張世民， 張兵兵， 崔允亮， 潘方然， 汪浪波

（1.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.浙大城市學(xué)院土木工程系，杭州 310015；3.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，杭州 310058）

0 引言

疏浚淤泥作為一種高含水率、低滲透性的土體，通常的處理方式為堆放自然脫水、機(jī)械脫水，然而這兩種方式處理效率低，占用資源多。而真空預(yù)壓技術(shù)及電滲技術(shù)因其能排出淤泥中的自由水和結(jié)合水，疏浚淤泥處理效率較高，逐漸被推廣應(yīng)用。但是這其中也存在一些問(wèn)題：真空預(yù)壓法在處理疏浚淤泥時(shí)淤堵效應(yīng)嚴(yán)重；電滲法在處理疏浚淤泥時(shí)電極與土體間界面電阻大、能耗大、電滲后期處理效率低［1］。

由于電滲處理存在土體加固不均勻，能耗高等缺點(diǎn)，為提升電滲加固效果、降低能耗，除需要研究電滲的控制因素，試驗(yàn)和應(yīng)用中?？紤]聯(lián)合其他方式共同對(duì)地基進(jìn)行處理［2-6］，比如加入絮凝劑。絮凝劑在淤泥處理中根據(jù)作用機(jī)理不同通常分為兩類(lèi)：有機(jī)絮凝劑和無(wú)機(jī)絮凝劑。無(wú)機(jī)絮凝劑主要是進(jìn)行電中和作用，通過(guò)游離的陽(yáng)離子吸附細(xì)小土顆粒，形成絮凝團(tuán)，但是這種絮凝團(tuán)比較小，易受外界條件影響，如物理力和溫度，并且需要使用的量較大；有機(jī)絮凝劑主要靠分子間的“橋接”，這種連接比較穩(wěn)定且絮凝團(tuán)比較大，使用的量較少，但是壓縮雙電層不明顯［7］。

近年來(lái)，一些學(xué)者［8，9］開(kāi)始從淤泥的淤堵效應(yīng)出發(fā)，提出加入絮凝劑去改善淤堵，從而提高真空預(yù)壓淤泥處理效率和效果，并做了相應(yīng)的試驗(yàn)證明絮凝劑的效果。Liu等［10］在淤泥中添加氯化鐵（FeCl3）和陰離子型聚丙烯酰胺（APAM），研究表明絮凝劑可以提高排水量和抗剪強(qiáng)度減少淤泥體積，并且可以固化淤泥中的重金屬。蒲訶夫等［11］使用APAM處理疏浚淤泥，總結(jié)得到絮凝劑可以改善土體不均勻固結(jié)，縮短脫水時(shí)間，并提出真空最佳介入時(shí)間為靜置沉積24h 后。王東星等［12］使用氫氧化鈣（Ca（OH）2）、聚硅酸鋁鐵（PAFSI）、聚合氯化鋁（PAC）、聚二甲基二丙烯基氯化銨（HCA）、APAM 等五種絮凝劑處理疏浚泥漿，其中APAM在沉降速率、時(shí)間及及含水率等方面表現(xiàn)最優(yōu)，并且得出適量絮凝劑可以防止淤泥淤堵促進(jìn)排水。在絮凝真空預(yù)壓的研究基礎(chǔ)上，一些學(xué)者［13，14］從淤泥電動(dòng)特性出發(fā)，將絮凝劑引入電滲真空預(yù)壓處理淤泥中，研究證明絮凝劑可有效改善淤泥界面電阻高、能耗大和效率低等問(wèn)題。劉飛禹等［15］利用自制的電滲試驗(yàn)裝置，對(duì)疏浚淤泥進(jìn)行了無(wú)機(jī)絮凝劑FeCl3和硫酸鋁Al2（SQ4）3的不同摻入比的電滲排水試驗(yàn)，總結(jié)得到絮凝劑的最佳摻入比。Wang等［16］研究了無(wú)機(jī)絮凝劑FeCl3和Al2（SQ4）3對(duì)真空預(yù)壓聯(lián)合電滲法處理疏浚淤泥的排水效果，結(jié)論與劉飛禹［15］添加絮凝劑可以有效提高排水效果相吻合。

上述研究表明，無(wú)機(jī)絮凝劑能改善電滲真空預(yù)壓處理淤泥的效果，但是目前仍缺乏對(duì)有機(jī)絮凝劑處理淤泥的電滲真空預(yù)壓試驗(yàn)的研究。文中試驗(yàn)采用自制的室內(nèi)電滲真空預(yù)壓試驗(yàn)裝置，采用在電滲真空預(yù)壓處理淤泥中添加有機(jī)絮凝劑APAM，從處理后淤泥的含水率和抗剪強(qiáng)度等方面驗(yàn)證了APAM 在淤泥處理方面的有效性，研究成果可為現(xiàn)場(chǎng)大規(guī)模應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)過(guò)程

