盾構泥漿絮凝-固化聯合作用試驗研究及宏細觀探析

孫曉輝, 郭柯雨, 姬鳳玲, 劉 恒, 段華波, 陳湘生

(1. 深圳大學土木與交通工程學院， 廣東 深圳 518060； 2. 深圳市地鐵地下車站綠色高效智能建造重點實驗室， 廣東 深圳 518060； 3. 中鐵南方投資集團有限公司， 廣東 深圳 518054)

0 引言

在我國各大城市的地鐵隧道盾構施工中，每年均會產生大量的含水率高、力學性質差的盾構渣土。以深圳市為例，2019年1月至2021年12月約產生1 160萬m3盾構渣土。若按照傳統方式進行外運堆填處置，則需116萬運輸車次，占用超過390萬m3受納場地(堆填高度按3 m計算)。隨著環保標準的提高和受納場地的限制，傳統外運處置方式已難以為繼，盾構渣土的減量化處理迫在眉睫。另外，盾構渣土含有碎石、細砂、黏土、水等天然資源，在當前資源匱乏的背景下，對盾構渣土進行資源化利用[1-2]是綠色、低碳發展的必然趨勢，對我國碳達峰和碳中和目標的實現具有重要意義。

當前，一般采用泥砂多級分離技術將泥漿狀盾構渣土中的碎石、細砂等骨料分離，分離后的盾構泥漿通過絮凝、壓濾處理形成泥餅。但大部分泥餅仍然采用外運處置，造成大量資源浪費。若對已脫水的泥餅進行建材化、填料化利用，則需要進行破碎、加水、加固化劑、攪拌等，能耗高、成本高、效率低。因此，亟需摒棄盾構泥漿絮凝、壓濾、固化等環節獨立進行的落后工藝，尋求更加高效的泥漿資源化利用技術。

當前，工程廢棄泥漿的資源化方法主要包括： 1)直接固化。部分學者在泥漿中直接加入固化材料制備流動化填料[3-4]，用于管線回填，解決管線周邊難以壓實的問題。朱鵬等[5]研究了淤泥固化土流動性與含水率及固化材料摻量之間的關系，發現固化淤泥流動度隨含水率的增加而增加，隨水泥摻量的增加而降低；鄒培林[6]通過廢棄泥漿流動化填料的流動性、干縮性和強度特性試驗研究，建立了流動度及無側限抗壓強度預估模型。該類處理中無絮凝濃縮環節，主要針對含水率相對較低的泥漿。2)脫水固化聯合處理，即通過壓濾設備對絮凝泥漿進行固液分離，并對脫水后的泥餅進一步固化處理制成建筑材料。陳曦等[7]采用脫水固化聯合法處理鉆井廢棄泥漿，確定了固液分離中絮凝劑聚丙烯酰胺的最優摻入量及泥餅固化過程中泥餅的最佳加入比；謝珂等[8]采用脫水固化聯合法處理河道疏浚底泥，發現隨齡期增加及水泥摻量的增大，固化泥餅的液限降低而塑限增大。該類處理方式中絮凝、壓濾與固化獨立進行，處理效率低、能耗高。目前已有學者初步嘗試了絮凝-壓濾-固化一體化處理河道淤泥等廢棄物的方法[9-10]，發現具有可行性，但處理過程中絮凝劑、固化劑分次投放，無絮凝-固化劑的開發及應用，絮凝作用與固化作用之間的相互促進研究尚未被提及。

綜上所述，盾構泥漿資源化處理存在效率低、成本高的問題，當前尚未見盾構泥漿絮凝-固化劑的相關研究，且對絮凝-固化聯合作用機制也缺乏認識。因此，本文針對深圳地鐵14號線盾構泥漿開發了普通硅酸鹽水泥基絮凝-固化劑及硫鋁酸鹽水泥基絮凝-固化劑，采用絮凝-固化聯合處理的方式，分別開展絮凝-壓濾-固化試驗、絮凝-固化試驗，對絮凝-固化聯合作用下固化體的宏細觀特性展開研究，探索盾構泥漿建材化利用和流動化填料利用的可行性。

