頂管廢漿成分對混凝沉降的影響試驗(yàn)研究

摘要：泥水頂管施工中產(chǎn)生大量廢漿，廢漿中不僅殘存著前序泥漿配置時的摻加劑，還殘存著頂進(jìn)地層中混入的某些物質(zhì)，這導(dǎo)致廢漿成分復(fù)雜，目前這些成分對泥漿混凝沉降特性的影響未知。針對此問題，該文配置了不同梯度的膨潤土、NaCl、羧甲基纖維素鈉（CMC）及聚陰離子纖維素（PAC）廢漿，研究了成分對廢棄泥漿混凝沉降特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，膨潤土由于其陽離子交換特性，將其摻入泥漿后會導(dǎo)致泥漿沉降效果的惡化，當(dāng)膨潤土含量大于4%時，廢棄泥漿幾乎不發(fā)生沉降。NaCl、CMC及PAC由于各自電性中和、絮凝架橋的特性，將其摻入泥漿后泥漿沉降特性相較于基料膨潤土泥漿均有不同程度的改善，其中CMC組泥漿經(jīng)CPAM處理后僅需300s即可使?jié)饪s泥層含水率降至114%；基于研究結(jié)果，文章對“泥漿配置”與“廢漿處理”兩個方面進(jìn)行了討論，以期為同類工程帶來參考及借鑒。

關(guān)鍵詞：頂管"廢棄泥漿"混凝"沉降

中圖分類號：TU441""X705"文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

The"Experimental"Study"on"the"Influence"of"Waste"Slurry"Components"in"Pipe-Jacking"Construction"on"Coagulation"and"Settlement

XU"Yucheng1""HUA"Junjie1""SHU"Shuangwu1""LIU"Zhitao2，3*

（1.Zhenjiang"Planning，"Survey"and"Design"Group"Co.，"Ltd.；2.School"of"Architecture"and"Civil"Engineering，"Jiangsu"University"of"Science"and"Technology；3.Jiangsu"Province"Engineering"Research"Center"of"Geoenvironmental"Disaster"Prevention"and"Remediation，Zhenjiang，Jiangsu"Province，212100"China）

Abstract："A"large"amount"of"waste"slurry"is"produced"in"the"mud"pipe-jacking"construction.nbsp;Waste"slurry"not"only"contains"the"admixture"in"the"presequencing"mud"configuration，"but"also"some"substances"mixed"in"the"jacking"formation，"which"leads"to"the"complex"components"of"waste"slurry，"and"at"present，"the"influence"of"these"components"on"the"slurry's"coagulation"and"settlement"characteristics"is"unknown."To"solve"this"problem，"this"paper"configures"the"waste"slurry"of"bentonite，"NaCl，"CMC"and"PAC"with"different"gradients，"and"studies"the"influence"of"components"on"the"coagulation"and"settlement"characteristics"of"waste"slurry."It"is"found"that"the"incorporation"of"bentonite"into"the"mud"will"lead"to"the"deterioration"of"the"mud"settlement"effect"due"to"its"cation"exchange"characteristics，"and"waste"mud"almost"does"not"settle"when"the"bentonite"content"is"greater"than"4%，"and"that"due"to"the"characteristics"of"electrical"neutralization"and"flocculating"bridge"of"NaCl，"CMC"and"PAC，"the"settlement"characteristics"of"slurry"after"mixing"them"are"improved"in"different"degrees"compared"with"base"bentonite"mud，"among"which，"the"slurry"in"the"CMC"group"can"reduce"the"moisture"content"of"the"concentrated"mud"layer"to"114%"in"only"300s"after"CPAM"treatment."Based"on"research"results，"this"paper"discusses"the"two"aspects"of"\"mud"configuration\""and"\"waste"slurry"treatment\"，"in"order"to"bring"reference"and"models"for"similar"projects.

