泥水盾构废弃泥浆絮凝脱水试验研究

时间：2024-07-28

李旭

(中铁十一局集团城市轨道工程有限公司,湖北武汉 430076)

广州地铁8号线亭岗—白云湖区间泥水盾构施工过程中由于泥浆量大，主要采用APN型压滤机将高相对密度、高黏度泥浆进行脱水，形成堆积性较好的泥饼方便汽车运输。由于该压滤设备泥浆处理能力有限，远远不能满足盾构掘进的进度要求。目前国内常见的泥浆处理方式主要有劣化泥浆再调制[1]、自然沉淀[2]、泥浆槽罐车外运[3]、利用离心机脱水达到固液分离[4]。上述4种方法或多或少存在环境污染以及效率低下的问题。为解决效率低下的问题学者们研究了絮凝剂使泥浆快速脱水。丁伟文等[5]通过添加不同分子量的阳离子聚丙烯酰胺研究不同pH值、黏度泥浆的絮凝过程；师雯洁等[6]分析了不同絮凝剂类型、搅动快慢及时间、掺量不同时泥浆的絮凝效果；梁止水等[7]着重分析了絮凝剂的组合类型，研究了泥浆的泥水分离效率。何文峰等[8]运用多种物理机械组合方式对泥浆进行了处理。上述文献对于泥浆的处理起到了一定的效果，但对于复合絮凝剂、不同相对密度及黏度泥浆的絮凝效果等的研究甚少。

由于掺入有机絮凝剂聚丙烯酰胺(Polyacrylamide，PAM)的泥浆经过PAM吸附架桥、表面吸附、增强等一系列物理和化学反应，能够使泥浆中颗粒形成聚集体而沉降[9]，而掺入泥浆中的粉煤灰带正电荷的铝离子、铁离子进入泥浆胶体体系中起到了中和作用，能够促使胶体脱稳凝聚[10]，因此本文采用粉煤灰、无机絮凝剂聚氯化铝(Polyaluminium Chloride，PAC)、不同分子量的PAM开展泥浆絮凝脱水试验，分析泥浆脱水量及堆积效果，并提出有效措施，以指导工程施工。

1 试验原料

试验泥浆来自泥水盾构隧道施工现场，盾构区间岩性以淤泥质黏土和粉质黏土为主，由于泥水分离设备二级旋流器筛分粒径能力有限，粒径<20 μm的细颗粒形成的废弃泥浆难以处理。泥浆外观呈灰色，分散性好，胶体率高，相对密度1.27，黏度26 s，胶体率97.3%，pH值7.8。

2 试验过程及结果

2.1 掺入单一不同分子量PAM泥浆的絮凝效果

分别采用分子量为500万，1 000万，1 800万的阴离子PAM依次开展试验，投放方式为固体颗粒投放，一边搅拌一边投放。取9个规格为500 mL的烧杯，倒入泥浆样品，依次编号为1—9。泥浆样品编号及PAM加入量见表1。3种不同分子量PAM分3次试验。

表1 泥浆样品编号及PAM加入量

在上述试验过程中除了絮凝剂加入量不同外，其他量不变，每1组分3次进行取平均值。试验时一边搅拌一边缓慢加入PAM并开始计时。泥浆及堆积效果见图1。

图1 泥浆及堆积效果

从图1可以得出：未添加PAM与添加PAM后泥浆形态发生明显变化。由于本身泥浆胶体率高，未掺入PAM的泥浆很难通过自身沉淀达到泥水分离的效果，堆积性差。掺入PAM泥浆絮凝后堆积性好，能够满足汽车外运要求。

当絮凝后的泥浆出现絮团且不再增多时再静置2 h，利用试验吸水球将絮凝后泥浆上清液吸入量筒量取体积，然后将各烧杯内絮凝后的泥浆倾倒出来观察堆积效果并测量堆积高度，通过上清液体积与堆积高度判断絮凝效果，确定最佳投放量。试验结果见图2。

图2 掺入不同分子量PAM泥浆的絮凝效果

从图2可以得出：①当PAM分子量相同时随着掺量增加絮凝后产生的上清液体积呈现先增大后减小的趋势。堆积高度先持续增大而后基本保持不变。这是因为浓缩泥浆中水分减少使得流动性减弱，导致堆积高度逐渐增大。②当PAM掺量相同但分子量不同时絮凝效果也不同，达到同等絮凝效果(上清液体积最大)时分子量越大掺入的PAM质量越小。③在掺量相同的情况下分子量大的PAM泥浆堆积性更好，但随着掺量的增大上清液体积与堆积高度并非一直增加，说明PAM掺量过大时絮凝作用得到抑制。这是因为掺入的PAM分子量越高，分子溶解时间也越长，溶解过程中吸附的颗粒越多，故絮凝效果也越好。但PAM过量的掺入导致本身难溶，严重影响絮凝效果甚至起到相反的作用。④分子量500万PAM掺入质量为4 g时上清液体积24.1 mL，分子量 1 000 万PAM掺入质量为2 g时上清液体积25.0 mL。说明低分子量的絮凝剂通过增加掺量也能够达到与高分子量相同的絮凝效果。综上所述，7#絮凝效果最佳，即500 mL泥浆中添加3 g PAM为最佳掺量。

