阳离子PAM 絮凝剂对钻孔泥浆絮凝效果的试验研究

丁伟文 孙林柱 丁光亚 高玉峰

（1.河海大学岩土工程研究所，南京 210098；2.温州大学土木与建筑学院，浙江温州 325035）

随着城市建设的不断发展，基础设施的不断完善，越来越多的钻孔桩应用于各种建筑项目工程当中.根据钻孔桩的特点，泥浆在施工当中起到了相当重要的作用，如保护孔壁的作用、排渣的作用、清孔作用等［1］，泥浆的合理利用也越来越受到重视.但是，这些随之而来的废弃钻孔泥浆也越来越多，对环境造成不可忽视的影响［2］.

目前，一些国内外的学者对泥浆处理的研究主要集中在钻井油田等领域，取得了一定的成果，但钻井废弃泥浆的处理与钻孔泥浆相比较而言有着很大的不同，某些技术可以借鉴，但是，不能直接运用到处理废弃钻孔泥浆工程当中，对于钻孔泥浆的脱水处理尚需有足够的研究来提供理论上的支持.在桩基工程钻孔泥浆的研究中，范英宏等［3］研究了不同絮凝剂絮凝效果的试验；李冲等［4］在研究废弃桩基泥浆的处理中用阴离子聚丙烯酰胺来进行絮凝脱水试验，得出了投药量、分子量、泥浆pH 值等因素对絮凝效果的影响；刘建华［5］等在研究京沪高速铁路桥梁施工废弃泥浆的处理试验中，也用到了聚丙烯酰胺来进行絮凝沉淀试验，得到了对絮凝的一些影响因素和条件.但这些试验研究中都没有研究到絮凝过程中，这些因素受不同絮凝条件、不同絮凝时间的影响，以及没有对絮凝过程中的泥浆各项性质变化做出相应的研究.因此，本文通过添加有机高分子絮凝剂阳离子聚丙烯酰胺（PAM），对钻孔泥浆进行絮凝沉淀试验，分析泥浆pH 值、粘度、Zeta电位在絮凝过程中随时间的变化规律，探讨阳离子PAM 絮凝剂对钻孔泥浆絮凝的效果，从而对钻孔泥浆的脱水处理提供一定的技术支持.

1 试验简介

1.1 试验原料

试验所用泥浆直接取自温州某工地现场.该工地所用的钻孔泥浆含水量较高，为197.8%.其中，固相含量为0.23g／cm3，泥浆的比重为1.24g／cm3，pH 值为8.15，粘度为2 085mPa·s.

试验添加的有机高分子絮凝剂药品主要有：药品名称：阳离子PAM；分子量：阳离子PAM1 000 万、1 300万、1 500万.

1.2 试验所用仪器

试验中所用到的仪器主要有以下几种：精密电子天平、NB－1 型泥浆比重计、PHS－3C 型精密pH 计、NDJ－5S型旋转粘度计、JN01A 型浓浆电泳仪.

1.3 试验内容与方法

钻孔泥浆絮凝试验：分别取若干份相同体积的钻孔泥浆，体积均为200mL，在各份泥浆中添加不同分子量的阳离子絮凝剂PAM，其分子量分别为1 000万、1 300万、1 500万，所添加的药品质量均为0.2g，均匀搅拌2min后静置.为研究絮凝过程中的钻孔泥浆性质的变化，分别用NDJ－5S型旋转粘度计、PHS－3C 型精密pH 计、DDS－11A 型数显电导率仪及JN01A 型浓浆电泳仪，来测定每种泥浆在絮凝过程中的粘度、pH 值、电导率及Zeta电位随絮凝时间的变化.试验过程中，由于测定这些参数需要在规定的时间内测定出来，所以每次在规定的时刻测定所需参数值的时候，都是在相同的条件下配制相同的泥浆，添加相同的絮凝剂及加药量，测定该时刻泥浆的参数值，以尽量保证试验中数据的准确性与合理性.

2 阳离子PAM 絮凝剂对钻孔泥浆絮凝的效果分析

2.1 钻孔泥浆絮凝过程中的pH 值变化规律

试验通过在钻孔泥浆中添加不同的高分子絮凝剂阳离子PAM，搅拌均匀后絮凝，利用精密pH 计测定泥浆的pH 值随着絮凝时间的变化，其结果如图1所示（泥浆的初始pH 值为8.15）.

