絮凝剂对盾构泥浆真空预压效果影响研究

桑松龄,张晨光,陈敬轩,王炳洋

(中铁十八局集团第五工程有限公司,浙江 杭州 310000)

在钻井施工、地铁隧道盾构施工及地下连续墙施工中常排放出大量高含水率工程盾构泥浆。盾构泥浆具有含水率高、稳定性强和渗透性低等特点,使用传统的泥浆池循环法难以快速处理大量泥浆,且泥浆的堆积会造成施工面积减少,施工成本与施工难度增加。使用絮凝剂加速盾构泥浆沉积是目前最常用的泥浆处理方法[1],国内外学者已经对絮凝机理开展了许多试验研究。徐国栋等[2]比较了无机、有机絮凝剂的絮凝效果与絮凝机理的差异;杨成安等[3]比较了多种絮凝剂的絮凝效果并给出了一套适用于泥浆絮凝的复合絮凝剂配方;乌效鸣等[4]通过聚丙烯酰胺絮凝试验,分析了不同分子量、水解度与浓度的聚丙烯酰胺作用机理的差异。由于絮凝处理后泥浆的含水率仍然较高,所以需要对絮凝泥浆进一步脱水,真空预压法经过数十年的改进与完善[5-6],已经成为一种常用的泥浆处理方法。赵森等[7]开展了絮凝联合真空预压法试验,获得了能提高真空预压效率的絮凝剂种类以及最优投放量;武亚军等[8]先后使用无机高分子絮凝剂、不同离子型有机高分子絮凝剂以及生石灰等絮凝剂处理工程废弃泥浆,并开展沉降柱试验和真空预压试验,得出使用阳离子聚丙乙烯酰胺对上海市某场地的工程废弃泥浆进行絮凝处理时泥浆固液分离最快的结论;王栋[9]使用聚丙烯酰胺联合真空预压处理废弃泥浆,取得了较好的脱水沉降效果。然而,在最优絮凝剂的选型上,泥浆种类复杂,不同施工工艺、区域导致泥浆矿物成分、粒径分布和盐度等物理化学性质有巨大差异[10-13]。现有絮凝剂种类繁多,絮凝作用机制复杂[14],对不同泥浆的絮凝效果往往存在一定差异。王东星等[15]开展了武汉疏浚淤泥的絮凝试验与絮凝联合真空预压试验,通过分析淤泥沉降高度、沉降速率与絮凝后下层淤泥含水率等指标,评价了不同絮凝剂的脱水效果,认为APAM絮凝处理疏浚泥浆的效果最好;杨司盟等[16]对含盐类吹填土进行室内真空预压脱水试验,综合分析絮凝试样的沉降速度和最终沉降量,得出非离子型的聚丙乙烯酰胺处理效果最好的结论。综上,各类工程泥浆物理化学性质差异较大,目前研究得出的最优絮凝剂种类存在一定差异,因此有必要针对具体工程废弃盾构泥浆进行絮凝剂选择研究。絮凝泥浆后期还需经过真空预压加固处理才能最终达到脱水的目的,然而目前对不同类型絮凝剂联合物理脱水效果与絮凝剂作用机理的研究尚不多见。

为研究掺入絮凝剂后使用真空预压法处理盾构泥浆的效果,笔者选择了浙江省杭州市下沙路隧道工程盾构泥浆以及APAM、CPAM、NPAM、PAC和石灰共5种不同类型的絮凝剂,使用量筒等沉积试验装置、自制真空预压抽滤装置与固结压缩试验仪开展一系列试验,测量絮凝盾构泥浆沉积速度与最终沉积量,评价不同种类与掺量絮凝剂的处理效果。分别选择处理效果较佳的无机絮凝剂、聚合无机絮凝剂与有机高分子絮凝剂对泥浆开展絮凝联合真空预压试验,通过比较试验后泥浆沉降与泥饼含水率,评价不同类型絮凝剂对真空预压法处理效果的影响。

