喬旭， 徐培蓁， 朱亞光

（青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 青島 266000）

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，我國(guó)許多城市以地鐵為主的地下空間資源建設(shè)進(jìn)入了迅速發(fā)展的階段。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到2019年我國(guó)大陸35個(gè)城市地鐵正式投入運(yùn)營(yíng)，軌道總距離5027.36km，地鐵建設(shè)發(fā)展?jié)摿薮螅?］。泥水盾構(gòu)法以其適應(yīng)多種類(lèi)型土層，開(kāi)挖面穩(wěn)定性高等特點(diǎn)被多用于國(guó)內(nèi)地鐵隧道的建設(shè)中。在施工過(guò)程中通常會(huì)在開(kāi)挖面泥漿中加入大量的水以及分散劑來(lái)保證泥漿的流塑性，泥水盾構(gòu)在施工過(guò)程中不可避免的會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄泥漿，其出漿量為普通隧道開(kāi)挖的2～3倍，該類(lèi)泥漿多無(wú)法直接循環(huán)利用，如果隨意排放，不但占用土地資源，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染［2，3］。隨著我國(guó)對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)文明施工要求的不斷提升，如何科學(xué)有效的處理泥水盾構(gòu)廢棄泥漿十分重要。

目前泥漿的主要的處理方式為通過(guò)運(yùn)輸車(chē)運(yùn)送至填埋場(chǎng)排放，但由于盾構(gòu)廢棄泥漿具有較高含水率，在運(yùn)輸過(guò)程中難免遺撒，不僅影響市容，而且清洗道路后產(chǎn)生的污水還會(huì)堵塞城市排污系統(tǒng)，因此如何科學(xué)有效的降低泥漿的含水率十分關(guān)鍵。機(jī)械處理法、化學(xué)絮凝法、化學(xué)固化法［4-6］可對(duì)泥漿進(jìn)行無(wú)害化脫水處理。機(jī)械處理法處理后泥漿含水率在30%左右，強(qiáng)度較低，并且設(shè)備租賃購(gòu)買(mǎi)及維護(hù)費(fèi)用較高?；瘜W(xué)絮凝法與化學(xué)固化法因操作簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)性好得到廣泛研究與使用。楊春英等［7］用多種PAM絮凝劑對(duì)泥漿脫水處理，研究了泥漿的脫水絮凝機(jī)理。范英宏［8］用PAM對(duì)膨潤(rùn)土泥漿進(jìn)行絮凝脫水，發(fā)現(xiàn)APAM的脫水效果最好；陳源等［9］用水泥、硅酸鈉、硫酸鋁配制的固化劑對(duì)海南紅黏土廢泥漿固化處理取得良好固化效果。楊?lèi)?ài)武等［10］用石灰、石膏、水泥固化軟土得到了很好的固化效果?，F(xiàn)有利用絮凝劑、固化劑單摻或復(fù)配進(jìn)行脫水固化研究主要針對(duì)污泥、鉆井泥漿、淤泥等，對(duì)于盾構(gòu)泥漿的研究較少，盾構(gòu)廢棄泥漿由于其特殊施工工藝，具有含水率高、粘性大、含有添加劑的特點(diǎn)［11］，已有研究從經(jīng)濟(jì)與技術(shù)方面不一定適用于盾構(gòu)廢棄泥漿，因此針對(duì)盾構(gòu)廢棄泥漿優(yōu)選出科學(xué)經(jīng)濟(jì)的資源化處理方法具有重要意義。

結(jié)合復(fù)合類(lèi)絮凝劑與無(wú)機(jī)類(lèi)固化劑特點(diǎn)，利用復(fù)合類(lèi)絮凝劑與無(wú)機(jī)類(lèi)固化劑對(duì)盾構(gòu)泥漿先后進(jìn)行絮凝脫水以及固化，研究其脫水固化機(jī)理并提出絮凝劑與固化劑的最佳摻量。為盾構(gòu)泥漿的處理與資源化利用提出思路與建議。

1 材料與方法

1.1 泥漿

廢棄泥漿取自青島市嶗山區(qū)在建地鐵泥水盾構(gòu)廢棄泥漿，濕密度1.65g/cm3、含水率為85%、PH值為10.5，泥漿化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 泥漿化學(xué)成分分析 %

1.2 絮凝劑

絮凝劑由陰離子聚丙烯酰胺（APAM）與聚合硫酸鐵（PFS）按1：1比例配制而成，陰離子聚丙烯酰胺分子量為1200萬(wàn)，聚合硫酸鐵中鐵含量為18.5%。

1.3 無(wú)機(jī)類(lèi)固化劑

固化劑由生石灰、石膏、水泥、硅酸鈉配制而成。硅酸鈉為白色粉末狀，純度99.8%，模數(shù)為2.0。水泥為42.5普通硅酸鹽水泥，化學(xué)成分見(jiàn)表2。生石灰主要成分CaO含量占比98%，化學(xué)成分見(jiàn)表3。石膏主要成分CaO與SO3的占比81%，化學(xué)成分見(jiàn)表4。