Key"Words："Jacking"pipe;"Waste"mud;"Coagulation;"Settlement

近年來，泥水頂管工程以其在施工過程中對地表占用率低、對地層擾動小等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于地下管線工程中[1]。但由于其施工方式的問題，在施工過程中難免會產(chǎn)生大量廢棄泥漿，這些廢棄泥漿處理不當(dāng)易產(chǎn)生環(huán)境污染和資源浪費(fèi)等問題[2]，對頂管工程廢棄泥漿的處理問題是目前的研究熱點(diǎn)。以絮凝劑為核心的混凝工藝由于其成本低廉、處理效果顯著等優(yōu)點(diǎn)被廣泛運(yùn)用于頂管廢棄泥漿處理工程中，其中沉降特性是評價混凝工藝處理效果的重要指標(biāo)，沉降速度過慢會極大延緩泥漿減量化處理速度[3]，因此掌握頂管廢棄泥漿的混凝沉降特性極為重要。

泥漿成分是影響混凝沉降特性的決定性因素，泥處理工程中混凝方案往往需要針對泥漿成分進(jìn)行針對性設(shè)計，否則可能會導(dǎo)致混凝沉降效果不佳。頂管工程廢棄泥漿成分較為特殊，其中不僅可能殘存著前序泥漿配置過程中添加的如膨潤土、羧甲基纖維素鈉（CMC）、聚陰離子纖維素（PAC）等摻加劑[4]，還可能殘存著頂進(jìn)地層中混入某些物質(zhì)如海水頂管工程中可能混入NaCl，這些成分的存在導(dǎo)致頂管廢棄泥漿性質(zhì)復(fù)雜多變且對泥漿混凝沉降特性影響未知，為保證泥漿的混凝沉降效果，因此有必要針對頂管泥漿成分對混凝沉降特性的影響進(jìn)行研究。

該研究模擬配置了含有膨潤土、CMC、PAC、NaCl的廢棄泥漿，分析并討論了成分對頂管工程廢棄泥漿混凝沉降特性的影響及機(jī)理。在此基礎(chǔ)上，對混凝沉降結(jié)果較差的泥漿組提出了針對性的混凝處理方案，并從泥漿處理效率層面探討了頂管泥漿配置問題，以期為頂管工程泥漿配置及廢棄泥漿泥處理工程提供相應(yīng)的參考。

1"試驗(yàn)材料與方法

1.1"試驗(yàn)材料

為定量研究頂管工程廢棄泥漿成分對混凝沉降特性的影響，本文所使用的頂管工程廢棄泥漿以鎮(zhèn)江黃黏土為主，混合不同比例石家莊鈉基膨潤土、CMC、PAC、Nacl、水配置而成。其中鎮(zhèn)江黃黏土、石家莊膨潤土的中值粒徑分別為49.1、7.9μm，CMC、PAC黏度分別為2500、1600cps，NaCl含量≥99.5%。該文使用的混凝處理方式為有機(jī)絮凝劑陽離子聚丙烯酰胺（CPAM），分子量約為1000萬。

1.2"試驗(yàn)方法

1.2.1"CPAM、CMC和PAC溶液配置方法

將CPAM、CMC和PAC干粉分別溶于清水中，在20℃室溫、500r/min攪拌速率的條件下攪拌1h，配置為不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CPAM、CMC和PAC溶液。

1.2.2"廢棄泥漿配置方法

黃黏土、膨潤土、CMC、PAC溶液添加至水中，在20℃室溫、500r/min攪拌速率的條件下攪拌1h，完成泥漿配置。

1.2.3"泥漿參數(shù)試驗(yàn)

泥漿配置完成后使用MLN-2型馬氏漏斗黏度計和NS-2型中壓濾失儀對配置完成的部分泥漿組進(jìn)行漏斗黏度和濾失量試驗(yàn)。

1.2.4"絮凝試驗(yàn)

配置完成的泥漿中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%的CPAM溶液，并在20℃室溫、500r/min攪拌速率的條件下攪拌5min，完成絮凝試驗(yàn)。

1.2.5"沉降試驗(yàn)

說明絮凝泥漿的沉降特性，對絮凝完成的泥漿進(jìn)行沉降試驗(yàn)測定其濃縮泥漿層含水率，記錄沉降時間t及對應(yīng)的上清液體積V，濃縮泥漿層含水率按公式（1）計算。

式中：""為沉淀泥漿含水率，單位：%；m水為泥漿配置中水的總質(zhì)量（試驗(yàn)配置為300g），單位：g；

m土為泥漿配置中黏土的總質(zhì)量（試驗(yàn)配置為120g），單位：g；ρ為上清液的密度，單位：g/cm3；V為對應(yīng)沉降時間t時的上清液的體積，單位：cm3。

