泥漿SAP脫水試驗研究

2023-05-26 02:21:30張金利,翟浩宇,侯棟友

大連理工大學學報 2023年3期

張金利, 翟浩宇, 侯棟友

(1.大連理工大學巖土工程研究所, 遼寧大連 116024;2.大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室, 遼寧大連 116024)

0 引言

軟土因含水量高、壓縮性大、強度低等不良工程特性,一般無法滿足工程建設要求,為此需要對其進行人工加固處理.另外,我國每年因港口、航道、河湖、水庫等建設、疏浚工程產生大量疏浚淤泥.據統計,我國在21世紀初疏浚淤泥海洋傾倒量已超過1×108m3[1].蘇州地區年擬規劃實施河道疏浚可產生1 000×104m3淤泥[2],三峽水庫2003～2018年壩前河段累積淤積泥沙約1.7×108m3[3].有效處理與利用疏浚淤泥對于緩解土地資源緊張問題具有重要意義.

軟土加固技術一般可分為化學固化和物理固化兩類.化學固化一般在軟土中加入特定配方的固化劑,通過固化劑與水、礦物等的化學反應提高軟土強度.盡管固化劑種類較多,但主要由水泥、石灰、工業固體廢料(如粉煤灰、鋼渣、堿渣、電石渣等)、其他外加劑等構成,其主要機制為通過膠凝材料的水化反應,產生空間網絡將土顆粒包裹,同時消耗水分,進而提高土的強度.徐日慶等[4]以試驗研究了加入粉煤灰與生石灰的濱海淤泥的強度特性,試驗結果表明,在最優配比下,14 d的無側限抗壓強度可達500 kPa.Du等[5]以草木灰作為硅源、以電石渣與氫氧化鈉作為激發劑,試驗研究了地聚物對海相軟黏土的加固效果,試驗結果表明,當加入電石渣、草木灰、氫氧化鈉的比例分別為16%、13%、0.8%時,28 d無側限抗壓強度可高達900 kPa.俞家人等[6]探討了礦渣在氫氧化鈉與水玻璃不同模數下對軟土的加固效果,在模數為1.2時,無側限抗壓強度可達4.37 MPa,加固效果明顯.陳偉等[7]采用JCW軟土膠結劑研究其對軟土固化效果,探討了固化劑對軟土液塑限影響,分析了固化機制.從已有的研究結果可見,化學固化可分為兩類:一類加水泥或石灰等典型膠凝材料,通過膠凝材料的水化反應生成空間網絡固定土顆粒;另一類加粉煤灰或鋼渣等典型工業固體廢棄物,構成硅源或鈣源,然后通過堿激發,使硅源或鈣源出現地質聚合反應,產生水化硅酸鈣或水化硅鋁酸鈣等膠凝材料,這種膠凝材料同樣具有空間網絡,進而固定土顆粒.另外,在地質聚合過程中,因水化反應使得土中的液態水參與膠凝材料形成,以結晶水形態存在于膠凝材料中,土中的自由水轉換為結晶水,由液態變為固態.后一種方法的優勢在于可有效利用工業固體廢棄物,具有良好的低碳環保特性.物理固化軟土是一種應用較為廣泛的工程方法.蔡烽[8]討論了堆載預壓下,塑料排水板深度、間距等對固化效果的影響,采用太沙基一維固結理論對固結過程進行了分析.譚舟洋[9]采用真空堆載法對路基進行加固,討論了砂墊層厚度、排水管布設對固結的影響.可見,該方法為縮短滲徑、減少固結時間、加速土體固結并提高強度常設置砂井、排水板等排水通道[10-11].上述的物理脫水法可形成超孔壓或負壓,使孔隙水在預設排水通道排除,這種方法耗時長,工程量大,加固效果不理想.