图1 添加阳离子PAM 絮凝过程中pH 值的变化曲线

从图1中可以看到，向该试验钻孔泥浆中添加不同的有机高分子絮凝剂阳离子PAM1 000 万、1 300万、1 500万，经过搅拌均匀后絮凝，在絮凝的过程中随着絮凝时间的增加，各种泥浆其pH 值分别由8.20至8.36、8.23至8.40、8.36至8.42.由此可见，每一种泥浆的pH 值均呈现逐渐变大的趋势，即随着絮凝时间的增加，泥浆的碱性增大.

比较同一时刻添加不同絮凝剂的pH 值大小，如在絮凝时间为2min时，泥浆的pH 值分别为8.20、8.23、8.36，可以看出，pH 值是变大的；在絮凝时间为10min时，泥浆的pH 值分别为8.32、8.33、8.40.因此可知，同一类型的PAM 絮凝剂其分子量越大，絮凝过后得到的泥浆的pH 值也越大.

导致pH 值变化的原因，是由于泥浆在絮凝的过程中，絮凝剂发挥作用时需用到一定量的水分，形成溶液，从而导致泥浆总体pH 值变大；而分子量越大，吸收水分的效果越好，从而导致分子量大的絮凝剂pH 值越大.

2.2 钻孔泥浆絮凝过程中的粘度变化规律

粘度是衡量泥浆流变学性能的一项重要指标［6］，泥浆是由粘土和水混合而成的，泥浆的粘度不同于一般液体的粘度［7］.在钻孔泥浆的絮凝过程中研究泥浆浓度随时间的变化规律，对于泥浆的絮凝效果评价有着很大的意义，特别是对泥浆中所含絮团的变化起着重要的分析评价作用.泥浆的粘度值随着絮凝时间的变化如图2所示.从图2可以看出：添加高分子絮凝剂阳离子PAM 对泥浆进行絮凝，随着絮凝时间的增加，絮团逐渐清晰并且逐渐稳定下来，泥浆的粘度也在逐渐变大.这是由于随着时间的推移，泥浆的胶体颗粒迅速与高分子絮凝剂PAM 发生絮凝作用，产生絮团，并且絮团的大小也越来越大越来越稳定，固其粘度也越来越大.

图2 添加阳离子PAM 絮凝过程中的泥浆粘度的变化曲线

此外，随着分子量的增大，泥浆絮凝之后的粘度也随之变大，则絮凝的效果也就越好；再比较同一时刻絮凝中的泥浆的粘度值，如絮凝2min时，泥浆粘度分别为2 100mPa·s、2 480mPa·s、2 530mPa·s；絮凝10min时，泥浆粘度分别为2 770mPa·s、3 075 mPa·s、3 105mPa·s，因此，同一絮凝时刻，随着絮凝剂分子量的增大，泥浆絮凝的粘度增大.

造成粘度以上变化的原因，可认为是随着时间的增加，絮凝剂发挥作用，将泥浆高速絮凝，因此泥浆的粘度变大；而分子量越大，絮凝效果越好，固其粘度也越大.

2.3 钻孔泥浆絮凝过程中的Zeta电位的变化规律

Zeta电位是一个表征分散体系稳定性的重要指标，它代表分散在水中颗粒的有效电荷.任何一种胶体分散在水中均带有电荷.根据同性相斥的原理，Zeta电位越高，颗粒之间的排斥力越强，则分散在液体之中的颗粒的稳定性越好，越不容易聚集［8］.

水中胶体常带负电荷［9］.根据DLVO 理论［10］，胶体聚集稳定性主要决定于胶体颗粒表面的Zeta电位，即胶体滑动面上的电位.若向水中投加正电荷的混凝剂，压缩胶体扩散层，使滑动面上Zeta电位降低，一旦Zeta电位减少到一定程度或完全消失，即等电状态时，在水流的扰动下胶体就会凝聚下沉.