1.3"試驗(yàn)方案

為研究泥漿成分對泥漿絮凝分離特性的影響，此實(shí)驗(yàn)分別設(shè)置不同膨潤土含量梯度（膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～6%）的純膨潤土泥漿（A組），膨潤土組配置方案見表1；以純膨潤土組中A6組為基料并添加不同質(zhì)量NaCl：4.2g、8.4g、12.6g、16.8g、21.0g的膨潤土、NaCl復(fù)摻泥漿（B組），同時按NaCl質(zhì)量由低到高分別編號為B1～B5；以純膨潤土組中A4為基料并分別添加不同質(zhì)量的CMC溶液：1.6g、3.2g、4.8g、6.4g、8.0g的膨潤土、CMC復(fù)摻泥漿，同時按CMC溶液質(zhì)量由低到高分別編號為C1～C5；以純膨潤土組中A4為基料并分別添加不同質(zhì)量的PAC溶液：3.4g、6.8g、10.2g、13.6g、17.0g的膨潤土、PAC復(fù)摻泥漿、PAC復(fù)摻泥漿，同時按PAC溶液質(zhì)量由低到高分別編號為D1～D5。

頂管工程廢棄泥漿中摻加劑的含量一般低于前序施工時的摻加劑含量，且由于施工條件、廢棄泥漿輸送方式等因素的影響，廢棄泥漿中添加劑的含量會逐步減少。據(jù)此本試驗(yàn)設(shè)置膨潤土、CMC及PAC組的最高濃度梯度組滿足實(shí)際泥水盾構(gòu)工程中泥漿配置時對泥漿的參數(shù)要求（漏斗黏度：25～45s、濾失量：lt;25mL），其余梯度組以最高濃度梯度組為基準(zhǔn)逐組減少泥漿中摻加劑的含量。此外考慮到海水頂管中由于施工條件的差別，廢棄泥漿中鹽分會存在局部堆積或稀釋的情況，因此NaCl組泥漿配置以實(shí)際海水中NaCl含量（3%）為基準(zhǔn)，其余梯度組分別逐級減少或擴(kuò)大泥漿中NaCl的含量。

2"試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1"膨潤土組泥漿沉降試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖1展示了膨潤土含量變化對泥漿混凝沉降特性的影響，可以看出隨著膨潤土含量的上升，單純使用CPAM處理廢棄泥漿的混凝沉降結(jié)果逐漸變差。當(dāng)膨潤土含量小于2%時，廢棄泥漿在600s已基本完成沉降，最終濃縮泥層含水率約為130%；當(dāng)膨潤土含量大于4%時，廢棄泥漿幾乎不發(fā)生沉降，沉降開始約2h后，濃縮泥層含水率仍處于220%～240%之間。

膨潤土使泥漿混凝沉降特性惡化的原因與其自身性質(zhì)有關(guān)[5]。在黏土泥漿中摻入膨潤土后，由于膨潤土具有陽離子交換特性，會使黏土及膨潤土顆粒表面電位下降，從而導(dǎo)致顆粒間斥力加大，進(jìn)而使膨潤土泥漿具有較高的懸浮穩(wěn)定性。使用CPAM對膨潤土泥漿進(jìn)行混凝處理時，雖然其具有一定的吸附架橋機(jī)理可使泥漿顆粒團(tuán)聚，但對顆粒表面電位影響較小，泥漿仍具有較高的懸浮穩(wěn)定性，因此混凝沉降結(jié)果較差。

此外，根據(jù)圖1的試驗(yàn)結(jié)果可知，單純使用CPAM對富含膨潤土的廢棄泥漿進(jìn)行混凝處理時其沉降效果較差，因此有必要考慮使用其他混凝方案。由于膨潤土型泥漿具有較高的穩(wěn)定性，可先使用Fe、Al類具有較強(qiáng)電性中和機(jī)理的無機(jī)絮凝劑對其進(jìn)行處理，通過中和膨潤土顆粒表面電位使泥漿穩(wěn)定性下降，再使用PAM類具有較強(qiáng)吸附架橋機(jī)理的有機(jī)絮凝劑將會取得較好的混凝沉降效果。

2.2"NaCl組泥漿沉降試驗(yàn)結(jié)果及分析

NaCl組泥漿是以純膨潤土組泥漿中A6組（膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%）作為基料，再添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl配置而成，NaCl含量變化對泥漿混凝沉降特性的影響見圖2。可以看出前100s時沉降不明顯，但在100s～1000s內(nèi)發(fā)生迅速沉降，隨后沉降幅度趨向平緩，最終濃縮泥層含水率處于110%～140%之間。