1.1 絮凝劑的選取

文中已對(duì)絮凝劑的分類(lèi)、機(jī)理和在淤泥處理中的研究現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，下面主要討論一下絮凝劑的選取。

從有機(jī)和無(wú)機(jī)絮凝劑的絮凝效果來(lái)看，有機(jī)絮凝劑形成的絮凝團(tuán)較大，且不易受外界條件（物理力和溫度）的影響，投加量比無(wú)機(jī)絮凝劑更少，所以更加穩(wěn)定有效、節(jié)省成本。從環(huán)保方面來(lái)看，有機(jī)絮凝劑為有機(jī)物，毒性小，對(duì)淤泥污染小，而無(wú)機(jī)絮凝劑如FeCl3等，其中的金屬離子對(duì)淤泥污染大，不易推廣。所以文中在有機(jī)絮凝劑中選取試驗(yàn)所用的絮凝劑。

絮凝劑的荷電特性將直接影響到它的電中和性能，通常情況下，絮凝劑的zeta 電位越高，帶有的表面電荷越多，則絮凝過(guò)程的電中和能力越強(qiáng)，絮凝效果好。而在有機(jī)絮凝劑中，離子型的高分子絮凝劑由于帶正（負(fù)）電荷可以吸附帶電荷的細(xì)小顆粒形成大絮凝團(tuán)，并且其高分子聚合物可以將細(xì)小顆粒形成“橋接”，絮凝效果比較好。由于之前的學(xué)者［17］在絮凝真空預(yù)壓方面的使用APAM 效果均優(yōu)于其他離子型絮凝劑，所以文中試驗(yàn)選取APAM（分子量1200萬(wàn)）為試劑用于電滲真空預(yù)壓處理淤泥。

1.2 試驗(yàn)土樣

試驗(yàn)土樣初始含水率為150%，控制含水率值為100%制成試驗(yàn)?zāi)酀{，取自杭州市豐潭河河道疏浚淤泥，河道范圍為阮家橋河-石橋港，河道疏浚長(zhǎng)度約為338m，河道平均寬度約為21.32m，淤泥淤積深度為0.5～1.5m。所取淤泥的顆粒級(jí)配及初始性質(zhì)如圖1、表1所示。

圖1 淤泥顆粒級(jí)配曲線

表1 淤泥初始性質(zhì)

1.3 沉降柱試驗(yàn)

諸多研究［18，19］表明在電滲真空預(yù)壓處理淤泥試驗(yàn)中加入的絮凝劑存在一個(gè)最優(yōu)摻量，為了研究APAM與疏浚淤泥反應(yīng)后的絮凝效果，文中進(jìn)行了沉降柱試驗(yàn)，以確定最優(yōu)摻量。

沉降柱試驗(yàn)用到的儀器有：量程為1000ml 的量筒、量程為600ml燒杯、精度為0.01g的電子天平、玻璃棒等。具體試驗(yàn)過(guò)程如下：

（1） 先將含水率為100%的原始泥漿加水配置成含水率為200%的試驗(yàn)?zāi)酀{。

（2） 計(jì)算絮凝劑的添加克重。絮凝劑的添加比例設(shè)定為泥漿干重的0.15%、0.25%、0.50%、0.75%、1.00%、2.00%。先用量筒量取400ml 試驗(yàn)?zāi)酀{，用電子天平稱(chēng)其克重，根據(jù)其重量和含水率確定其干重，按照其干重的確定計(jì)算絮凝劑克重。

（3） 將稱(chēng)好的絮凝劑加入燒杯注入100ml 蒸餾水，用玻璃棒持續(xù)攪拌1min，隨后加入試驗(yàn)?zāi)酀{直至600ml，繼續(xù)持續(xù)攪拌5min，攪拌結(jié)束后將泥漿混合液倒入量筒直至500ml刻度。

（4） 記錄不同時(shí)間的泥漿柱體積。

（5） 待液面穩(wěn)定后取其上清液用濁度儀測(cè)定濁度。

試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示，從圖中可以看出APAM 取土壤干重的0.25%上清液體積最高，所以APAM 最優(yōu)摻量為土壤干重的0.25%。

圖2 APAM沉降柱實(shí)驗(yàn)