表2 水泥化學(xué)成分分析 %

表3 石灰化學(xué)成分分析 %

表4 石膏化學(xué)成分分析表 %

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

盾構(gòu)廢棄泥漿的含水率一般在85%～95%，將所取原狀泥漿含水率分別稀釋至85%、90%、95%，置于100ml量筒中充分?jǐn)嚢韬蠹尤霃?fù)合類(lèi)絮凝劑。每個(gè)含水率下，絮凝劑摻量分別設(shè)置為泥漿的0.05%、0.1%、0.2%、0.3%，對(duì)照組為不加絮凝劑的自由沉降試驗(yàn)。觀察4h內(nèi)分離液體渾濁度及絮凝體大小，確定不同配比下的絮凝效果。將絮凝后的泥漿用200目濾布過(guò)濾，取脫水過(guò)濾后的泥漿放入烘箱烘干，計(jì)算最終含水率。

將脫水處理后的泥漿倒入攪拌機(jī)，攪拌2min，再加入固化劑攪拌4min。然后將混合漿液填入φ=45mm、h=90mm的圓柱模具中，用修土刀刮平，然后用薄膜封口，靜置1d后拆模，為保證水分不會(huì)蒸發(fā)，拆模后用薄膜覆蓋試塊，置于養(yǎng)護(hù)箱中（濕度大于95%，溫度于20℃±2℃）養(yǎng)護(hù)，待到指定齡期測(cè)試其抗壓強(qiáng)度，同一類(lèi)型試件進(jìn)行三次測(cè)試，取平均值作為其強(qiáng)度。

1.5 固化材料配合比設(shè)計(jì)

無(wú)機(jī)類(lèi)固化劑通常在10%左右可以形成良好固化效果［12，13］，能夠達(dá)到運(yùn)輸強(qiáng)度要求，但當(dāng)前研究多為以水泥為主的水泥基固化劑，在不提高固化劑摻量的前提下，增設(shè)多種固化材料復(fù)配進(jìn)行研究，降低材料花費(fèi)。生石灰、石膏、硅酸鈉、水泥對(duì)泥漿固化起積極的作用，各組分通過(guò)自身以及相互之間的水化反應(yīng)對(duì)泥漿進(jìn)行固化。其中，石灰與石膏對(duì)高含水率泥漿有著很好的干化作用，并且生成的堿性環(huán)境利于激發(fā)水泥活性，參考相關(guān)文獻(xiàn)［14-16］，石膏與石灰摻量分別取為泥漿的4.5%與3%；水泥在泥漿中經(jīng)水化作用生成的C-S-H凝膠等水化產(chǎn)物能夠顯著提升土體的強(qiáng)度。硅酸鈉作為助凝劑一方面可加快泥漿凝結(jié)固化，另外也能參與調(diào)節(jié)固化劑中水泥、石灰、石膏的水化反應(yīng)，改善固化效果［17，18］。通過(guò)調(diào)整水泥與硅酸鈉在泥漿中的占比來(lái)觀察不同配比下泥漿固化的強(qiáng)度，分析固化機(jī)理同時(shí)找出最佳配比。水泥摻量設(shè)為1%、1.5%、2%。硅酸鈉摻量為0.5%、1%、1.5%。試驗(yàn)共9組試件，具體配合比見(jiàn)表5。

表5 固化劑配合比 %

2 結(jié)果分析

2.1 絮凝劑摻量對(duì)絮凝作用的影響

4h絮凝效果見(jiàn)表6，首先通過(guò)泥漿的自由沉降試驗(yàn)得出，盾構(gòu)廢棄泥漿無(wú)法通過(guò)自由沉降進(jìn)行泥水分離。加入絮凝劑后可使泥漿迅速脫穩(wěn)，形成絮狀沉淀實(shí)現(xiàn)泥水分離。分析絮凝劑成分可知，絮凝劑中的APAM組分能夠利用其高分子鏈在水中的伸展吸附作用，聚攏泥漿中的土顆粒，從而形成大塊絮狀物沉淀，達(dá)到絮凝效果，聚合硫酸鐵組分則可以將泥漿以及絮凝物進(jìn)行電離破壞掉內(nèi)部的膠體體系，釋放被包裹的水分，因此復(fù)合類(lèi)絮凝劑能夠迅速有效的實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)泥漿的泥水分離。

