化學絮凝結合真空預壓處理的渤海灣海洋疏浚泥固結特性

陳 國 公， 武 亞 軍*， 許 嘉 樂， 李 運 紅， 王 攀， 秦 榮 榮，LE Thanh Hai, VU Quoc Vuong

( 1.上海大學 土木工程系， 上海 200444；2.中國冶金地質總局青島地質勘查院， 山東 青島 266109；3.越南胡志明市國立大學 資源與環境研究院， 胡志明市 740500， 越南；4.越南水利大學 土木工程學院， 河內 116301， 越南 )

0 引 言

隨著經濟的快速發展，對土地資源的需求越來越大，因此多地采用圍海造地的方式提供土地．圍海造陸工程能夠提供大量平整成片的土地，在上海、天津、廣州、香港等地已有多年圍海造陸的實踐．據統計，到20世紀末，中國已經圍海造地約1.2×104km2[1]．

圍海造地中所采用的最理想的吹填材料為中粗砂，但是隨著圍海造陸工程的不斷擴大，對填料的需求急劇增長，中粗砂填料資源短缺，價格不斷上漲，進而造成圍海造地的成本極大提高，采用中粗砂填料的方案越來越難以實現．許多地區航道疏浚挖出大量海洋疏浚泥，將這些海洋疏浚泥用于圍海造地，不僅省去底泥消納場地，減少環境污染，而且可以解決圍海造地的土方來源，大大降低圍海造地成本．目前山東沿海地區吹填造地工程中大多使用基于水力疏挖原理的疏浚方法，將海洋疏浚泥稀釋為泥漿吹填到堆場中，土顆粒在自重作用下沉降固結，上層積水排放后形成吹填場地[2]．吹填土是由水力吹填而成，其成分和分布與所吹填泥沙的來源有著密切關系[3]．

海洋疏浚泥是一種高水率泥漿，一般具有土顆粒細、含水率高、孔隙比高、透水性差等特點，因此，吹填至圈圍場地之后很難在短時間內完成固液分離，通常需要采用真空預壓法加快排水固結．真空預壓法作為一種工藝簡單的靜力排水固結方法得到了廣泛應用，尤其適用于大面積吹填超軟土地基處理[4-5]．但是，由于海洋疏浚泥土顆粒太細，滲透性能極差，采用常規真空預壓法不僅固結時間長，而且加固后土體強度仍然比較低，許多地區僅僅將常規真空預壓法作為疏浚泥淺層處理的一種預處理手段．究其根本原因，與疏浚泥礦物成分和分散體系的Zeta電位有關，黏土礦物含量越高，分散體系的Zeta電位越高，穩定性就越好，排水越困難，真空預壓法的固結效果就越差．

為了加快淤泥、泥漿、污泥的絮凝，并提高其排水固結特性，許多學者進行了大量的研究，并積累了大量的研究成果[5-10]．其中對絮凝劑真空預壓法的研究大多基于土壤的基本物理特性，但化學絮凝劑對土壤作用的微觀機理尚不明確．山東沿海地區特別是東營一帶的海洋疏浚泥非常典型，排水固結特性很差，采用普通真空預壓處理需要很長時間．為研究絮凝劑真空預壓法中化學絮凝劑對土壤作用的微觀機理，本文從加入絮凝劑以改善疏浚泥的微觀膠體化學特性入手[11-14]，在前期對該地區疏浚泥固結特性研究的基礎上，對東營地區疏浚泥的絮凝特性與真空預壓排水特性開展研究，以期對該地區疏浚泥地基提供一條快速排水固結處理的新思路．

1 海洋疏浚泥的基本性質

圖1 山東東營疏浚泥吹填現場

該地區的疏浚泥經過多年的自重沉積，內部已經形成了一定的結構強度，該疏浚泥的基本物理指標如表1所示，從中可知泥樣的初始含水率為43.7%，液限、塑限分別為33%、18.8%，含水率大于液限，孔隙比大于1.0，根據各項指標綜合判斷該軟土為淤泥質粉質黏土．