上述研究表明,軟土處理的核心問題之一在于水分的去除或改變水的存在形態[12].隨著新材料的發展和實踐,親水性高分子材料因造價低、效率高、污染性低等特點逐漸被引入淤泥固化中.Mirzababaei等[13]用兩種聚合物(聚乙烯醇(PVA)、丁烷四羧酸(BTCA))改善膨脹性黏土的工程特性.試驗結果表明,加入微量的兩種親水性聚合物可顯著改善膨脹性黏土的力學特性,無側限抗壓強度隨養護時間增加而增大.Bian等[14]將高吸水性聚合物(SAP)用于水泥固化疏浚淤泥試驗,研究結果表明,在水灰比一定時,SAP緩慢釋水效應為水泥水化反應提供水源,促進水泥硬化,試樣強度相應增大.SAP機理與PVA類似,不同在于SAP大分子鏈之間以氫鍵連接構成三維網狀結構,能夠有效鎖水,其內部高濃度離子基團使得體系內外形成指向內部的滲透壓,從而使環境中的水向體系內擴散并被鎖住[15].Farkish等[16-17]利用SAP對油砂尾礦進行脫水密實處理,SAP對油砂尾礦脫水效果顯著,結合凍融循環試驗,降低了細尾砂的壓縮性.

SAP作為一種功能性材料,已經在醫藥、農業等領域廣泛應用,但在巖土工程中應用較少.本文將SAP用于高含水量軟土加固試驗,采用插板法針對不同含水量高嶺土的脫水效果進行研究,探討含水率、強度與插板次數的關系,并初步探討SAP的回收方法.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用土(高嶺土)產自河北石家莊靈壽縣,其基本物理性質及成分見表1.試驗用高吸水性聚合物(SAP)呈砂粒狀,具有良好的分散性,顆粒大小為180～550 μm,吸水后呈溶脹狀態,酸堿度呈中性,主要化學成分有低交聯型聚丙烯酸鈉88%(其中含鈉24.5%)、水8%～10%、交聯劑0.5%～1.0%.

表1 高嶺土的基本物理性質及成分

為確定SAP吸水特性,采用茶包法[18]分別對SAP在自來水、海水、試驗用泥漿(高嶺土+自來水)中的吸水能力進行測試,以確定其吸水量.吸水量可表示為Q=mw/mSAP,其中mw為吸水質量,mSAP為SAP質量.試驗結果表明,SAP在自來水、海水、1倍液限泥漿、1.5倍液限泥漿中的吸水量分別為155、18、13、43 g/g.SAP與水接觸時,水分子通過毛細管及擴散作用向其滲透,同時其側鏈上的官能團電離,產生網絡內外離子濃度差,同性離子靜電排斥使得高分子網絡向外擴張,即在滲透壓下水向其體系內擴散[19].但由于材料內部三維空間網絡結構的束縛,網絡有限膨脹使結構內外達到動態平衡,即吸水量達到動態平衡,如圖1、2所示.由圖1可見,SAP對自來水吸水量最大,而在海水中吸水量顯著下降,可見鹽可抑制SAP吸水.由圖2可見,SAP在高含水率泥漿中的吸水能力相對較大,與水相比,SAP吸水飽和所需時間可達8～12 h,吸水效率顯著下降.通過上述吸水試驗發現,SAP吸水效率與溶液中的離子種類、水的狀態有明顯關系[20-21].

圖1 SAP對海水與自來水的吸水量與時間關系曲線

圖2 SAP對不同初始含水率泥漿的吸水量與時間關系曲線

1.2 試驗方法

1.2.1 泥漿脫水試驗

(1)模型箱制作

為便于觀察,模型箱采用有機玻璃板制作,尺寸為70 cm×70 cm×70 cm.

(2)泥漿制備

因模型箱體積較大,需要預估泥漿體積,多次制樣,分批將制備泥漿裝入模型箱中,并用攪拌器充分攪拌.本研究為考察含水量的影響,分別制作了1倍與1.5倍液限泥漿.