1.4 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用的模型裝置如圖3 所示，主要設(shè)備有抽濾瓶（量程為1000ml）、電子天平（精度為1g，量程為15kg）、循環(huán)水式真空泵（予華SHZ-DIII型）、直流電源和模型桶。試驗(yàn)陰陽(yáng)極均采用板式EKG 電極，板式EKG有利于減少電極腐蝕［20］，如圖4所示。板式EKG電極由導(dǎo)電塑料和銅絲組成，表面有許多從上到下的凹槽規(guī)則分布，方便水在板內(nèi)流通；銅絲對(duì)稱(chēng)分布，包裹于塑料內(nèi)部，可以有效防止腐蝕；外部包有濾布，防止土顆粒堵塞排水板。試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缂皽y(cè)點(diǎn)分布如圖5所示。

圖3 模型裝置

圖4 板式EKG電極

圖5 模型尺寸及測(cè)點(diǎn)分布（單位：mm）

1.5 試驗(yàn)方案

設(shè)置以下2組試驗(yàn)：

（1）A組是不加絮凝劑（對(duì)照組）

（2）B組是加絮凝劑APAM（試驗(yàn)組）

試驗(yàn)采用陰極直排的排水方式，電勢(shì)梯度取0.5V/cm，輸出電壓取20V，試驗(yàn)過(guò)程中真空度保持在80kPa以上。

1.6 試驗(yàn)過(guò)程

（1） 試驗(yàn)前在模型桶內(nèi)壁涂上潤(rùn)滑的凡士林，然后將配置好的試驗(yàn)?zāi)酀{倒入A、B模型桶中，保證體積一致，靜置一天。

（2） 在B 桶取上層清液于水桶中，加入絮凝劑APAM用攪拌機(jī)攪拌均勻，將APAM混合液加入到B桶中使用攪拌機(jī)攪拌15min以保證淤泥和APAM混合均勻。

（3） 將4個(gè)EKG陽(yáng)極使用導(dǎo)線連接在一起，線頭處使用絕緣膠水處理，防止線頭腐蝕導(dǎo)致試驗(yàn)失敗。

（4） 將連接好的電線的EKG板按照?qǐng)D5設(shè)定的位置插入淤泥中，將陰陽(yáng)極線頭通過(guò)模型桶預(yù)留的口穿出，并密封好接口。

（5） 由于模型桶為圓柱形，使用普通平面PE塑料膜密封處褶皺過(guò)多，不利于密封，所以使用定制超大PE平口塑料袋（18絲且形狀貼近于圓柱形）進(jìn)行密封。將模型桶周邊涂上704 密封膠，然后塑料袋套在模型桶上，邊緣使用環(huán)箍箍緊，防止真空壓力過(guò)大損壞密封。

（6） 將測(cè)點(diǎn)墊片按照?qǐng)D5 設(shè)定位置用雙面膠固定于塑料膜上，將鋼直尺底部固定于墊片上，上部放置于模型桶頂部支架上，保證不能左右晃動(dòng)，只能往下移動(dòng)，以測(cè)定不同時(shí)間沉降數(shù)據(jù)。

（7） 連接好電流表和直流電源。將真空管一頭接在模型桶預(yù)留閥門(mén)口上，另一頭通過(guò)橡膠塞預(yù)留口接入抽濾瓶?jī)?nèi)，繼續(xù)在橡膠塞另一個(gè)預(yù)留口上接上真空表，以便時(shí)刻觀察真空度。最后，將抽濾瓶上方接口用真空管接入真空泵上。

（8） 沉淀一天后，不排除上部清液直接進(jìn)行試驗(yàn)，先進(jìn)行抽真空，24.5h 開(kāi)啟電滲，并實(shí)時(shí)記錄過(guò)程數(shù)據(jù)。

（9） 試驗(yàn)結(jié)束后按照?qǐng)D5 測(cè)點(diǎn)采集不同位置的土樣測(cè)定含水率，用便攜式十字板剪切測(cè)定不同位置的抗剪強(qiáng)度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 表面沉降

試驗(yàn)過(guò)程中的沉降數(shù)據(jù)繪制成圖6。從圖6中可以看出在真空預(yù)壓階段A、B 組的沉降分別為1.47、8.15cm，B比A組沉降量提高了454.42%；在24.5h開(kāi)始電滲后到試驗(yàn)結(jié)束A、B組的沉降分別為7.43、8.65cm，B比A組沉降量提高了16.42%。加入絮凝劑APAM的B 組整體沉降速率更快，最終沉降量更大，并且在178.5h 時(shí)就趨于穩(wěn)定，比A 組早了30h。這說(shuō)明加入絮凝劑APAM能夠提高沉降量和沉降速率，并且可以減少處理時(shí)間。

