盾构废弃泥浆的脱水固化处理研究

时间：2024-12-27

乔旭，徐培蓁，朱亚光

（青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266000）

0 引言

随着我国城市化进程的加快，我国许多城市以地铁为主的地下空间资源建设进入了迅速发展的阶段。据统计，截止到2019年我国大陆35个城市地铁正式投入运营，轨道总距离5027.36km，地铁建设发展潜力巨大［1］。泥水盾构法以其适应多种类型土层，开挖面稳定性高等特点被多用于国内地铁隧道的建设中。在施工过程中通常会在开挖面泥浆中加入大量的水以及分散剂来保证泥浆的流塑性，泥水盾构在施工过程中不可避免的会产生大量的废弃泥浆，其出浆量为普通隧道开挖的2～3倍，该类泥浆多无法直接循环利用，如果随意排放，不但占用土地资源，还会对环境造成严重污染［2，3］。随着我国对城市基础设施建设文明施工要求的不断提升，如何科学有效的处理泥水盾构废弃泥浆十分重要。

目前泥浆的主要的处理方式为通过运输车运送至填埋场排放，但由于盾构废弃泥浆具有较高含水率，在运输过程中难免遗撒，不仅影响市容，而且清洗道路后产生的污水还会堵塞城市排污系统，因此如何科学有效的降低泥浆的含水率十分关键。机械处理法、化学絮凝法、化学固化法［4-6］可对泥浆进行无害化脱水处理。机械处理法处理后泥浆含水率在30%左右，强度较低，并且设备租赁购买及维护费用较高。化学絮凝法与化学固化法因操作简单经济性好得到广泛研究与使用。杨春英等［7］用多种PAM絮凝剂对泥浆脱水处理，研究了泥浆的脱水絮凝机理。范英宏［8］用PAM对膨润土泥浆进行絮凝脱水，发现APAM的脱水效果最好；陈源等［9］用水泥、硅酸钠、硫酸铝配制的固化剂对海南红黏土废泥浆固化处理取得良好固化效果。杨爱武等［10］用石灰、石膏、水泥固化软土得到了很好的固化效果。现有利用絮凝剂、固化剂单掺或复配进行脱水固化研究主要针对污泥、钻井泥浆、淤泥等，对于盾构泥浆的研究较少，盾构废弃泥浆由于其特殊施工工艺，具有含水率高、粘性大、含有添加剂的特点［11］，已有研究从经济与技术方面不一定适用于盾构废弃泥浆，因此针对盾构废弃泥浆优选出科学经济的资源化处理方法具有重要意义。

结合复合类絮凝剂与无机类固化剂特点，利用复合类絮凝剂与无机类固化剂对盾构泥浆先后进行絮凝脱水以及固化，研究其脱水固化机理并提出絮凝剂与固化剂的最佳掺量。为盾构泥浆的处理与资源化利用提出思路与建议。

1 材料与方法

1.1 泥浆

废弃泥浆取自青岛市崂山区在建地铁泥水盾构废弃泥浆，湿密度1.65g/cm3、含水率为85%、PH值为10.5，泥浆化学成分见表1。

表1 泥浆化学成分分析 %

1.2 絮凝剂

絮凝剂由阴离子聚丙烯酰胺（APAM）与聚合硫酸铁（PFS）按1：1比例配制而成，阴离子聚丙烯酰胺分子量为1200万，聚合硫酸铁中铁含量为18.5%。

1.3 无机类固化剂

固化剂由生石灰、石膏、水泥、硅酸钠配制而成。硅酸钠为白色粉末状，纯度99.8%，模数为2.0。水泥为42.5普通硅酸盐水泥，化学成分见表2。生石灰主要成分CaO含量占比98%，化学成分见表3。石膏主要成分CaO与SO3的占比81%，化学成分见表4。

表2 水泥化学成分分析 %

表3 石灰化学成分分析 %

表4 石膏化学成分分析表 %

1.4 实验方法

盾构废弃泥浆的含水率一般在85%～95%，将所取原状泥浆含水率分别稀释至85%、90%、95%，置于100ml量筒中充分搅拌后加入复合类絮凝剂。每个含水率下，絮凝剂掺量分别设置为泥浆的0.05%、0.1%、0.2%、0.3%，对照组为不加絮凝剂的自由沉降试验。观察4h内分离液体浑浊度及絮凝体大小，确定不同配比下的絮凝效果。将絮凝后的泥浆用200目滤布过滤，取脱水过滤后的泥浆放入烘箱烘干，计算最终含水率。

