PAM絮凝剂对钻孔粘土废弃泥浆脱水性能的影响

张 烁，庞建勇，孙林柱，杨 芳，朱 锋

(1.安徽理工大学土木与建筑学院，安徽 淮南 232001;2.温州大学建筑与土木工程学院，浙江 温州 325000;3.江西理工大学建筑与测绘工程学院，江西 赣州 341000)

淤泥质粘土在世界各地分布广泛，在我国主要分布在天津、上海、浙江、福建等沿海地区。

钻孔灌注桩广泛应用于建筑、交通、水利等基础工程，钻孔泥浆用量一般为成孔体积的3～5倍［1］。泥浆中可加化学药剂，使泥浆成为一种不易失水干结，成分复杂，稳定性好的胶体体系［2］，因此，施工后会产生大量的废弃泥浆。目前处理废弃泥浆的一般方法是将其直接填埋，但很多泥浆被排放到田地、河道，严重污染土壤、河流，破坏城市生态环境，危害人的身体健康。处理废弃泥浆成为了当前工程建设一大难题。

国内外对油田钻井泥浆、矿山钻井泥浆、城市污泥、河湖污泥和淤泥处理方法的研究较多，主要有物理、化学和物理—化学联合等处理方法。目前，基于钻孔废弃泥浆的压滤脱水研究很少，主要面临是以下问题，①钻孔粘土废弃泥浆粘度大，颗粒细小，若直接采用物理的方法脱水，泥浆会堵塞脱水机滤孔，使泥浆固液难以分离;②若直接固化，钻孔粘土废弃泥浆含水率高，需加入大量的固化剂，成本较高;③由于每个地区土性差别较大，成分复杂，针对钻孔粘土废弃泥浆脱水处理使用的絮凝剂适应性研究较为缺乏。

针对以上问题，本文采用物理—化学联合的方法，研究PAM 絮凝剂对钻孔粘土废弃泥浆脱水性能的影响规律。在此基础上，提出符合压滤脱水规律的数学模型，为钻孔粘土废弃泥浆的处理提供科学依据。

1 试验

1.1 絮凝剂

选用PAM 絮凝剂，分别是相对分子量1 000 万的阳离子型PAM 絮凝剂(记为C1PAM)、相对分子量1 000～1 800 万的阴离子型PAM 絮凝剂(记为A1PAM～A5PAM)和相对分子量1 000 万的非离子型PAM 絮凝剂(记为N1PAM)。

1.2 试验设备

量筒、烧杯(1 000 mL)、秒表、搅拌器、精密电子天平、自制的液压压滤设备(见图1)。

图1 自制的液压压滤设备

1.3 试验方案

为了研究PAM 絮凝剂的类型、相对分子量和加药量对钻孔粘土泥浆脱水性的影响规律，设计了三个试验方案(见表1～表3)，并在试验结果的基础上建立符合压滤脱水规律的数学模型。

表1 PAM 絮凝剂类型的优选

表2 阴离子型PAM 絮凝剂相对分子量的优择

表3 相对分子量1 000 万的阴离子型PAM 絮凝剂的加药量的优化

1.4 试验步骤

按试验所需，用精密电子天平称取PAM 絮凝剂，分别于1 000 mL 烧杯中加入500 mL 搅拌均匀的钻孔泥浆，投加絮凝剂，搅拌均匀，至有明显絮体出现后停止;待静置絮凝2 h 后，将泥浆倒入自制的液压压滤设备，设定压力值为0.8 MPa，泥浆厚度为4 cm，对泥浆进行压滤脱水处理;每5 min 读1次脱水量，30 min 后，每15 min 读1 次，压滤时间持续180 min;记录泥浆压滤脱水量随着压滤时间的变化。按照以上步骤，即可得到每组试验的泥浆压滤脱水量随着压滤时间的变化。

2 试验结果与分析

2.1 泥浆的物理性质和矿物组成

通过仪器测得钻孔泥浆的物理性质和主要矿物成分(见表4～表5)。

表4 泥浆的初始各项性质指标

表5 钻孔泥浆的主要矿物成分 (%)

2.2 不同类型PAM 絮凝剂的影响

1)不同加药量PAM 絮凝剂的影响。试验选择3 种加药量，分别研究了不同加药量的C1PAM、A1PAM 和N1PAM 对钻孔粘土泥浆压滤脱水性能的影响规律，结果如图2～图4所示。

图2 C1PAM 不同加药量的泥浆压滤脱水曲线

图3 A1PAM 不同加药量的泥浆压滤脱水曲线

图4 N1PAM 不同加药量的泥浆压滤脱水曲线

从图2～图4 可以看出，随着压滤时间的增加，泥浆的压滤脱水量越来越高，压滤脱水速度逐渐降低，泥浆的压滤脱水曲线呈非线性增加的趋势。三种不同类型的PAM 絮凝剂在加药量不同时，对泥浆的压滤脱水效果的影响也不同。

泥浆压滤脱水效果随着C1PAM、N1PAM 加药量的增加先提升后下降(见图2 和图4)，脱水效果最好的加药量均为1.0 g;随着A1PAM 加药量的增加呈下降趋势(见图3)，加药量为0.5 g 时泥浆的压滤脱水效果最好，在45min 以后，脱水速率变快。