(3)SAP板制作

若將SAP直接加入泥漿中,吸水后的SAP很難分離.為此,本研究將SAP顆粒用環氧樹脂膠結到長70 cm、寬5 cm的有機玻璃板上,制作成吸水SAP板.SAP膠結長度依據泥漿深度確定.

(4)泥漿循環脫水

為防止SAP脫落,將SAP板裝入尼龍袋內,按排距17.5 cm、行距10 cm順序插入泥漿中,如圖3所示,并用塑料薄膜封閉模型箱頂部.根據試驗結果,SAP在泥漿中吸水達到最大吸水量一般需要12～24 h,如圖2所示,每次試驗時間控制在24 h.當達到設計時間后,將SAP板拔出,清除凝膠,攪動土樣使其均勻,完成一次循環.然后,重復上述過程,進行第二次試驗.

(a)模型箱

(5)試驗結束條件

按每次循環吸水量與SAP板插入難易程度綜合確定.

1.2.2 室內物理力學試驗泥漿經SAP板多次脫水固化后,用專用取樣器取樣,依據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)[22]進行室內物理力學試驗.快剪試驗時,法向應力分別為50、100、150、200 kPa,剪切速率為12 r/min(即水平位移速率為2.4 mm/min);無側限抗壓強度試驗時,軸向位移速率為1.5 mm/min.

2 結果與分析

2.1 泥漿含水率分析

本次試驗采用SAP板對初始含水率為42.3%(1倍液限)與63.5%(1.5倍液限)的泥漿進行脫水固化試驗,使用SAP板次數分別為4次與11次,含水率分別降至34.9%與35.1%,SAP對泥漿脫水效果明顯.從SAP板使用次數可見,當泥漿含水率較大時,因SAP板上的SAP質量相對固定,故需要較多次使用SAP板脫水,試驗時間增加.由試驗發現,當試樣含水率較低時,安裝與拆卸SAP板較困難,且對土樣擾動非常大.另外,隨SAP板使用次數增加,其脫水效率下降.圖4給出試驗中模型箱表面土樣變化情況.由圖可見,隨SAP板使用次數增加,土樣表面會出現裂縫.產生這一現象的主要原因為泥漿初始含水率較大,在自重應力下發生固結,模型箱頂部含水率大于底部,SAP對高含水率泥漿脫水效果較優,頂部脫水快于底部,故此產生裂縫.SAP主要依靠聚合物電離產生內外滲透壓而吸水,而泥漿中的水進入SAP需要克服滲透阻力與靜電引力,因此,SAP不可能將泥漿中的水全部脫除,即當含水率低到某一值時,SAP的脫水效果顯著降低,如圖2所示.當泥漿含水率隨SAP板使用次數增加而降低時,SAP板效率在下降.由此可見,當使用SAP對泥漿脫水時,非常適合高含水率泥漿.本次試驗進行了初始含水率分別為42.3%與63.5%的泥漿脫水試驗,試驗停止時的含水率基本接近35%.達到該含水率時,SAP脫水效率顯著降低.真空預壓法廣泛應用于軟土加固工程實踐.趙漢亮[23]對珠海某軟土地基進行真空預壓加固,含水率由53.6%降至47.4%.周俊輝等[24]對越南中北部河靜省奇英縣吹砂造地工程軟土層進行直排式真空預壓加固,含水率由62%～63%降至49%～53%.劉巖等[25]對南沙地區軟土真空預壓加固后含水率從61.2%降到50.9%.張呂華等[26]給出浙江臺州某新建港區真空預壓處理淺層疏浚土,吹填落淤后上部含水率超200%,預壓3個月后平均含水率降至40.4%.李千[27]采用真空預壓淺層排水固結法加固廈門某吹填造地地塊,淺層軟土含水率由63.3%降至51.4%.高梓旺等[28]給出天津港東疆地區某軟土地基真空預壓加固場地加固前后含水率變化情況:吹填土含水率由27.05%降到21.83%;淤泥質土含水率由40.5%降到37.05%;淤泥含水率由60.66%降到43.84%;淤泥質粉質黏土含水率由42.89%降到32.47%;粉質黏土含水率由24.35%變為24.97%,基本不變.上述研究表明,真空預壓處理后的土體含水率仍處于較高水平,含水率降低有限.考慮到現場施工條件限制,負壓基本處在80 kPa左右,抽水能力有限.本文應用SAP將高含水率泥漿成功脫水到35%左右含水率,優于真空預壓,另外可以說明SAP滲透壓不低于80 kPa.SAP用于軟土脫水具有脫水快,24 h完成吸水,SAP板安裝與拆卸方便,施工周期短,且SAP可回收再利用的優點,因此SAP用于工程現場軟土加固具有十分廣闊的前景.