1 試驗材料

1.1 泥漿材料

本研究所用泥漿由盾構泥漿壓濾形成的泥餅和水混合而成。泥餅取自深圳地鐵14號線某盾構渣土資源化處理場地。該盾構掘進區間為中風化、強風化花崗巖地層，花崗巖礦物組成見表1。該泥餅顆粒粒徑小于0.075 mm，其基本物理指標如表2所示。泥餅經烘干處理后，加水配制為含水率150%(密度為1.3 g/cm3)的高含水率泥漿用于試驗，如圖1所示。

表1 風化花崗巖礦物組成(質量百分比)

表2 泥餅的基本物理指標

圖1 泥漿配制

1.2 絮凝-固化劑

選取普通硅酸鹽水泥(ordinary portland cement，OPC)和硫鋁酸鹽水泥(sulphate aluminium cement, SAC)作為固化劑，并以2種固化劑為基礎復配開發絮凝-固化劑。2種固化劑的化學成分如表3所示。

表3 固化劑化學成分表

采用氧化鈣(CaO)、聚合氯化鋁(PAC)等作為主要絮凝成分，配制得到硅酸鹽水泥基絮凝-固化劑(CaO/PAC-OPC)和硫鋁酸鹽水泥基絮凝-固化劑(CaO/PAC-SAC)，并以聚丙烯酰胺(PAM)作為主要絮凝成分配制得到硫鋁酸鹽水泥基固化劑PAM-SAC，用于對比試驗。

2 試驗方法

2.1 絮凝-壓濾-固化試驗

絮凝-壓濾-固化試驗采用XMQ1/320型泥漿微型板框壓濾機(見圖2)進行，其濾板尺寸為0.38 m×0.38 m，單個濾室容積為2.7 L。在初始含水率為150%的泥漿中分別加入10%摻量(添加劑與泥漿干物質的質量比)的絮凝-固化劑CaO/PAC-OPC和CaO/PAC-SAC，攪拌均勻，并靜置5 min。靜置結束后，使用泥漿泵將處理后的泥漿抽入壓濾機濾室，然后通過空氣壓縮機對濾室中的泥漿施加0.7 MPa的壓力。泥漿中的水分在壓濾壓力作用下穿過濾布排出濾室，固體顆粒滯留于濾室內，濾室中泥漿含水率逐漸降低。

圖2 XMQ1/320型泥漿微型板框壓濾機

試驗過程中，記錄不同時刻的進漿量和出水量，用于計算濾室內泥漿(或泥餅)的含水率。每組試驗均持續壓濾10 min后，取出泥餅。按照《土工試驗方法標準》[11]制備直徑3.91 cm、高8 cm的試樣，用塑料袋將試樣密封并置于溫度為(20±2) ℃、濕度>90%的養護箱中，養護至規定齡期(1、3、5、7 d)，然后進行無側限抗壓強度試驗。

由于壓濾機所能施加的壓力有限，為模擬泥餅在進一步建材化(如壓制免燒磚)過程中高壓擠壓下的脫水情況，在如圖3所示的鋼質濾室中(直徑15 cm)進行泥餅高壓壓濾脫水試驗。在壓濾機壓濾完畢后，將泥餅破碎為顆粒粒徑小于2 cm的泥塊，填滿內襯濾布的鋼質濾室，整個過程在5 min內完成。加壓過程使用的壓力等級分別為1 MPa、5 MPa和10 MPa，各級壓力保持1 min。記錄每級壓力擠壓后的試樣含水率，并制備每級壓力下的無側限抗壓強度試樣，養護3 d后，進行無側限抗壓強度試驗。

圖3 高壓壓濾濾室

2.2 絮凝-固化試驗

開展絮凝-固化試驗，在高含水率盾構泥漿中加入絮凝-固化劑，可通過絮凝濃縮作用快速排出上層清液，形成不同流動度且強度可快速提高的流動化填料，從而達到高效濃縮并資源化利用的目的。流動化填料具有自流平、自密實性能，可用作回填料，以解決傳統管線溝槽回填中難以壓實等問題。