表6 不同含水率盾構(gòu)泥漿4h絮凝效果

當(dāng)含水率為85%時(shí)，0.05%與0.1%摻量的絮凝劑絮凝效果較差，隨著含水率增加到90%與95%時(shí)，同摻量下絮凝劑的的絮凝作用愈加明顯，可以說(shuō)明含水率越高，達(dá)到絮凝效果所需絮凝劑的摻量越少。這是因?yàn)槟酀{含水率為85%時(shí)，含泥量較高，低濃度的絮凝劑無(wú)法對(duì)所有土顆粒完成吸附架橋作用，含水率的增加提高了高分子鏈在泥漿中的伸展程度，增大了與土顆粒的接觸面積，從而增強(qiáng)了絮凝作用。

加入不同摻量絮凝劑并充分?jǐn)嚢韬?，用?jì)時(shí)器記錄時(shí)間，觀測(cè)并記錄30min、1h、2h、3h、4h時(shí)間點(diǎn)的固相沉淀在量筒中的體積刻度。絮凝劑摻量與泥漿沉降時(shí)間關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。

圖1 絮凝劑摻量與泥漿沉降時(shí)間關(guān)系曲線圖

由圖1可以看出85%、90%、95%含水率的泥漿在絮凝劑的作用下，30min內(nèi)迅速沉淀，反應(yīng)于4h完成。隨絮凝劑摻量的增加，沉淀泥漿體積占比變大，這是由于絮凝劑摻量較少時(shí)形成的絮狀物較密實(shí)，而摻量較多時(shí)，絮凝作用下生成的絮團(tuán)包裹了較多水分，沉淀體積因此較大。另外，當(dāng)絮凝劑摻量從0.05%～0.3%時(shí)圖1（a）中4h后沉淀體積增加了9.92ml，從圖1（b）中看出增加了7.42ml，圖1（c）中增加了4.07ml，可以看出含水率越大，不同摻量絮凝劑作用下產(chǎn)生的泥漿沉淀體積差距變小，說(shuō)明在較高含水率時(shí)，泥漿中絮凝劑的濃度變化對(duì)絮凝作用產(chǎn)生的影響較小。

2.2 絮凝劑摻量對(duì)泥漿脫水率的影響

不同絮凝劑摻量對(duì)泥漿含水率的影響見(jiàn)圖2。

圖2 絮凝劑摻量對(duì)泥漿含水率的影響

由圖2可以看出，隨著絮凝劑含量的增大，脫水后泥漿的含水率呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)，即原狀泥漿的脫水量先增大后減小。這是因?yàn)楫?dāng)絮凝劑含量過(guò)少時(shí)，無(wú)法將泥漿中的所有土顆粒凝聚為絮狀體產(chǎn)生沉淀，實(shí)現(xiàn)泥水分離；含量過(guò)高時(shí)形成的絮狀體則會(huì)包裹較多水分無(wú)法濾出，因此這兩種情況下都無(wú)法達(dá)到最優(yōu)的脫水效果。從脫水效果確定不同含水率下絮凝劑的最佳摻量，85%含水率的泥漿在0.2%濃度絮凝劑作用下脫水效果最好，脫水率為24.99%。90%含水率的泥漿在0.1%濃度下脫水效果最好，脫水率為33.76%，95%含水率的泥漿在0.1%濃度絮凝劑作用下脫水效果最好，脫水率為42.53%，結(jié)合絮凝效果可以得出高含水率的泥漿絮凝所需的絮凝劑更少，并且脫水效果更好。因此在實(shí)際工程中，適當(dāng)?shù)奶岣吣酀{含水率再加入絮凝劑進(jìn)行脫水處理更為經(jīng)濟(jì)。

2.3 固化后試件強(qiáng)度

將養(yǎng)護(hù)到3d、7d、14d、28d的試樣置于電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，加載速率為0.1kN/s。各組試件抗壓強(qiáng)度見(jiàn)圖3。試塊養(yǎng)護(hù)14d照片見(jiàn)圖4。

圖3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與硅酸鈉摻量的關(guān)系

圖4 試塊養(yǎng)護(hù)14d照片

由圖3可以看出，不同硅酸鈉摻量的試件抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的增長(zhǎng)都有不同程度的提高。試件在早期強(qiáng)度迅速增長(zhǎng)，隨齡期增大強(qiáng)度增長(zhǎng)速率逐漸變緩。齡期3d的試件強(qiáng)度基本在0.1MPa，強(qiáng)度較低，而在7d時(shí)，試件強(qiáng)度都在0.2MPa以上，滿(mǎn)足土體開(kāi)挖和運(yùn)輸?shù)膹?qiáng)度要求，因此固化時(shí)間至少為7d，并且硅酸鈉摻量越大，試件強(qiáng)度越大。這表明硅酸鈉利于早期強(qiáng)度的提升。另外，比較齡期14d的試件強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)硅酸鈉摻量為0.5%與1%的試件抗壓強(qiáng)度明顯高于摻量為1.5%的試件。結(jié)合圖4可知，當(dāng)硅酸鈉摻量為1.5%時(shí)，14d齡期的試件表面粗糙且出現(xiàn)局部開(kāi)裂，硅酸鈉可促進(jìn)水泥與石膏的水化，推測(cè)這是因?yàn)檫^(guò)量的硅酸鈉使得試件在早期產(chǎn)生了較多的水化產(chǎn)物，造成了體積膨脹，亦會(huì)使試件出現(xiàn)裂縫并導(dǎo)致強(qiáng)度下降。