将脱水处理后的泥浆倒入搅拌机，搅拌2min，再加入固化剂搅拌4min。然后将混合浆液填入φ=45mm、h=90mm的圆柱模具中，用修土刀刮平，然后用薄膜封口，静置1d后拆模，为保证水分不会蒸发，拆模后用薄膜覆盖试块，置于养护箱中（湿度大于95%，温度于20℃±2℃）养护，待到指定龄期测试其抗压强度，同一类型试件进行三次测试，取平均值作为其强度。

1.5 固化材料配合比设计

无机类固化剂通常在10%左右可以形成良好固化效果［12，13］，能够达到运输强度要求，但当前研究多为以水泥为主的水泥基固化剂，在不提高固化剂掺量的前提下，增设多种固化材料复配进行研究，降低材料花费。生石灰、石膏、硅酸钠、水泥对泥浆固化起积极的作用，各组分通过自身以及相互之间的水化反应对泥浆进行固化。其中，石灰与石膏对高含水率泥浆有着很好的干化作用，并且生成的碱性环境利于激发水泥活性，参考相关文献［14-16］，石膏与石灰掺量分别取为泥浆的4.5%与3%；水泥在泥浆中经水化作用生成的C-S-H凝胶等水化产物能够显著提升土体的强度。硅酸钠作为助凝剂一方面可加快泥浆凝结固化，另外也能参与调节固化剂中水泥、石灰、石膏的水化反应，改善固化效果［17，18］。通过调整水泥与硅酸钠在泥浆中的占比来观察不同配比下泥浆固化的强度，分析固化机理同时找出最佳配比。水泥掺量设为1%、1.5%、2%。硅酸钠掺量为0.5%、1%、1.5%。试验共9组试件，具体配合比见表5。

表5 固化剂配合比 %

2 结果分析

2.1 絮凝剂掺量对絮凝作用的影响

4h絮凝效果见表6，首先通过泥浆的自由沉降试验得出，盾构废弃泥浆无法通过自由沉降进行泥水分离。加入絮凝剂后可使泥浆迅速脱稳，形成絮状沉淀实现泥水分离。分析絮凝剂成分可知，絮凝剂中的APAM组分能够利用其高分子链在水中的伸展吸附作用，聚拢泥浆中的土颗粒，从而形成大块絮状物沉淀，达到絮凝效果，聚合硫酸铁组分则可以将泥浆以及絮凝物进行电离破坏掉内部的胶体体系，释放被包裹的水分，因此复合类絮凝剂能够迅速有效的实现盾构泥浆的泥水分离。

表6 不同含水率盾构泥浆4h絮凝效果

当含水率为85%时，0.05%与0.1%掺量的絮凝剂絮凝效果较差，随着含水率增加到90%与95%时，同掺量下絮凝剂的的絮凝作用愈加明显，可以说明含水率越高，达到絮凝效果所需絮凝剂的掺量越少。这是因为泥浆含水率为85%时，含泥量较高，低浓度的絮凝剂无法对所有土颗粒完成吸附架桥作用，含水率的增加提高了高分子链在泥浆中的伸展程度，增大了与土颗粒的接触面积，从而增强了絮凝作用。

加入不同掺量絮凝剂并充分搅拌后，用计时器记录时间，观测并记录30min、1h、2h、3h、4h时间点的固相沉淀在量筒中的体积刻度。絮凝剂掺量与泥浆沉降时间关系曲线见图1。

图1 絮凝剂掺量与泥浆沉降时间关系曲线图

由图1可以看出85%、90%、95%含水率的泥浆在絮凝剂的作用下，30min内迅速沉淀，反应于4h完成。随絮凝剂掺量的增加，沉淀泥浆体积占比变大，这是由于絮凝剂掺量较少时形成的絮状物较密实，而掺量较多时，絮凝作用下生成的絮团包裹了较多水分，沉淀体积因此较大。另外，当絮凝剂掺量从0.05%～0.3%时图1（a）中4h后沉淀体积增加了9.92ml，从图1（b）中看出增加了7.42ml，图1（c）中增加了4.07ml，可以看出含水率越大，不同掺量絮凝剂作用下产生的泥浆沉淀体积差距变小，说明在较高含水率时，泥浆中絮凝剂的浓度变化对絮凝作用产生的影响较小。