絮凝-固化試驗中，將初始含水率為150%的盾構泥漿初步絮凝濃縮，排出上層清液，加入絮凝-固化劑，攪拌5 min后，開展流動度測試，并制作無側限抗壓強度試樣。作為對照，也對泥漿進行了直接加入固化劑的試驗(不進行初步絮凝濃縮和不排出上層清液)，并進行流動度和無側限抗壓強度測試。添加劑摻量(添加劑與泥漿干物質的質量比)配比[4]如表4所示。

表4 絮凝-固化試驗泥漿配比方案

2.2.1 流動度測試

流動度是用于探究絮凝-固化處理后盾構泥漿作為流動化填料的可行性指標之一。研究表明，流動度處于20～30 cm時，流動化填料能展現出良好的工作性能[12]。參照日本建設省JHS A313—1992《引氣砂漿和引氣灰漿的試驗方法》進行流動度測試(如圖4所示)，將直徑和高度均為8 cm的有機玻璃圓筒垂直置于玻璃平板上，將漿體用料勺緩慢填入有機玻璃圓筒中。在裝填時應避免產生氣泡，滿溢后用刮刀將表面刮平，并將筒壁與玻璃平板擦拭干凈，然后迅速向上提起圓筒(提筒時間小于7 s)，整個測試過程在1 min內完成。最后，測量流動化土攤開后圓形坍塌體的直徑，重復上述步驟3次，取3次試驗結果的平均值作為最終流動度。

圖4 流動度測試

2.2.2 無側限抗壓強度測試

將流動化填料裝入內徑3.91 cm、高8 cm的鋼制模具中，溢滿后進行適當振動，用刮刀刮平表面，然后用保鮮膜覆蓋表面，并置于溫度為(20±2) ℃、濕度>90%的養護箱中養護。24 h后進行脫模并用塑料袋密封，繼續養護至3 d齡期，然后進行無側限抗壓強度試驗。每組測定3個平行試樣，結果取平均值。

2.3 掃描電鏡(SEM)試驗

SEM試驗采用美國FEI公司Quanta TM 250 FEG型掃描電子顯微鏡進行。

2.4 CT掃描試驗

制作直徑20 mm、高20 mm的固化體試樣，采用美國XRADIA公司掃描精度為23.64 μm的MICROXOCT-400型儀器對試樣進行CT掃描試驗。試樣在制作過程中，泥漿和添加劑均得到了充分的攪拌，可保證試樣中結核體的均勻性。

3 試驗結果與討論

3.1 絮凝-壓濾-固化試驗

3.1.1 脫水性能

圖5與圖6分別示出了絮凝-壓濾-固化試驗壓濾機壓濾過程中的泥漿脫水量、濾室內泥漿含水率與壓濾時間的關系。由圖5可知： 1)只添加絮凝劑PAM(添加量為PAM的最優添加量，即泥漿干重的0.025%)的盾構泥漿試樣脫水量隨壓濾時間呈持續增加的趨勢，在10 min時基本達到穩定狀態； 2)加入了絮凝-固化劑的盾構泥漿試樣，在加壓壓濾2～3 min之后脫水量便達到穩定，且前期的脫水速率明顯比PAM盾構泥漿試樣高，但10 min后的脫水總量低于PAM盾構泥漿試樣。從圖6可以看出： 1)經過壓濾機壓濾10 min后，濾室內部的含水率降至30%～40%，小于盾構泥漿土樣的塑限，呈泥餅狀； 2)各組試驗中，PAM泥餅含水率最低，CaO/PAC-OPC泥餅含水率次之，CaO/PAC-SAC泥餅含水率最高。

圖5 添加不同絮凝-固化劑(摻量10%)的泥漿脫水量隨壓濾時間的變化

圖6 添加不同絮凝-固化劑(摻量10%)的泥漿含水率隨壓濾時間的變化

添加絮凝-固化劑的盾構泥漿脫水量明顯小于加入PAM的盾構泥漿脫水量，主要由于絮凝-固化劑的固相物質和生成的水化產物會吸附和消耗盾構泥漿中的部分水分[13]，造成脫水量減小。