1 试验方案

1.1 试验装置

试验装置如图1～3所示,沉积试验装置由量筒、烧杯、玻璃棒与电子秤组成,自制的真空抽滤试验装置由水气分离箱与真空泵组成。泥浆槽高度为12 cm,内径为10 cm,内置排水板滤膜支撑筛网。水汽分离箱用于收集通过滤膜排出的水,真空泵用于对泥浆施加真空负压。固结压缩试验装置由固结压缩仪、加载系统与沉降测量系统组成,固结压缩仪用于盛放泥浆,加载系统可在固结压缩仪上施加不同大小的荷载,沉降测量系统可测量泥浆沉降量。

图1 泥浆沉积试验Fig.1 Mud deposition test

图2 抽滤试验Fig.2 Suction filtration model tests

图3 固结压缩试验Fig.3 Consolidation compression test

1.2 试验材料

1.2.1 试验土样

试验用泥浆取自浙江省杭州市下沙路隧道工程,用泥浆抓斗从泥浆池液面下约30 cm处抓取泥浆。泥浆的液塑限使用液塑限联合测定仪测得,初始含水率通过烘干法测得,密度通过环刀法测得,详细参数见表1,2。颗粒级配采用筛分法与密度计法进行测定,级配曲线如图4所示。由图4可知:盾构泥浆砂粒质量分数约50%,粉粒质量分数约30%,黏粒质量分数约20%。

表1 试验土样的基本物理参数Table 1 Basic physical properties of soil sample

图4 土体粒径级配曲线Fig.4 Grain size distribution of soil

1.2.2 絮凝剂

根据现有的研究成果[17-18],笔者选择5种絮凝剂配制成一定质量浓度的溶液后进行泥浆沉积试验,沉积试验所选絮凝剂的种类、质量浓度与掺量如表3所示。表3中絮凝剂掺量为絮凝剂质量与泥浆干土质量的比值。

表3 絮凝剂种类与掺量Table 3 Type and dosage of flocculant

1.2.3 抽滤装置滤膜

根据现行的《水运工程塑料排水板应用技术规程》JTS 206-1—2009,选取等效孔径为120 μm,渗透系数大于5×10-4cm/s的滤膜进行真空预压试验。

1.3 试验流程

对盾构泥浆开展沉积试验与真空抽滤试验,根据沉积试验结果,对比分析得到不同种类絮凝剂的最优掺量,随后根据真空预压试验结果,评价掺入絮凝剂后使用真空预压法处理盾构泥浆的效果。具体试验操作步骤如下:1) 根据表2所示的溶液质量浓度与絮凝剂掺量配制絮凝剂溶液,并将絮凝剂掺入盾构泥浆,使用自动搅拌器以600 r/min的转速将絮凝泥浆搅拌均匀;2) 将絮凝泥浆静置24 h,测量絮凝泥浆的体积脱水率,获得最优絮凝剂掺量;3) 根据最优絮凝剂掺量配制絮凝泥浆,并开展真空预压试验,试验开始前,配制絮凝泥浆并注入模型箱内,填充高度为100 mm,待泥浆土液分界稳定后,开始絮凝真空预压试验,真空压力为85 kPa,直至不再沉降时进行卸载;4) 试验结束后,对桶内土体进行含水率与沉降量检测;5) 根据真空抽滤试验结果,开展固结压缩试验,研究最优掺量的PAC、APAM和石灰的固结压缩特性。

表2 试验土样的级配Table 1 The grading of soil samples

2 试验结果及分析

2.1 泥浆沉积试验

在盾构泥浆中掺入一定量各类絮凝剂后,絮凝泥浆的体积脱水率如表4,5所示,体积脱水率为絮凝完成后上层清液的体积与泥浆总体积的比值。由表4,5可知:絮凝剂的最优掺量分别为2%石灰、0.3% PAC、0.3% NPAM、0.2% APAM,而CPAM基本没有絮凝效果。

