體積增長緩慢，趨于穩定，最終濾液體積與原泥漿較為接近。A03組泥漿的脫水速率有小幅度減緩，這可能是由于少量PAM導致泥漿產生的絮團較小，不能改善泥漿脫水效果。A12、A15組泥漿前期脫水速率有明顯減緩，說明此時APAM添加量過量，濾液黏度稍有增加，泥漿脫水效果不會進一步改善。

圖14 添加APAM后濾液體積隨時間變化曲線

4.2 有機絮凝劑調理下比阻變化規律

圖15示出泥漿比阻值隨PAM類有機絮凝劑添加量的變化曲線。可以看出，泥漿比阻的整體趨勢為隨絮凝劑添加量的增加先減小后增大，這與泥漿絮凝沉降試驗中表現出的泥水分離性能一致。當APAM添加量在0.06%～0.09%、CPAM添加量在0.09%～0.15%時，比阻值大幅降低，相較于原泥漿約下降了1個數量級，表明此時絮凝劑的添加使泥漿形成了疏松透水的絮團，脫水性能最優。脫水性能提高的主要原因是PAM通過其長分子鏈，吸附黏土顆粒后架橋形成一種多孔的絮團結構，能夠使泥漿中的自由水由排水通道快速脫出。但PAM類有機絮凝劑添加量的繼續增加不能進一步降低比阻，反而會使泥漿脫水變得困難，這是由于過量的絮凝劑會使其分子鏈相互擠壓，無法自由伸展，使其吸附架橋作用減弱，并且溶液黏滯系數增大，也使得水分在較小的壓力下濾出速度較為緩慢。

圖15 泥漿比阻變化曲線

5 現場應用

濟濼路穿黃隧道工程盾構穿越地層為全斷面粉質黏土地層，盾構掘進施工會產生大量廢棄泥漿。施工現場使用XYY1000-3500型臥式離心機(見圖16)對添加APAM(添加量為0.08%)后的廢棄泥漿進行脫水減量處理，現場處理后渣土如圖17所示。添加絮凝劑前后離心機脫水效率及渣土含水率如表3所示，可以看出絮凝劑可大幅度提高離心機脫水效率，并顯著降低渣土含水率，提高廢棄泥漿處理速率。

圖16 施工現場臥式離心機

圖17 處理后渣土

表3 離心機脫水效率及渣土含水率

6 結論與討論

本文針對泥水盾構穿越黏粉土地層產生的大量高含水率廢棄泥漿脫水難的問題，開展了廢棄泥漿絮凝沉降及比阻試驗，明確了PAM類絮凝劑對廢棄泥漿脫水性能的影響規律，具體得到以下結論：

1)PAM類有機絮凝劑的添加大幅加快了泥漿沉降速率。當CPAM添加量在0.12%～0.15%、APAM添加量在0.06%～0.09%時，可以在2 h之內有效降低泥漿含水率，脫去約10%的水分；并且，此時泥漿形成的絮團結構疏松，泥漿前期排水速率明顯提高，比阻值降低至1013cm/g數量級，脫水性能大幅提高。

2)PAM類有機絮凝劑通過團聚泥漿中黏土顆粒形成大尺寸的絮團，這是實現泥漿快速絮凝沉降的關鍵因素，其中，APAM對泥漿Zeta電位影響較小，CPAM添加量的增加使Zeta電位逐漸減小。

3)本文試驗結果可用于指導泥水盾構在粉質黏土層中施工產生的廢棄泥漿的處理，但試驗過程中未考慮掘進過程中由于地層變化引起的泥漿性質變化對泥水分離效果的影響，后續還需進一步研究。