為使絮凝-壓濾-固化處理后泥餅的含水率進一步降低，利用如圖3所示的濾室通過高壓進一步深度脫水[14]。在建材化處理中，為控制建材強度和后期干縮，擠壓成型后的物料含水率一般在20%左右。不同壓濾壓力下泥餅的含水率如圖7所示。

圖7 不同壓濾壓力下泥餅的含水率

從圖7中可知： 1)壓濾壓力從0.7 MPa變化至1.0 MPa時，泥餅含水率未發生較大變化。2)當壓濾壓力提高至10.0 MPa時，3種泥餅的含水率均大幅降低，其中，CaO/PAC-OPC泥餅含水率與PAM泥餅含水率接近，但CaO/PAC-SAC泥餅含水率仍然較高。

3.1.2 無側限抗壓強度

經過壓濾機壓濾后不同齡期泥餅的無側限抗壓強度如圖8所示。其中，對于PAM試樣，由于其不產生結構強度，因此以壓濾后的初始強度作為參考值。從圖8中可以看出： CaO/PAC-OPC絮凝-壓濾-固化體不僅初始強度高，且隨齡期增加無側限抗壓強度上升幅度最大；而CaO/PAC-SAC絮凝-壓濾-固化體無側限抗壓強度隨齡期增加上升幅度較小。需要說明的是，CaO/PAC-SAC絮凝-壓濾-固化體早期強度低于CaO/PAC-OPC絮凝-壓濾-固化體，主要原因在于硫鋁酸鹽水泥基絮凝-固化劑水化過程中對水分的吸附能力較強，造成了壓濾后泥餅的含水率偏高，影響了固化體的結構強度。

圖8 不同齡期泥餅的無側限抗壓強度

圖9示出不同壓濾壓力下泥漿3 d齡期的無側限抗壓強度。當壓濾壓力在5 MPa以上時，添加絮凝-固化劑的固化體強度達到2 MPa左右，已經與低等級砌塊的強度相當，說明擠壓后的絮凝-壓濾-固化體具有建材化應用的潛力。

圖9 不同壓濾壓力下泥餅3 d齡期的無側限抗壓強度

3.2 絮凝-固化試驗

3.2.1 流動性測試

添加不同絮凝-固化劑的泥漿流動度如圖10所示。隨著添加劑摻量的增加，拌合物的流動度總體呈下降的趨勢。此外，當添加劑摻量為25%時，采用固化劑OPC和SAC直接固化后的泥漿流動度大于39 cm，且明顯大于相同摻量下絮凝-固化泥漿的流動度，表明絮凝-固化劑的存在以及上層清液的排出可以降低漿體的流動性；當絮凝-固化劑摻量為20%和25%時，絮凝-固化泥漿的流動度為20～30 cm，說明盾構泥漿經絮凝-固化劑處理后，具有作為流動化填料的可行性。

圖10 添加不同絮凝-固化劑的泥漿流動度

3.2.2 無側限抗壓強度

不同添加劑作用下3 d齡期泥餅的無側限抗壓強度如圖11所示。添加劑摻量相同的條件下，CaO/PAC-SAC絮凝-固化體的強度最佳，當摻量為25%時，強度達到136 kPa左右；OPC固化體的強度最低，當摻量為25%時，強度僅有32 kPa左右，難以直接用作流動化填料。因此，絮凝-固化劑CaO/PAC-SAC可以通過絮凝作用使高含水率盾構泥漿脫水，排出上層清液后的盾構泥漿可以用作流動化填料。

圖11 不同添加劑作用下3 d齡期泥餅的無側限抗壓強度

圖11還顯示，同等添加劑摻量條件下PAM-SAC固化體強度比SAC固化體的強度低，說明絮凝劑PAM的存在會導致泥漿早期強度降低，即PAM對盾構泥漿的固化具有負面影響。