2.2 掺入复合絮凝剂泥浆的絮凝效果

絮凝剂的种类多样，絮凝原理不尽相同。为了探索复合絮凝剂对泥浆的絮凝效果，现分析PAC+PAM,PAM+粉煤灰的絮凝效果。在复合絮凝剂PAC+PAM的试验中，PAM起到的主要作用与前述试验差距较小，由此得出PAC对本泥浆的絮凝效果不明显。试验主要分析PAM +粉煤灰复合絮凝剂对泥浆絮凝效果的影响。为减少不同分子量及掺量的试验次数，以500万分子量PAM+粉煤灰为主开展絮凝脱水试验。PAM(简写为P)，粉煤灰(简写为粉)掺量及顺序见表2，试验结果见图3。

表2 复合絮凝剂掺量及顺序

图3 掺入PAM及粉煤灰复合絮凝剂泥浆的絮凝效果

由图2(a)与图3可知：①当PAM分子量和掺量一定时掺入粉煤灰，掺入粉煤灰泥浆的絮凝效果要优于未掺入粉煤灰泥浆。②粉煤灰掺量不变且增加PAM掺量时上清液体积逐渐减少，堆积高度也基本呈减少趋势。③PAM掺量不变且增加粉煤灰掺量时有2组(3#,6#,9#一组，2#,5#,8#一组)上清液体积逐渐减少，1组(1#,4#,7#)上清液体积先减少后增大，堆积高度也逐渐降低。由此可见无论是未掺粉煤灰的单一絮凝剂还是掺入粉煤灰和PAM的复合絮凝剂，絮凝效果并不是随着掺量的增多而增大，相反当掺量达到一定程度后，随着掺量的增加絮凝效果会适得其反。④从样品10#，11#，12#的絮凝效果来看，掺量的增加并不能加强絮凝效果，因此最佳掺量方案为2 g粉煤灰+2 g PAM。

采用同样的方法对比了不同分子量PAM与粉煤灰复合絮凝剂的试验结果，都验证了前述试验结果的正确性。

图4为样品4#,11#，7#和12#泥浆絮凝后堆积效果。

图4 絮凝后堆积效果

由图4可以得出：调整PAM与粉煤灰的掺入顺序对絮凝效果会产生一定的影响。即先掺入粉煤灰后掺入PAM泥浆的上清液体积大于先掺入PAM后掺入粉煤灰泥浆，但两者絮凝效果差别不大；先掺入粉煤灰后掺入PAM泥浆的堆积高度亦大于先掺入PAM后掺入粉煤灰泥浆。就掺入顺序而言，先掺入粉煤灰泥浆的絮凝效果优于先掺入PAM泥浆。

2.3 不同相对密度和黏度泥浆的絮凝效果

前期试验主要针对同一种泥浆的絮凝效果做试验，而在实际施工过程中，泥浆相对密度和黏度不断发生变化，相对密度和黏度高的泥浆对实际施工造成严重的困扰。为此现针对施工中相对密度大、黏度高泥浆开展试验研究。试验泥浆同样取自于盾构施工现场，测得其相对密度1.34，黏度36 s，胶体率98.6%，pH值为7.4。泥浆相对密度越大其含水率越低,PAM主要通过对泥浆实现脱水达到固液相对分离的效果。为了排除其他因素的影响，试验采用与前期试验相同的单一絮凝剂(分子量500万PAM，参见表1)。试验结果见图5。

图5 相对密度大、黏度高的不同PAM掺量泥浆的絮凝效果

对比图2(a)与图5可以看出：PAM在泥浆中的絮凝效果差别明显，主要表现在上清液体积相差大。图5中上清液体积峰值(23.2 mL-1.5 g PAM)较图2(a)中(28.8 mL -2.5 g PAM)出现得更早即用量更少，但体积峰值低，图5中堆积高度的峰值同样先出现且可堆积性强。分析原因主要是相对密度大、黏度高的泥浆本身含水量少，流动性弱，当掺量超过一定程度后，上清液体积同样呈现下降趋势，堆积高度则基本不变。由此可见PAM对于相对密度大、黏度高泥浆的泥水分离效果比图2(a)中相对密度小、黏度低泥浆明显。