圖5 SAP消耗率與平均含水率的變化

2.2 SAP吸水效率分析

SAP對泥漿的脫水效率對于工程應用至關重要.圖6分別給出不同含水率泥漿SAP消耗率(S)、吸水質量比(吸水質量mw/水初始質量mw0)與使用SAP板脫水次數(n)的關系.由圖可見,隨SAP消耗率增大,累計吸水質量比增大,單次吸水質量比減小,1倍和1.5倍液限泥漿脫水分別約18%與45%,脫水效果明顯.隨脫水次數增加,單次吸水量(即Qi)在下降,表明隨土樣含水率逐漸降低,SAP脫水效率在下降,圖7給出的吸水能力也驗證了這一現象.當SAP與水接觸,由親水基團與水分子發生氫鍵、范德華力等作用,在離子滲透壓作用下吸水,SAP板附近的水首先被吸收,遠離SAP板的水需要克服滲透阻力方可被吸收,吸水效率顯著下降,這也驗證了隨SAP板使用次數增加,吸水量下降的原因.另外,黏土滲透性差,含水率較低時,影響液態水遷移[29-30].

(a)1倍液限(42.3%)

圖7 SAP吸水量與脫水次數關系

2.3 脫水后土樣強度分析

采用快剪與無側限抗壓強度試驗對泥漿經多次SAP脫水后的固化效果進行分析.試驗中使用的土樣分別為1倍液限泥漿4與5次脫水兩種,以及1.5倍液限泥漿11次脫水.為保證試驗結果的準確性和可重復性,制備試樣時,盡量控制試樣含水率、密度等,每種土樣進行5組快剪試驗、12組無側限抗壓強度試驗,取平均值進行強度評價.

采用Origin軟件[31]對快剪試驗結果予以處理,如圖8所示,由此得到抗剪強度參數cq和φq,見表2.由表2可見,不同初始含水率的泥漿經SAP多次脫水后,抗剪強度均得到較大增長,黏聚力達到11～12 kPa,內摩擦角在5°左右.土樣由流動狀態變為硬可塑狀態,此時試樣的含水率約為35%,與初始狀態相比,含水率降低明顯.

圖8 SAP板脫水完成后土樣抗剪強度擬合曲線

表2 抗剪強度參數

圖9給出無側限抗壓強度試驗得到的應力-應變關系曲線.無側限抗壓強度qu由應力與應變曲線確定,當應力-應變關系曲線有峰值點時,取峰值點應力作為無側限抗壓強度,無峰值點時,取15%應變對應應力作為無側限抗壓強度,結果見表3.由圖9可見,經SAP多次脫水后,土樣的應力-應變關系曲線具有緩變特征,表明土樣的壓縮性較大,且多數處于緩慢上升趨勢,曲線無峰值點.因SAP板拆卸對土樣擾動較大,模型箱不同位置土的狀態差異較大,因此,所得到的應力-應變關系曲線具有一定差異,但整體趨勢一致.由表3可見,不同初始含水率泥漿經多次脫水后的qu處于20.9～24.6 kPa,無側限抗壓強度較接近.由此可見,泥漿經SAP脫水后,其強度有一定提高.由試驗結果可知,當場地承載力要求較低時,可用插板機將SAP板安裝到淤泥等高含水率黏土場地,對淤泥進行脫水處理,24 h后將SAP板拔出,重新安裝新的SAP板,經多次重復后,完成對軟土的加固處理.與堆載預壓、真空預壓等方法相比,SAP板脫水具有施工周期較短、成本低的優勢.