表1 疏浚泥的基本物理指標

2 絮凝試驗

2.1 試驗方案與材料

為探究添加絮凝劑對于吹填泥漿沉降速度以及絮凝效果的影響，分別使用不同添加量的生石灰(quicklime，化學式CaO)和陰離子型聚丙烯酰胺(anionic polyacrylamide，簡稱APAM，相對分子質量為1×107)進行了沉降柱試驗，如圖2所示．其中CaO按照泥漿的質量分數進行添加，APAM按照APAM溶液添加的原狀泥漿質量分數換算為質量直接添加粉末，試驗儀器主要有精度0.01 g的電子天平、500 mL燒杯、滴定管、20 mL 移液管、1 000 mL量筒、玻璃棒和SGZ-200AS型濁度儀等．

圖2 沉降柱試驗裝置

通過沉降柱試驗來探究不同添加量的CaO與APAM絮凝劑對于絮凝速度、上清液濁度和絮凝后泥漿含水率的影響，綜合評價適用于實際工程的絮凝劑與添加量，選擇CaO與APAM作為絮凝劑的依據是本課題組的前期研究成果．

2.2 絮凝試驗結果分析

如圖3所示，加入不同量的APAM，其沉降速度隨著添加量的增加而加快，在添加量為15%時速度最快且在5 min內基本完成沉降，后續基本不再沉降，較原狀泥漿沉降速度有較大的提升，但是在不同添加量下最終的沉降高度基本一致．上清液濁度隨著添加量增加先降低后增加，這是因為APAM添加量較小時，APAM的吸附架橋作用會將相鄰土顆粒連結形成粒徑較大的絮凝團聚體，加速沉淀，上清液濁度較低；當添加量較大時，土顆粒被APAM長鏈所包圍，土顆粒表面沒有吸附點，顆粒無法繼續吸附架橋，多余絮凝劑形成膠體穩定分布于上清液中，造成上清液濁度增加．

圖3 添加APAM后土柱高度變化

如圖4所示，在加入不同量CaO的泥漿中，可以看到絮凝速度明顯低于原狀泥漿的絮凝速度，且隨著添加量的增加泥漿絮凝速度先減小后增大，最終的混液面高度也出現了較大區別，隨著CaO添加量的增加混液面高度逐漸增加，但添加量較大時混液面高度保持一致．上清液濁度隨著絮凝劑添加量增加先降低后增加，這是因為Ca2+吸附在土顆粒表面，中和了一部分負電荷，減薄雙電層，土顆粒間距減小，土顆粒之間引力增大，相互吸引聚集，使大量土顆粒形成較大的土團粒，濁度降低；當添加過量時，土顆粒之間由于Ca2+大量吸附于表面而使土顆粒帶正電荷，土顆粒之間靜電斥力增加，更多小顆粒懸浮于上清液中，且過量Ca(OH)2也會懸浮在上清液中，造成上清液濁度增加．總體來看，在絮凝速度、最終混液面高度以及上清液濁度方面，添加APAM的效果要優于添加CaO的．

圖4 添加CaO后土柱高度變化

3 真空預壓試驗

3.1 試驗方案與設備

真空預壓試驗中所用到的設備如圖5所示，主要有真空泵、抽濾瓶、排水管及高80 cm、直徑20 cm的有機玻璃圓柱形桶．密封蓋采用20 mm厚的硬質有機玻璃板，板中心開孔．排水管從有機玻璃板中心孔與模型箱底部排水孔穿出后與真空泵連接，真空荷載可以通過該排水管直接傳遞到土工布與砂墊層上，再傳遞到泥漿中．

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圖5 真空預壓試驗裝置

由前期所做的沉降柱試驗與固結試驗確定了兩種絮凝劑的最優添加量范圍，為了找到處理吹填泥漿的最佳絮凝劑與最優添加量，泥漿含水率均調配為500%，在前期試驗的基礎上對不同絮凝劑添加量進行真空預壓試驗，并用原狀泥漿的真空預壓試驗作為對照組．

將絮凝劑加入泥漿中，攪拌均勻后再將泥漿放入模型箱中靜置沉淀24 h，泥漿出現固液分離現象，記錄液面下降高度，待沉降穩定后排出上清液進行真空預壓試驗．進行真空預壓試驗前要檢查裝置密封性，試驗中真空度要求維持在80 kPa左右，真空預壓中讀取的數據主要有真空度、混液面高度和抽濾瓶中排水量．試驗結束后，測量含水率、無側限抗壓強度、陽離子交換容量等指標來探究添加絮凝劑時疏浚泥工程性質變化規律，并通過陽離子交換容量等指標分析其變化機理．