由水中悬浮颗粒的稳定性能与Zeta电位的关系［11］可以知道，Zeta电位在处于0～＋3mV 的时候，则悬浮颗粒处于最高量聚集和沉淀的状态.在试验过程中，由于测定每个絮凝时间对应的Zeta电位值需要一定的时间，如在测定完成2min时刻的Zeta电位值之后，难以再测定出5min时刻的Zeta电位值，因此，试验需准备若干份相同的泥浆并在其它所有条件相同的情况下，分别测定其余各个时刻下的Zeta电位值，以保证数据的准确性.图3为试验过程中测出的泥浆Zeta电位值随着絮凝时间的变化.从图3 中可以看到，泥浆添加阳离子PAM 絮凝，随着絮凝时间的增加，Zeta电位首先减小到接近0mV 的位置，然后再增大，整个过程中其电位大小始终保持在0～＋3mV 的范围内，即添加阳离子絮凝剂PAM 后泥浆处于絮凝的状态.

图3 添加阳离子PAM 絮凝过程中的Zeta电位的变化曲线

电位的大小趋势是先变小后变大，可以推测出来，带正电荷的阳离子首先与带负电荷的泥浆中的胶体颗粒中和反应，然后反应完成之后，电荷继续增大，电位随着变大，胶体逐渐处于稳定状态，反应逐渐缓慢，絮凝作用逐渐减弱.在絮凝10min时，所有的泥浆的Zeta电位均达到绝对值最低值0 附近，此时泥浆中的胶体颗粒处于等电状态，达到快速凝聚下沉的状态，此时泥浆絮凝出最佳的絮凝效果.因此，在钻孔泥浆添加阳离子PAM 絮凝的过程中，Zeta电位值先减小，后增大，并且在絮凝时间为10min时Zeta电位值达到零附近，此时为等电状态，泥浆的絮凝效果最佳.

3 结论及建议

通过以上试验及其分析可以知道，添加有机高分子絮凝剂阳离子PAM1 000万、1 300万、1 500万，对钻孔泥浆进行絮凝脱水，得到以下结论：

1）絮凝过程中，阳离子PAM 分子量越大，pH 值越大；随着时间的增加，每种分子量的PAM 絮凝剂絮凝后泥浆的pH 值都变大.

2）粘度的变化为随着絮凝时间的增加，泥浆的粘度增大；分子量越大，絮凝同样时间后泥浆的粘度也越大.

3）Zeta电位随着絮凝时间的变化趋势为先减小后增大；而添加每种絮凝剂后所有泥浆都是处于快速絮凝的状态，在絮凝10min的时候泥浆处于等电状态，此时的絮凝效果最佳.

4）在工程上利用高分子絮凝剂来处理钻孔泥浆的时候，可结合工程造价、工程要求等各方面因素，选用分子量相对较大的絮凝剂来进行处理；絮凝时间在十分钟较为合适；在絮凝剂处理完成之后，继续其他方面的处理，如机械压滤等等，这样得到的处理效果将更加有效、更加迅速.

［1］ 邓奕泉，罗锦鸿.钻孔灌注桩泥浆及其对桩基承受力的影响［J］.山西建筑，2007，33（2）：132－133.

［2］ 洪 蔚，侯世全.钻孔废弃泥浆处理管理要求综述［J］.铁道劳动安全卫生与环保，2009，36（5）：264－266.

［3］ 范英宏，潘 智，刘建华，等.高速铁路桥梁施工废弃泥浆处理工艺研究［J］.铁道建筑，2009（12）：21－23.

［4］ 李 冲，吕志刚，陈洪龄，等.阴离子型聚丙烯酰胺在废弃桩基泥浆处理中的应用［J］.环境科学，2012，25（1）：33－37.

［5］ 刘建华，范英宏，攀 枝，等.京沪高速铁路桥梁施工废弃泥浆处理试验研究［J］.铁道劳动安全卫生与环保，2009，36（3）：108－111.

［6］ 郭 敏，赵敬忠.一种测量泥浆粘度的新方法－－微机控制超声多普勒法［J］.中国陶瓷，2001，37（2）：39.

［7］ 白月纯.钻进过程中降低泥浆粘度的方法［J］.探矿工程，1957，3：12.

［8］ 曹广胜，佟 乐，胡 仪等.基于污水悬浮颗粒Zeta电位的絮凝剂用量优化［J］.大庆石油学院学报，2009，33（1）：17－18.

［9］ 王利平，杨炳武，金伟如.水中胶粒Zeta电位及影响混凝效果的研究［J］.包头钢铁学院学报，1999，18（4）：484.

［10］严煦世，范瑾初.给水工程［M］.北京：中国建筑工业出版社，1995：251－257.

［11］Gerald P，杨联璧.Zeta电位测定－检验分散体的实用技术［J］.染料与染色，1985（2）：28－36.