2.2 絮凝剂掺量对泥浆脱水率的影响

不同絮凝剂掺量对泥浆含水率的影响见图2。

图2 絮凝剂掺量对泥浆含水率的影响

由图2可以看出，随着絮凝剂含量的增大，脱水后泥浆的含水率呈现先减后增的趋势，即原状泥浆的脱水量先增大后减小。这是因为当絮凝剂含量过少时，无法将泥浆中的所有土颗粒凝聚为絮状体产生沉淀，实现泥水分离；含量过高时形成的絮状体则会包裹较多水分无法滤出，因此这两种情况下都无法达到最优的脱水效果。从脱水效果确定不同含水率下絮凝剂的最佳掺量，85%含水率的泥浆在0.2%浓度絮凝剂作用下脱水效果最好，脱水率为24.99%。90%含水率的泥浆在0.1%浓度下脱水效果最好，脱水率为33.76%，95%含水率的泥浆在0.1%浓度絮凝剂作用下脱水效果最好，脱水率为42.53%，结合絮凝效果可以得出高含水率的泥浆絮凝所需的絮凝剂更少，并且脱水效果更好。因此在实际工程中，适当的提高泥浆含水率再加入絮凝剂进行脱水处理更为经济。

2.3 固化后试件强度

将养护到3d、7d、14d、28d的试样置于电子万能试验机测试无侧限抗压强度，加载速率为0.1kN/s。各组试件抗压强度见图3。试块养护14d照片见图4。

图3 无侧限抗压强度与硅酸钠掺量的关系

图4 试块养护14d照片

由图3可以看出，不同硅酸钠掺量的试件抗压强度随养护龄期的增长都有不同程度的提高。试件在早期强度迅速增长，随龄期增大强度增长速率逐渐变缓。龄期3d的试件强度基本在0.1MPa，强度较低，而在7d时，试件强度都在0.2MPa以上，满足土体开挖和运输的强度要求，因此固化时间至少为7d，并且硅酸钠掺量越大，试件强度越大。这表明硅酸钠利于早期强度的提升。另外，比较龄期14d的试件强度，发现硅酸钠掺量为0.5%与1%的试件抗压强度明显高于掺量为1.5%的试件。结合图4可知，当硅酸钠掺量为1.5%时，14d龄期的试件表面粗糙且出现局部开裂，硅酸钠可促进水泥与石膏的水化，推测这是因为过量的硅酸钠使得试件在早期产生了较多的水化产物，造成了体积膨胀，亦会使试件出现裂缝并导致强度下降。

由图5可以看出，当水泥掺量从1%增加至2%时，硅酸钠掺量为0.5%、1%、1.5%的试件28d抗压强度分别增加了50.2%，64.84%，58.82%。可见水泥含量的变化显著影响了盾构泥浆的固化强度。另外，可以看出1%掺入比是固化剂中硅酸钠的最佳掺量，试件28d的抗压强度最高，在2%水泥掺量下最高能达到1.5MPa，可作为建筑填料使用。

图5 不同配比试件28d强度变化

2.4 XRD结果及分析

脱水后未固化泥浆与固化后在养护28d试件的XRD图谱如图6所示。可以看出，脱水后泥浆的主要物相为石英、钠长石和少量方解石。经固化后的试件产生了C-S-H凝胶、钙矾石的衍射峰，且CaCO3的峰相比未固化更高。能够得出经固化后28d试件中生成了水化硅酸钙（C-S-H）、钙矾石与方解石晶体。根据固化剂成分分析可知，水泥与石灰在泥浆中经水化作用生成了C-S-H凝胶、Ca（OH）2等产物。石膏与含铝相产物反应生成了钙矾石晶体。由于硅酸钠的掺入，Ca（OH）2一方面经碳酸化作用与CO2反应转化为了CaCO3，另一方面与硅酸钠快速反应转化为了强度更高的C-S-H凝胶。因此，固化后试件的早期强度提升迅速。在上述凝胶与晶体对土体的胶结与填充作用下从而对泥浆产生固化效果。

图6 脱水后泥浆及固化后泥浆的XRD图谱

3 经济分析

文中从絮凝脱水到固化处理用了多种固化剂，具体流程较为复杂，以达到运输强度考虑，选取最优配比做一个简单的经济分析，以便于实际应用。以泥浆密度为1.65g/cm3计算，絮凝剂掺量取泥浆的0.2%；水泥掺入比为脱水后泥浆的1%，生石灰掺量3%，石膏掺量4.5%，水玻璃掺量0.5%，整体掺量不到泥浆的10%。综合市面上材料价格，取聚丙烯酰胺3200元/t、聚合硫酸铁830元/t、水泥单价418元/t、生石灰300元/t、石膏200元/t、硅酸钠2400/t。仅考虑材料的前提下处理一方泥浆需要花费的费用为63.05元。具体明细见表7。

表7 处理一方泥浆所需材料花费明细