3.2 真空預壓試驗結果分析

(1)靜置沉降階段排水量分析

在靜置24 h后，泥漿上清液高度如圖6所示，隨著CaO添加量的增加混液面高度逐漸增加，上清液體積減少．在添加APAM時，最終的混液面高度基本相同，排出上清液體積也基本相同．此外雖然兩次沉降試驗的模型高度與直徑不同，但本次試驗結果與沉降柱試驗得出的規律是一致的，也再次驗證了沉降柱試驗所得出的結論．

圖6 靜置24 h后的上清液高度

(2)真空預壓排水量分析

在前期的靜置沉降階段結束后，直接在各個模型箱進行真空預壓試驗，在排水量保持穩定后停止真空預壓試驗．真空預壓下排水量隨時間變化如圖7所示．由圖可知，在真空預壓前期，添加15%APAM的泥漿真空預壓排水速率最大，排水量也最大；添加0.6%CaO的泥漿反而排水速率與排水量最小．隨著真空預壓排水的進行，可以看到原狀泥漿排水明顯變慢，排水量與排水速率很快小于其余添加了絮凝劑的泥漿的排水量與排水速率，添加APAM的泥漿排水速率也出現了緩慢下降的現象，而添加CaO的泥漿排水速率在開始雖然并不快，但是排水速率一直基本保持穩定，隨著排水的不斷進行，添加0.6% CaO的泥漿排水速率與排水量最大．在4 h左右時，排水量與排水速率大小排序均為0.6%CaO>0.2%CaO>0.4%CaO>15%APAM>12.5%APAM>原狀泥漿，添加0.6%CaO的泥漿排水速率是原狀泥漿排水速率的5倍左右．

圖7 真空預壓下排水量隨時間變化

此外，原狀泥漿真空預壓的排水時間最長，其排水時間遠遠大于其余添加了絮凝劑的排水時間，添加CaO與APAM的泥漿在5～6 h就停止排水，而原狀泥漿在40 h左右才停止排水．試驗結果表明CaO與APAM均能提高泥漿的滲透性，大幅度減少排水時間，且添加CaO的泥漿排水時間少于添加APAM的泥漿排水時間，這與前期固結試驗所得出的結論是相對應的，固結試驗結果表明CaO與APAM均能提高泥漿固結系數，且添加CaO后泥漿的固結系數變化幅度明顯大于添加APAM的．

(3)真空預壓沉降分析

真空預壓下沉降量隨時間變化如圖8所示．由圖可知，其變化趨勢與排水量基本一致，在前期依然是添加15% APAM的泥漿真空預壓的沉降量最大，但是沉降速度逐漸變緩，而添加CaO的泥漿在真空預壓下沉降速度下降較小，隨著真空預壓試驗的進行，沉降量逐漸高于添加APAM的泥漿沉降量；原狀泥漿的沉降速度是下降最快的，其沉降速度在10 min左右就明顯小于其余組別，與真空預壓排水量分析相對應，其沉降時間也是最長的并且遠遠大于添加CaO與APAM的泥漿沉降時間．盡管添加APAM的泥漿最終沉降量與原狀泥漿最終沉降量十分接近，但原狀泥漿最終沉降量依然是最小的．

圖8 真空預壓下沉降量隨時間變化

(4)真空預壓后含水率分析

在真空預壓停止后，從各模型箱中分別取出試樣中心處的土樣進行含水率測試，試驗結果如圖9所示．

圖9 真空預壓后土體的含水率

從含水率試驗結果可以看出，原狀泥漿真空預壓后的含水率最終為37.00%，低于原狀吹填土體的初始含水率，說明真空預壓對原狀未經處理吹填土體具有一定的加固效果．此外，真空預壓后土體的含水率高于液限，液性指數大于1，說明土體仍處于流塑狀態．在添加0.2%CaO時，可以看到含水率基本保持不變，但是，在添加0.4%CaO與0.6%CaO時，泥漿含水率突然增大，并且隨著添加量的增加而增大．但在添加APAM時，泥漿在真空預壓后的含水率與原狀泥漿真空預壓后的含水率基本保持一致，這與前文中排水量結果相對應，添加APAM的泥漿上清液高度和真空預壓排水量與原狀泥漿均很接近，所以最終兩者含水率也基本相同．