對比圖1，NaCl組泥漿沉降規(guī)律并不隨泥漿中NaCl含量變化而大幅度變化，且均與膨潤土組中A2組（膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%）呈現(xiàn)出相似的變化趨勢，造成這種現(xiàn)象的原因與NaCl自身性質(zhì)相關(guān)。NaCl中存在的Na+離子具有一定的電性中和作用，可較好地中和泥漿顆粒表面負(fù)電位從而減弱顆粒間斥力，進(jìn)而降低泥漿穩(wěn)定性，因此以幾乎不發(fā)生沉降的A6組為基料的NaCl組泥漿卻表現(xiàn)出與A2組相似的沉降規(guī)律；此外，NaCl達(dá)到一定濃度后（本文中為1%），泥漿顆粒表面電位不會繼續(xù)提升，泥漿穩(wěn)定性不會進(jìn)一步降低，因此NaCl含量變化并不會引起泥漿沉降特性大幅度變化。

2.3"CMC、PAC組泥漿沉降試驗(yàn)結(jié)果及分析

CMC、PAC組泥漿是以純膨潤土組泥漿中A4組（膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%）作為基料，再添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的CMC、PAC配置而成，CMC、PAC含量變化對泥漿混凝沉降特性的影響見圖3及圖4。可以看出CMC組泥漿沉降前300s時沉降速度極快，隨后沉降速度逐漸放慢，最終濃縮泥層含水率處于110%～130%之間；而PAC組泥漿在沉降開始后始終保持著一定的沉降速度，最終濃縮層含水率處于120%～150%之間。

對比圖1，CMC、PAC組泥漿沉降規(guī)律并不隨泥漿中CMC、PAC含量變化而大幅度變化，且分別與膨潤土組中A1、A3組（膨潤土質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%、3%）呈現(xiàn)出相似的變化趨勢，造成這種現(xiàn)象的原因與各自自身性質(zhì)相關(guān)[6]。CMC、PAC均屬于高分子聚合物，溶于水后其分子鏈會吸附于顆粒表面，同時使顆粒發(fā)生架橋作用并產(chǎn)生初步聚集，進(jìn)而導(dǎo)致泥漿穩(wěn)定性有一定程度的下降，因此以沉降特性較差的A4組為基料的CMC及PAC組泥漿卻分別表現(xiàn)出與A1、A3組相似的沉降規(guī)律；此外，由于CMC、PAC具有吸附飽和特性，在泥漿內(nèi)二者達(dá)到一定濃度后，泥漿顆粒不再隨著濃度的提升發(fā)生進(jìn)一步聚集，因此CMC、PAC含量變化并不會引起泥漿沉降特性大幅度變化。

此外，根據(jù)圖1、圖3及圖4的試驗(yàn)結(jié)果可知，CMC型（C5）廢棄泥漿經(jīng)CPAM絮凝處理后，僅需300s左右即可完成沉降且沉降后濃縮層泥漿含水率114%；而與CMC型泥漿具有相同黏度、濾失量的膨潤土型（A6）、PAC型（D5）泥漿，在同樣絮凝條件下經(jīng)過長達(dá)7200s（2h）自重沉降后其濃縮層含水率仍分別高達(dá)240%、122%。因此考慮到后期廢棄泥漿混凝處理效率，在泥漿配置中可選擇膨潤土、CMC復(fù)摻的方式配置泥漿。

3"結(jié)語

綜上所述泥漿成分對泥漿混凝沉降特性有不同程度的影響，其中膨潤土由于其陽離子交換特性，將其摻入泥漿后會導(dǎo)致泥漿沉降結(jié)果的惡化，當(dāng)膨潤土含量大于4%時，廢棄泥漿幾乎不發(fā)生沉降。基于膨潤土泥漿的性質(zhì)，提出先采用具有電性中和機(jī)理的Fe、Al類無機(jī)絮凝劑，再添加具有架橋機(jī)理的PAM類有機(jī)絮凝劑的絮凝處理方案；此外NaCl、CMC及PAC由于各自電性中和、絮凝架橋的特性，將其摻入泥漿后泥漿沉降特性相較于基料膨潤土泥漿均有不同程度的改善。其中CMC組泥漿經(jīng)CPAM處理后僅需300s即可使?jié)饪s泥層含水率降至114%，因此考慮到后期廢棄泥漿混凝處理效率，在泥漿配置中可選擇膨潤土、CMC復(fù)摻的方式配置泥漿。

參考文獻(xiàn)

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