总之，随着压滤时间的延长，泥浆的压滤脱水曲线呈非线性增大的趋势;从脱水效果来看，阴离子型的PAM 絮凝剂效果最好。

2)最佳加药量不同类型PAM 絮凝剂的影响。对比分析最佳加药量不同类型PAM 絮凝剂对泥浆脱水性能的影响，结果如图5所示。

图5 三种类型PAM 絮凝剂最佳加药量时泥浆压滤脱水曲线

由图5 可以看出，在均为最佳加药量的情况下，三种不同类型PAM 絮凝剂的添加均能改善泥浆的压滤脱水性能。A1PAM 的添加加快了泥浆的脱水速率，对泥浆压滤脱水性能改善效果最好，最终的压滤脱水量也明显高于纯泥浆，C1PAM 和N1PAM 对泥浆压滤脱水性能改善效果不明显，最终的压滤脱水量与纯泥浆基本相等。

以上分析得出，适用于钻孔粘土泥浆絮凝脱水的最优PAM 絮凝剂是A1PAM。

2.3 不同相对分子量的阴离子型PAM 絮凝剂的影响

在确定了最优PAM 絮凝剂的基础上，为了进一步优选阴离子型PAM 絮凝剂的相对分子量，选用A1PAM～A5PAM，加药量均为0.5 g，泥浆压滤脱水量随压滤时间的变化曲线如图6所示。

图6 添加A1PAM～A5PAM 时泥浆的压滤脱水曲线

由图6 可知，随着阴离子型PAM 絮凝剂相对分子量的增加，泥浆的压滤脱水效果先提升后下降。

当阴离子型PAM 絮凝剂相对分子量小于1 200 万时，阴离子型PAM 絮凝剂的添加对泥浆的脱水性能有所改善;当相对分子量大于1 200 万时，随着相对分子量的增加，泥浆的脱水效果反而越来越差。

分析原因，当絮凝剂的相对分子量过小时，会造成泥浆不絮凝或者絮凝团较小，会降低脱水的速度;当絮凝剂的分子量过大时，PAM 包裹泥浆微粒，絮团间相互排斥造成絮凝效果差，其次泥浆粘度值过大，在压滤过程中水分子通道堵塞，使絮团束缚较多水难以通过泥浆絮凝团，压滤脱水效果也比较差。

分别添加A1PAM 和A2PAM 的泥浆压滤脱水效果都有明显提高，改善效果也基本相同，考虑到经济效益，最终确定相对分子量1 000 万的阴离子型PAM 絮凝剂为最优。

2.4 最优PAM 絮凝剂加药量的优化及模型建立

1)最优PAM 絮凝剂加药量的优化。A1PAM对于钻孔粘土泥浆的压滤脱水改善效果较为理想，最佳加药量为下限0.5 g，为了进一步优选A1PAM的最佳加药量，进行加药量细化的工作，试验结果如图7所示。

图7 A1PAM 不同加药量时泥浆的压滤脱水曲线

由图7 可知，当A1PAM 的加药量小于0.08 g时，泥浆的脱水效果随着加药量的增加越来越好;当加药量大于0.08 g 时，随着加药量的继续增加，泥浆的脱水效果没有继续得到改善，而是维持在一个较小的范围内波动。根据试验结果，考虑工程应用中的实际效益，A1PAM 最佳加药量为0.08 g，泥浆的体积为500 mL，即160 g/m3。

2)最优PAM 絮凝剂压滤脱水模型的建立。采用脱水率和时间的关系建立相应的模型，试验数据点及模型曲线如图8所示。

图8 A1PAM 加药量为0.08 g 时泥浆的试验数据点及模型曲线图

根据压滤脱水试验数据及曲线形状，泥浆的压滤脱水规律可以用数学模型表达:

当t趋于无穷大，e－bt等于0，w等于a，即为泥浆的最初含水率71.53%;当t等于0 时，w等于0。表明此模型符合泥浆的压滤脱水规律和泥浆的特性，根据最优压滤脱水的试验数据进行非线性拟合，系统参数b和c分别为－0.003 45，0.553 36。其模型表达为

式中:w为脱水率;t为压滤时间，min。

由图8 可见，式(2)能准确表达脱水率与压滤时间之间的关系，模型曲线与试验数据点的拟合精度很高，较好地反映泥浆的压滤脱水规律。研究结果为泥浆的处理提供了可靠的科学依据。

3 结论

PAM 絮凝剂适用于钻孔粘土泥浆并能够有效改善泥浆脱水性能，最优PAM 絮凝剂为相对分子量1 000 万的阴离子型PAM 絮凝剂;泥浆的体积为500 mL 时最佳加药量为0.08 g，即160 g/m3。

根据最优PAM 絮凝剂泥浆压滤脱水曲线，提出了脱水率与压滤时间的表达式，建立相应的模型，模型表达式能准确表达脱水率与压滤时间之间的关系，模型曲线与试验数据点的拟合精度很高，能较好地反映泥浆的压滤脱水规律。

以上研究结果，为钻孔粘土废弃泥浆的高效处理提供了可靠的科学依据。

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