(5)無側限抗壓強度分析

在真空預壓停止后，在每個模型箱中取圓柱土樣中心部分進行無側限抗壓試驗，試驗儀器為應變控制式無側限抗壓強度儀．試驗結果如圖10所示．

圖10 真空預壓后土體的無側限抗壓強度

從圖10可以看出，在泥漿中添加CaO與APAM，真空預壓試驗后土體的無側限抗壓強度較原狀泥漿真空預壓后均得到了提升．添加APAM真空預壓后土體的無側限抗壓強度有提升，且隨著添加量增加而增大．在添加CaO時，雖然無側限抗壓強度均大于原狀泥漿真空預壓后，但是可以看到添加0.2%CaO時反而比添加0.4%CaO 與添加0.6%CaO時的無側限抗壓強度更大，這主要是因為含水率的影響，添加0.4%CaO 與添加0.6%CaO的泥漿在真空預壓后的含水率是高于其他組別的，更高的含水率使得土體的無側限抗壓強度降低，但即使添加CaO的泥漿真空預壓后含水率高于原狀泥漿真空預壓后的含水率，但強度依然大于原狀泥漿，這主要是因為CaO具有固化作用[13]，從CaO加入泥漿開始就發生了一系列復雜的物化反應，包括水化作用、凝聚作用等，這些物化反應隨著真空排水的進行不斷發生，含水率不斷降低，密度不斷增大，極限靜切應力繼續增大，液塑限增大，且添加CaO的泥漿經真空排水后，顆粒團聚數量多，顆粒增大，顆粒間接觸緊密，以面與面接觸為主，孔隙含量較低，土的密實性較高，因此添加CaO的土體強度得到了顯著提升．

(6)陽離子交換容量分析

本文測定土體陽離子交換容量采用的方法為BaCl2緩沖溶液法，測試的結果如圖11所示，從原狀泥漿與添加絮凝劑之后泥漿土體陽離子交換容量對比可以看出，添加CaO后土體的陽離子交換容量增加，且隨著添加量的增加而增大，這主要是由于添加CaO至泥漿后生成的Ca(OH)2使得pH增大，影響了膠體表面官能團中H+的解離，從而影響可變電荷造成陽離子交換容量增加．而土體陽離子交換容量越高，在無外部作用的情況下，土壤細顆粒間的膠結團聚能力越差，這也造成了在靜置沉降階段，添加CaO的泥漿在沉降速度與沉降高度上與原狀泥漿相比均效果較差．而在添加APAM后，可以看到與原狀泥漿相比，土體的陽離子交換容量并沒有明顯變化，說明APAM對于泥漿中電荷以及土壤細顆粒的雙電層基本無影響，其主要通過有機高分子的吸附架橋作用來卷掃沉積物，從而使顆粒聚集沉淀，增大顆粒體積，加快絮凝速度，以及提高泥漿滲透性．

圖11 真空預壓后土體的陽離子交換容量

4 結 論

(1)對于APAM絮凝劑，混液面沉降速度隨著添加量的增加而加快，在添加量為15%時速度最快且在5 min內基本完成沉降，后續基本不再沉降，較原狀泥漿沉降速度有較大的提升，但是在不同添加量下最終的沉降高度基本一致．

(2)對于CaO絮凝劑，加入CaO后絮凝速度明顯低于原狀泥漿的絮凝速度，且隨著添加量的增加泥漿絮凝速度先減小后增大，最終的混液面高度也出現了較大區別，隨著CaO添加量的增加混液面高度逐漸增加，但添加量較大時高度保持一致．

(3)在真空預壓試驗中，4 h左右時，排水量與排水速率大小排序為0.6%CaO>0.2%CaO>0.4%CaO>15%APAM>12.5%APAM>原狀泥漿，添加0.6%CaO的泥漿排水速率是原狀泥漿排水速率的5倍左右．

(4)添加CaO后，泥漿土體的陽離子交換容量增加，且隨著添加量的增加而增大，這主要是由于添加CaO至泥漿后生成的Ca(OH)2使得pH增大，影響了膠體表面官能團中H+的解離．添加APAM后，泥漿土體的陽離子交換容量并沒有明顯變化，說明APAM對于泥漿中電荷以及土壤細顆粒的雙電層無影響．