表4 石灰的体积脱水率Table 4 Volume dewatering rate of lime

由表4可知:在盾构泥浆中掺入石灰可以有效提高泥浆的体积脱水率,当石灰掺量为2%时,盾构泥浆的体积脱水率最大。一方面是因为石灰中高价钙离子可以置换出土颗粒表面的低价阳离子,破坏了土颗粒表面的反离子层,提高了土样渗透性;另一方面是因为石灰具有架桥作用,能够将盾构泥浆中带负电的颗粒吸附连接,使细颗粒絮凝组合形成粗颗粒,以此提高泥浆的渗透性。由表5可知:在盾构泥浆中添加PAC,NPAM,APAM后,泥浆的体积脱水率有了明显提升,当PAC,NPAM,APAM掺量分别为0.3%,0.3%,0.2%时,泥浆体积脱水率最大,而掺入CPAM后,泥浆体积脱水率没有发生明显变化。导致絮凝泥浆24 h体积脱水率不一致的直接原因是不同絮凝剂处理的盾构泥浆的絮团粒径不一致,絮凝剂主要是通过电中和效应与架桥作用促进盾构泥浆絮凝成团。因为CPAM的电性与盾构泥浆相同,无法达到电中和效果,所以絮凝效果不佳。泥浆体积脱水率随着NPAM与APAM掺量的提高先上升后下降,这是因为聚丙烯酰胺溶于水会形成链状或环状的大分子结构,以大分子结构为媒介,将废弃盾构泥浆中的细颗粒絮凝成团,提高了泥浆的渗透性与排水能力。当聚丙烯酰胺添加过多时,大分子结构如果无法捕捉到足够的细颗粒形成颗粒团,便会将土颗粒完全包裹,阻碍土中孔隙水的排出,导致泥浆的渗透性与排水能力变差。

表5 PAC与PAM的体积脱水率Table 5 Volume dewatering rate of PAC and PAM

对比表4,5可知:掺加有机高分子絮凝剂APAM的盾构泥浆体积脱水率最大,聚合无机絮凝剂PAC次之,无机絮凝剂石灰最小。这是由不同絮凝剂与土颗粒形成的微观结构不同导致的。石灰的架桥和置换作用会在土中形成具有一定强度的团块结构,这种结构具有较大的孔隙,占据的空间较大,因此泥浆不会产生较大沉降。而PAC与PAM则以电中和与架桥作用为主,可以破坏土颗粒的双电层结构,形成的絮体结构相对密实,因此体积脱水率相对较大。

2.2 真空预压试验

根据2.1得到的絮凝剂最优配比开展絮凝联合真空预压试验,试验分为两个阶段,分别为自然沉降阶段与真空预压阶段,其中自然沉降阶段为0～24 h,试验结束后泥浆沉降如图5所示。由图5可知使用最优配比的絮凝剂均可以增强泥浆真空预压效果。PAC、石灰和APAM联合真空预压处理的泥浆真空预压阶段的沉降量分别为1.4,2.2,1.3 cm,不添加絮凝剂时泥浆沉降量为1.2 cm。使用PAM与PAC絮凝后的泥浆沉降主要发生在自然沉降阶段,在真空预压过程中沉降量相对较小。真空预压阶段使用APAM与PAC絮凝的泥浆与无絮凝剂添加的泥浆的沉降曲线基本一致。而石灰絮凝泥浆的沉降主要发生在真空预压阶段。这是因为石灰絮凝形成的团块结构孔隙较大,在静置阶段,孔隙中会保有较多孔隙水,所以泥浆的沉降量较小,同时絮凝泥浆渗透系数的提高会促进真空预压阶段泥浆排水。APAM与PAC主要是通过破坏泥浆双电层结构与絮凝架桥作用促使泥浆的小颗粒絮凝成大颗粒,以此来提高真空预压效率。由于杭州市盾构泥浆为粉砂土,颗粒相对较大,APAM与PAC的絮凝作用难以进一步提高泥浆颗粒尺寸,所以这两种絮凝剂对真空预压的促进作用一般。