圖9 無側限抗壓強度試驗得到的應力-應變關系

表3 無側限抗壓強度結果

2.4 SAP解水方法

SAP作為一種高性能吸水材料,價格較高,因此回收利用對于節約建設成本至關重要.SAP的儲水方式包括:鏈上的離子性基團和親水性基團與水分子發生水合作用形成的結合水,由于滲透壓作用和毛細管作用擴散到網絡內的自由水,通過氫鍵或取向力與結合水連接并介于結合水和自由水之間的束縛水.其中結合水和束縛水的形成類似化學吸附且總量遠少于自由水[19].因此,若能去除凝膠內的自由水而不破壞其網絡結構,即可實現SAP回收再利用.

研究表明,不同物理和環境因素影響SAP保水性能[32].Bian等[33]將SAP自然晾曬5 h后解吸率僅3.8%,可見自然晾曬回收SAP效率極低.

Farkish等[17]采用控制酸堿度和溫度的方式對水凝膠進行回收,結果表明,水凝膠在酸性環境下能夠短時間解水,但其內部結構被破壞,回收后SAP再吸水能力明顯降低.水凝膠在65 ℃的烘干箱內烘干36 h(輕熱干燥法)具有更好的再吸水能力.Park等[34]采用海水、氯化鈣(海水質量的0.5%～3.0%)與水凝膠混合10 min～4 h,結果表明,當氯化鈣質量分數達3.0%時,其SAP回收率達80%～90%.Wu等[35]采用水相濃縮二甲醚(DME)系統萃取水凝膠的水,萃取率接近90%.上述研究表明,環境溫度、酸堿度及離子濃度等因素對SAP保水性能影響很大.

本文采用質量分數為0.5%、1.0%、3.0%和5.0%的NaCl溶液對水凝膠進行解水試驗,飽和水凝膠在鹽溶液下將發生解水,將釋出水的質量與水凝膠初始吸水質量的比值定義為解水率(H).試驗結果如圖10所示.由圖10可見,水凝膠在NaCl溶液中靜置20～30 min即可達到解水平衡,隨NaCl質量分數增加解水率增大,5.0%NaCl溶液解水率最高,約87%,該解水率與Wu等[35]研究結果相近.在鹽溶液中,水凝膠外部環境離子濃度高,產生指向外的滲透壓,同時,外部環境中Na+、Ca2+等金屬陽離子與SAP鏈上陰離子性基團相互作用,從而降低離子電荷排斥作用,網絡結構收縮,釋放自由水[34].

圖10 水凝膠在NaCl溶液中解水率隨時間變化

為進一步提高SAP回收率,通過試驗研究了輕熱干燥法與鹽溶液浸泡相結合的效果.試驗方法如下:A法為水凝膠在5.0%NaCl溶液中浸泡30 min,后輕熱干燥;B法為水凝膠在5.0% CaCl2溶液中浸泡30 min,后輕熱干燥;C法為輕熱干燥.試驗結果如圖11所示.由圖可見,從烘干時間看,B法最短,能量消耗小;C法最長,能量消耗大.為進一步分析回收SAP的吸水能力,圖12給出了3種方法回收SAP的再吸水量(Qr).由圖12可見,回收SAP的吸水能力出現不同程度下降,其中B法回收的SAP幾乎喪失吸水能力,A法下降近50%,C法下降幅度較小.由此可見,盡管5.0%NaCl溶液浸泡可提高SAP回收率,但同時也損失較大吸水能力,而輕熱干燥較為可取.綜合回收率與再吸水能力,A法較優.