滨海淤泥质吹填土泥浆絮凝脱水试验研究

孙雨涵,周晓朋，李怡，李艳坤，孙玉恒，谭再坤

（1.重庆交通大学河海学院，重庆400074；2.重庆交通大学土木建筑学院，重庆400074；3.天津大学渤海软土地基处理技术联合研究院，河北061113）

滨海淤泥质吹填土泥浆絮凝脱水试验研究

孙雨涵1,周晓朋1，李怡1，李艳坤1，孙玉恒2，谭再坤3

（1.重庆交通大学河海学院，重庆400074；2.重庆交通大学土木建筑学院，重庆400074；3.天津大学渤海软土地基处理技术联合研究院，河北061113）

研究了天津、连云港两地高浓度淤泥质吹填土泥浆，在添加高分子量的阳离子（CPAM）、阴离子（APAM）、非离子（NPAM）聚丙烯酰胺、聚合氯化铝（PAC）及“有机、无机”混合溶剂后，真空抽滤泥饼含水率的变化过程。试验结果表明，两地吹填土泥饼含水率变化过程相似，各类絮凝剂都可以使吹填泥浆形成胶体并发生沉降，且能使吹填土泥饼含水率降低，泥水分离现象明显。PAC+CPAM组合絮凝效果最为理想，天津地区吹填土泥饼含水率由未添加絮凝剂的387.39%降低至83.06%，连云港地区吹填土泥饼含水率由未添加絮凝剂的347.17%降低至73.26%。

吹填土；絮凝；泥饼含水率

近年来我国围海造陆和扩建码头等工程的兴起，需要大量的吹填土，而在很多沿海地区，以淤泥质为主。由于淤泥质土的承载能力低、含水率高、排水能力差，很难将其直接利用。目前国际上较为先进的方法是将疏浚泥进行固化处理，向疏浚泥中加入固化材料使处理后的改性土具有良好的工程特性。但由于水泥、生石灰等固化剂不仅造价昂贵且效果并不理想，很难在实际工程中得到推广。

在真空预压、膜袋围堰等工程中，吹填土的排水能力直接影响了施工效率及施工的可能性，该性能的好坏尤为重要。通过投加高分子类絮凝剂，其内部的极性基团能与淤泥胶质微粒发生化学反应，中和微粒表面的电荷，压缩双电层，并结合其桥架作用凝聚成大的颗粒絮体，使水分从中分离出来，从而提高淤泥的脱水性能。真空抽滤泥饼含水率（以下简称泥饼含水率）是衡量淤泥脱水性能的有效指标，本文通过对絮凝后的淤泥质吹填土泥浆，施加1标准大气压的真空压力，分析泥饼含水率的高低，了解吹填土泥浆的排水能力与絮凝剂添加之间的关系。淤泥质土絮凝处理分析在污泥处理等领域应用广泛，但对滨海地区吹填土的研究较少，本试验向吹填泥浆添加不同类型聚丙烯酰胺，从泥饼含水率的角度出发，并结合试验现象，为高分子类絮凝剂在吹填工程中的应用提供一定参考［1-8］。

1 试验

1.1实验材料

试验用土取自天津南港、连云港围海造陆项目，编号为TJ、LYG，均为淤泥质混合土。试验药剂为有机高分子聚丙烯酰胺：阳离子型（CPAM）、阴离子型（APAM）、非离子型聚丙烯酰胺（NPAM），无机聚合氯化铝（PAC）。

1.2实验方法

将采集的吹填土进行烘干称重，与水按质量比1：5进行配浆，移取若干份同质量的溶液置于烧杯中，以递增的顺序分别添加不同量、不同类型絮凝剂，快速搅拌20 s，再慢速搅拌10 s静置，观察絮凝现象。试剂采用已知刻度滴管逐管逐滴加入，加药量按每升吹填土泥浆加药量mg数计。本试验应用SHZ-D（Ⅲ）循环水式多用真空泵进行抽滤。测定时先在布氏漏斗中放置滤纸（已烘干）并用蒸馏水喷湿，开动真空泵把玻璃管中抽成负压（滤纸紧贴漏斗后关闭真空泵），将混合好的泥样倒入漏斗，再次开动真空泵使污泥脱水，观察淤泥从过滤到形成泥饼的现象。为保证实验条件的一致性并在满压状态下进行，抽滤时间限定为1 min，将泥饼从漏斗上剥离，并在105℃下烘干称重。如式（1）所示，计算各条件下的泥饼含水率