由圖5可以看出，當(dāng)水泥摻量從1%增加至2%時(shí)，硅酸鈉摻量為0.5%、1%、1.5%的試件28d抗壓強(qiáng)度分別增加了50.2%，64.84%，58.82%。可見(jiàn)水泥含量的變化顯著影響了盾構(gòu)泥漿的固化強(qiáng)度。另外，可以看出1%摻入比是固化劑中硅酸鈉的最佳摻量，試件28d的抗壓強(qiáng)度最高，在2%水泥摻量下最高能達(dá)到1.5MPa，可作為建筑填料使用。

圖5 不同配比試件28d強(qiáng)度變化

2.4 XRD結(jié)果及分析

脫水后未固化泥漿與固化后在養(yǎng)護(hù)28d試件的XRD圖譜如圖6所示?？梢钥闯觯撍竽酀{的主要物相為石英、鈉長(zhǎng)石和少量方解石。經(jīng)固化后的試件產(chǎn)生了C-S-H凝膠、鈣礬石的衍射峰，且CaCO3的峰相比未固化更高。能夠得出經(jīng)固化后28d試件中生成了水化硅酸鈣（C-S-H）、鈣礬石與方解石晶體。根據(jù)固化劑成分分析可知，水泥與石灰在泥漿中經(jīng)水化作用生成了C-S-H凝膠、Ca（OH）2等產(chǎn)物。石膏與含鋁相產(chǎn)物反應(yīng)生成了鈣礬石晶體。由于硅酸鈉的摻入，Ca（OH）2一方面經(jīng)碳酸化作用與CO2反應(yīng)轉(zhuǎn)化為了CaCO3，另一方面與硅酸鈉快速反應(yīng)轉(zhuǎn)化為了強(qiáng)度更高的C-S-H凝膠。因此，固化后試件的早期強(qiáng)度提升迅速。在上述凝膠與晶體對(duì)土體的膠結(jié)與填充作用下從而對(duì)泥漿產(chǎn)生固化效果。

圖6 脫水后泥漿及固化后泥漿的XRD圖譜

3 經(jīng)濟(jì)分析

文中從絮凝脫水到固化處理用了多種固化劑，具體流程較為復(fù)雜，以達(dá)到運(yùn)輸強(qiáng)度考慮，選取最優(yōu)配比做一個(gè)簡(jiǎn)單的經(jīng)濟(jì)分析，以便于實(shí)際應(yīng)用。以泥漿密度為1.65g/cm3計(jì)算，絮凝劑摻量取泥漿的0.2%；水泥摻入比為脫水后泥漿的1%，生石灰摻量3%，石膏摻量4.5%，水玻璃摻量0.5%，整體摻量不到泥漿的10%。綜合市面上材料價(jià)格，取聚丙烯酰胺3200元/t、聚合硫酸鐵830元/t、水泥單價(jià)418元/t、生石灰300元/t、石膏200元/t、硅酸鈉2400/t。僅考慮材料的前提下處理一方泥漿需要花費(fèi)的費(fèi)用為63.05元。具體明細(xì)見(jiàn)表7。

表7 處理一方泥漿所需材料花費(fèi)明細(xì)

4 結(jié)語(yǔ)

（1） 泥漿含水率的提高，可促進(jìn)絮凝劑的絮凝作用與脫水效果。85%、90%、95%含水率的廢棄泥漿所對(duì)應(yīng)最優(yōu)的絮凝劑摻比為0.2%、0.1%、0.1%。適當(dāng)?shù)奶岣吣酀{含水率再加入絮凝劑進(jìn)行脫水處理更為經(jīng)濟(jì)有效。

（2） 水泥、生石灰、石膏、硅酸鈉在泥漿中通過(guò)自身或相互之間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生了C-S-H凝膠、Ca-CO3晶體以及鈣礬石。硅酸鈉能顯著提高固化泥漿的早期強(qiáng)度，過(guò)量增加會(huì)降低泥漿中后期固化強(qiáng)度。泥漿固化強(qiáng)度隨水泥摻量的增加而增大。固化強(qiáng)度最高可達(dá)1.5MPa，可用于建筑填料，實(shí)現(xiàn)了泥漿的資源化利用。