圖6 表面沉降

2.2 排水速率與排水量

試驗(yàn)過(guò)程中出水量隨時(shí)間的變化如圖7所示。從圖中可以看出在真空預(yù)壓階段A、B 組的排水量分別為6.60、25.50kg，B 比A 組排水量提高了286.36%；在24.5h開(kāi)始電滲后到試驗(yàn)結(jié)束A、B組的排水量分別為33.50、49.89kg，B比A組排水量提高了48.93%。

圖7 排水量

試驗(yàn)過(guò)程中的排水速率如圖8所示。從圖中可以看出在真空預(yù)壓階段B 組的排水速率遠(yuǎn)高于A 組，并且下降的非?？臁＿@是因?yàn)樵囼?yàn)初期淤泥的含水率較高，加入絮凝劑APAM 有利于細(xì)小土顆粒的凝聚，從而改善排水通道，極大提高了排水速率。而隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，淤泥中的水逐漸排出，排水速率開(kāi)始逐漸下降。在24.5h 開(kāi)始電滲后，排水速率又有著明顯的提升，這是由于電滲可使淤泥中結(jié)合水排出，從而提高排水速率。

圖8 排水速率

2.3 電流隨時(shí)間的變化

試驗(yàn)過(guò)程中的電流隨時(shí)間的變化如圖9所示。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)A、B 組的電流分別為0.72、1.84A，這說(shuō)明加入絮凝劑APAM可以降低土體間的界面電阻，從而提高電流。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行電流開(kāi)始逐漸降低，這是因?yàn)殡S著水的排出和土體裂縫的開(kāi)展，界面電阻開(kāi)始變大，導(dǎo)致電流隨時(shí)間逐漸降低。但是，從圖9中可以看出B組的電流始終大于A組。這是因?yàn)锽組雖然排出的水量多，在這一方面的影響下界面電阻高于A 組，但是B組加入絮凝劑APAM形成的絮凝團(tuán)具有良好的延展性和結(jié)構(gòu)性可以緩解裂縫的開(kāi)展，并且這種絮凝團(tuán)可以提升電導(dǎo)率［21］，從而整體的界面電阻低于A組，電流也就始終高于A組。

圖9 電流隨時(shí)間變化

2.4 含水率與抗剪強(qiáng)度

如表3、表4所示，試驗(yàn)結(jié)束后采集不同位置的土樣測(cè)定含水率，用便攜式十字板剪切測(cè)定不同位置的抗剪強(qiáng)度。從表3中可以看出隨著深度的增加含水率和抗剪強(qiáng)度逐漸減小，這是因?yàn)檎婵斩鹊膫鬟f隨深度的增加逐漸減小，所以排水量很少，含水率和抗剪強(qiáng)度也逐漸減小。從表4 中可以看出中間的含水率高，兩側(cè)含水率較低。這是因?yàn)椴捎昧岁帢O直排，導(dǎo)致排水路徑更長(zhǎng)，陰極附近的水及時(shí)排出，而陽(yáng)極附近的水聚集較慢［22］。

表3 沿深度方向含水率和抗剪強(qiáng)度分布

表4 沿水平方向含水率和抗剪強(qiáng)度分布

3 結(jié)語(yǔ)

文中從電滲真空預(yù)壓處理淤泥實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，根據(jù)不同種類(lèi)絮凝劑的絮凝機(jī)理，總結(jié)了以往學(xué)者在絮凝真空預(yù)壓及絮凝電滲真空預(yù)壓處理淤泥研究成果，提出使用有機(jī)絮凝劑APAM處理淤泥，具體結(jié)論如下：

（1） APAM可以防淤促排，排水效果提高88%；同時(shí)改善了土體均勻性，底層與表層含水率僅差2.28%。

（2） APAM 可以提高電滲真空預(yù)壓處理淤泥效率，淤泥表面沉降更早穩(wěn)定、排水速率更快。

（3） APAM可以很好的減容，經(jīng)絮凝電滲真空預(yù)壓處理的淤泥比不加絮凝劑的體積減少了88.76%。

最后，由于試驗(yàn)條件等的限制，未做更多有機(jī)絮凝劑的對(duì)比試驗(yàn)，建議未來(lái)可以進(jìn)一步研究更多種類(lèi)有機(jī)絮凝劑或者復(fù)合有機(jī)-無(wú)機(jī)絮凝劑進(jìn)行電滲真空預(yù)壓處理淤泥試驗(yàn)，以便得出其絮凝的最優(yōu)方案。