3.3 掃描電鏡試驗

圖12示出原泥漿及添加劑摻量為25%、3 d齡期的OPC(加入絮凝劑PAM)、CaO/PAC-SAC、PAM-SAC固化體的微觀形貌。

(a) 原泥漿

由圖12(a)可以看出，未經過處理的泥漿微觀斷面中主要存在片狀或塊狀土體，其相互堆疊而成，存在獨立分散的孔隙。圖12(b)顯示，泥漿水化生成鈣礬石[15]晶體，其形態多為針狀或棒狀，PAM包裹在顆粒的周圍，無法形成緊密結構，造成其強度較低。圖12(c)中，絮凝-固化劑CaO/PAC-SAC水化反應生成的鈣礬石晶體十分明顯，其填充在孔隙當中，形成骨架結構，宏觀表現為CaO/PAC-SAC絮凝-固化體具有較高的強度。圖12(d)為PAM-SAC固化體的微觀形貌，可見水化形成的針狀產物與CaO/PAC-SAC相似，但由于絮凝劑PAM的絮凝作用形成絮體，造成固化體強度稍低。

微觀形貌清楚顯示了絮凝劑PAM的存在對固化體強度的負面影響，即絮凝劑PAM會覆蓋在固化劑顆粒表面，阻礙固化劑顆粒水化，導致固化體強度提升較慢。而絮凝-固化劑CaO/PAC-SAC中絮凝成分不影響水化，所以固化體強度較高。

圖13示出了不同壓濾壓力下添加劑摻量為10%的CaO/PAC-SAC絮凝-壓濾-固化體的微觀形貌。從圖中可以看出，隨著壓濾壓力的增大，結構的微觀結構逐漸變得緊密，內部孔隙明顯減少，宏觀表現為隨著壓濾壓力的增大，絮凝-壓濾-固化體強度不斷增大。

(a) 壓濾壓力0.7 MPa

3.4 CT掃描試驗

表5示出基于CT掃描的盾構泥漿固化體處于掃描精度以上的較大孔、較大水化物顆粒的細觀結構參數。圖14示出添加劑摻量為25%的不同絮凝-固化體的CT三維重構圖像。結合表5與圖14可以直觀地看出，不同添加劑對于孔隙以及水化產物分布有著明顯影響。PAM-SAC固化體的孔隙體積占比提升明顯，幾乎為CaO/PAC-SAC絮凝-固化體和SAC固化體孔隙體積占比的4倍。同時，PAM-SAC固化體結構中出現了大量貫通孔隙(包含絮體成分)，水化產物明顯減少，這是導致PAM-SAC固化體強度下降的主要原因。

圖14 添加劑摻量為25%的不同絮凝-固化體的CT三維重構圖像

CaO/PAC-SAC絮凝-固化體和SAC的固化體細觀結構參數較為接近，微觀孔隙及水化產物分布也較為接近，難以從數值上看出二者的異同。從圖14水化產物在結構中的分布圖像可以看出，CaO/PAC-SAC絮凝-固化體與SAC固化體的水化產物分布在整個結構中，對泥漿顆粒起到較好的連接作用，形成骨架，有利于提升固化體強度。同時，絮凝-固化劑CaO/PAC-SAC中絮凝成分的存在對水化產物占比和分布基本沒有影響，說明該絮凝固化劑中的絮凝成分不影響固化劑顆粒發揮其固化作用。絮凝-固化劑CaO/PAC-SAC比PAM-SAC具有更好的應用前景。

3.5 討論

通過上述試驗結果可知：

1)絮凝-固化劑的絮凝作用和固化作用會相互影響，即二者可以發揮聯合作用提高處理盾構泥漿的效率。從圖5可以看出，添加絮凝-固化劑的盾構泥漿在壓濾前期脫水速率明顯比只添加絮凝劑PAM的脫水速率大，這是因為固化劑水化時水化產物能夠促使泥漿團聚，促進絮凝作用，并形成排水通道，加速水分排出。另外，從圖12(c)可以看出，絮凝-固化劑的絮凝作用使得泥漿自壓縮、自密實，水化產物可以更好地發揮骨架作用，連接更多的泥漿顆粒，使絮凝-固化體結構更加致密，從而促進強度的提升。