图5 泥浆沉降随时间变化曲线Fig.5 Relationship between the settlements of mud and time

真空预压试验完成后泥饼含水率如图6所示。由图6可知:真空预压完成后泥饼含水率与泥浆的最终沉降量有相同的变化规律。在无絮凝剂情况下,泥饼含水率较高,而掺入絮凝剂后,真空预压效果得到了较大改善。真空预压效果最好的石灰絮凝泥浆的泥饼含水率为22.54%,比PAC和APAM絮凝泥浆分别低37.80%，21.16%。试验结果表明:石灰絮凝泥浆对真空预压处理效果的提升作用最大,APAM次之,PAC最小。

图6 试验结束后泥饼含水率Fig.6 The water content of mud after test

2.3 固结压缩试验

土的固结压缩试验旨在反映APAM等絮凝剂对盾构泥浆强度与排水速率的影响,泥浆的孔隙比下降速度越快,土体内水分排出速度越快,土的固结沉降速度也越快。掺入絮凝剂后泥浆的e—p曲线如图7所示。

图7 掺入絮凝剂后泥浆的e—p曲线Fig.7 The e-p curve of mud with flocculant added

由图7可知:石灰的固结压缩曲线与PAC、APAM以及无添加情况下的固结压缩曲线具有较大差异。石灰的固结压缩曲线由两部分组成:前半部分的曲线较为平缓,盾构泥浆经石灰处理后具有了一定的强度,可以抵抗一定的荷载,在低荷载作用下孔隙率不会发生改变;后半部分曲线较陡,这是由于在较大的荷载下,盾构泥浆开始发生排水固结,泥浆的孔隙率开始变小。PAC、APAM和无添加情况下的固结压缩曲线也由两部分组成:前半部分曲线斜率较大,这是由于泥浆初始含水率较高,孔隙水在荷载作用下快速排出;后半部分的曲线斜率较小,这是由于在荷载作用下泥浆的土骨架初步形成,泥浆中孔隙水较难排出。

对比图5可知:在荷载较小的情况下,掺入APAM的泥浆排水固结速度最快,所以沉积试验中APAM的沉降量最大;在后期荷载较大的情况下,石灰的固结压缩曲线发生陡降,在荷载为70～80 kPa时,石灰絮凝土的孔隙比已经低于其余絮凝土,即石灰絮凝土的排水固结程度最高。在真空预压试验中,石灰絮凝泥浆对真空预压处理效果的提升作用最大。

3 结 论

笔者针对杭州市某盾构工程的盾构泥浆与5种不同类型的絮凝剂开展了一系列泥浆沉积试验,测量了絮凝盾构泥浆的沉积速度、最终沉积量、真空预压试验后的泥浆沉降量与泥饼含水率,评价了絮凝剂的絮凝效果以及对真空预压法处理效果的影响。得到了以下结论:1) 对于杭州市盾构泥浆,使用PAC、石灰、APAM和NPAM均可促进泥浆排水,最优掺量分别为0.3%,2%,0.2%,0.3%,其中APAM絮凝泥浆的体积脱水率最大,石灰絮凝泥浆的体积脱水率最小;2) 使用絮凝联合真空预压法处理泥浆时,石灰联合真空预压法处理效果最好,PAC与APAM对真空预压过程中的泥浆沉降促进作用不大;3) 在低荷载条件下,PAC与APAM絮凝土的固结排水速度较快,石灰絮凝土几乎不会发生固结排水,在高荷载条件下,PAC与APAM絮凝土固结排水速度放缓,石灰絮凝土会发生快速排水固结;4) 工程中可以使用2%的石灰通过絮凝联合真空预压法处理泥浆,也可以使用0.2%的APAM直接对泥浆进行絮凝处理,两者均可取得较好的脱水减量效果。