2)高壓壓濾作用可以促進水分進一步排出，最終含水率降至20%以下。同樣地，從圖9中可以看出，高壓壓濾對絮凝-固化劑處理的盾構泥漿絮凝-壓濾-固化體強度有較大的提升作用，這是因為高壓壓濾可以使固化體內部顆粒間的距離進一步減小，整體結構更加緊密，3 d齡期無側限抗壓強度達到2 MPa左右。

3)PAM-SAC無法發揮絮凝-固化聯合作用，主要體現在流動度與固化體強度2個方面。從圖10可以看出，在添加劑摻量為20%～25%時，添加PAM-SAC的盾構泥漿流動度比添加絮凝-固化劑CaO/PAC-SAC的流動度小。相關研究[16]表明，這是由于PAM中的長分子鏈能夠相互形成網狀結構，將泥漿顆粒進行包裹，并且通過壓縮雙電層及電荷中和作用，使絮凝成分與泥漿顆粒相互吸引形成絮凝體，從而降低漿液的流動性。在強度表現方面，同等摻量條件下PAM-SAC固化體比SAC固化體的強度低，這一現象符合相關研究[17]的結論，即PAM絮凝劑摻量過大時，會延遲泥漿的凝結時間，從而使固化體強度降低。在圖12(d)中，固化劑水化產物周圍被絮體包裹，導致固化體強度降低。

4)結構內部孔隙的減少對絮凝-固化體強度的提升有著重要作用。從絮凝-固化試驗與絮凝-壓濾-固化試驗的微觀形貌圖可以明顯看出，內部孔隙減少后，水化產物可以更好地連接泥漿顆粒；而絮凝-固化試驗中，更多摻量的絮凝-固化劑使得絮體顆粒間的孔隙得以填充，宏觀表現為25%摻量的絮凝-固化體強度與10%摻量的絮凝-壓濾-固化體強度接近。當結構內部孔隙減少到一定程度后，固化劑水化產物可以同時連接不同絮體顆粒，同時可以在絮體內部連接不同顆粒，使得強度進一步提高。

4 結論與建議

4.1 結論

1)使用絮凝-固化劑CaO/PAC-OPC或CaO/PAC-SAC處理深圳地區盾構泥漿可以有效提高壓濾處理時的脫水效率；經過10 MPa高壓壓濾后，CaO/PAC-OPC泥餅的含水率低于20%，3 d強度達到2 MPa左右，具有建材化應用的潛力。

2)經過摻量25%的絮凝-固化劑CaO/PAC-SAC處理后的泥漿，流動度處于20～30 cm，3 d強度達到130 kPa以上，可以用作流動化填料。

3)配方合理的絮凝-固化劑，如CaO/PAC-OPC或CaO/PAC-SAC，其絮凝、固化作用可以相互促進，即絮凝作用可以使顆粒絮凝壓密從而提高強度，固化作用后的水化產物可以構建排水通道，促進水分排出。

4)在排水速率和固化作用均得到提高的前提下，采用本文所述的絮凝-固化劑可以避免聚丙烯酰胺(PAM)帶來的不利影響。

5)固化體孔隙體積占比很大程度上決定了固化體的強度，在更加致密的固化體內，水化產物的生成可更加有效地提高固化體強度。

4.2 建議

1)若將深圳地區盾構泥漿直接調制成流動化填料，由于絮凝-固化漿體凝結時間的限制，調制后需盡快應用。

2)采用絮凝-壓濾-固化一體化處理工藝對深圳地區盾構泥漿直接進行建材化利用中，可根據強度需求，提高泥漿的含砂量，以提高建材性能。

3)在實際資源化應用中，建議進一步開發盾構泥漿建材化裝備和成套工藝，解決盾構泥漿高效資源化可操作方面的問題，并形成以建材化為主，流動化、填料化為輔的資源化路線。