式中：m1为坩埚质量，g；m2为坩埚和湿泥饼的质量，g；m3为坩埚和干泥饼的质量，g；ω为泥饼含水率，%。

2 试验结果与分析

2.1添加CPAM时吹填泥浆泥饼含水率变化

在对未添加絮凝剂的TJ、LYG吹填泥浆试验中测得，两地的泥饼含水率分别为387.39%和347.17%，排水速度缓慢，排水能力较差。TJ、LYG两地吹填泥浆添加阳离子聚丙烯酰胺后，泥饼含水率变化趋势如图1所示。随着CPAM用量的增加，泥饼含水率先急剧下降，后缓慢提高。结合表1所示，当TJ、LYG两地CPAM添加量均为150 mg/L时达到最低含水率，分别为83.28%、73.97%。这是因为加入一定量的CPAM后，电中和作用能有效地降低水化层厚度，减小颗粒间的斥力，破坏了分散系的稳定性，最终使其聚凝，并易于脱水。随着CPAM的用量逐渐增加，泥饼含水率并未随着絮团的变大而继续降低，絮凝效果的改善并未带来排水能力的提升，这可能是因为CPAM桥架作用的增强使絮团的排水通道受到阻碍。

2.2添加APAM时吹填泥浆泥饼含水率变化

两地吹填土泥浆中添加阴离子聚丙烯酰胺后，泥饼含水率变化趋势如图2所示，随着APAM添加量的逐渐增加，泥饼含水率同样呈现先减小后增大的趋势。结合表2所示，当TJ、LYG两地APAM添加量为100 mg/L时，含水率达到最低，分别为163.14%、105.99%。在APAM添加量为150 mg/L、250 mg/L时絮团如块状，相比于添加量为100 mg/L时的排水能力降低。这是因为在100 mg/L添加量时达到一个最佳含水率，在此基础上再加大APAM用量，过多的负电荷再次包围着淤泥颗粒形成稳态分散系，阻碍了细小颗粒的絮凝沉降，导致固液分离困难，泥饼含水率上升。在添加量为250 mg/L时，排水能力与未加絮凝剂时的效果一致，桥架作用的提高并未促进排水能力的提升。由于APAM的加入，其电中和作用呈现由增到减的趋势，因此一味的加大絮凝剂用量，单一考虑桥架作用的提高而忽略电中和作用亦不能达到理想的排水效果。

表1天津和连云港填土泥浆CPAM添加量与絮凝效果关系Tab.1Tianjin and Lianyungang mud dredger fill relationship with CPAM flocculation effect of the added amount

图1 CPAM作用下两地泥饼含水率Fig.1 Effect of CPAM on the water content of sludge cake in two areas

图2 APAM作用下两地泥饼含水率Fig.2 Effect of APAM on the water content of sludge cake in two areas

结合以上试验说明在添加絮凝剂后，桥架作用和电中和作用二者共同发挥作用时（絮凝剂用量少的情况下），排水能力能得到有效提高，但随着絮凝剂用量的提高，电中和作用削弱，桥架作用的增强抑制了絮团的排水能力。

2.3添加NPAM时吹泥饼含水率变化

两地吹填土泥浆中添加非离子聚丙烯酰胺后，泥饼含水率变化趋势如图3所示。分析图3可知，随着NPAM用量逐渐增加，含水率呈现逐渐减小的趋势，结合表3所示，絮团效果与泥饼含水率效果一致，絮团越大排水能力越高。TJ、LYG两地NPAM添加量均为250 mg/L时，泥饼含水率达到最低分别为116.75%、93.69%。根据文献［3］的介绍,NPAM的加入具有一定的电中和作用，颗粒表面动电电位也处于一个稳定的区间，其电中和作用并未受絮凝剂添加量的影响，也未受抑制，排水能力也得到提高，这与CPAM与APAM的情况有所不同。

图3NPAM作用下两地泥饼含水率Fig.3Effect of NPAM on the water content of sludge cake in two areas

2.4PAC+CPAM共同作用下吹填泥浆颗粒表面电位变化

为了获得更好的脱水效果，本次试验尝试使用无机和有机絮凝剂共同作用分析两地吹填泥浆的脱水效果。两地试验土优先添加333 mg/L的PAC，再添加不同用量的CPAM，泥饼含水率变化趋势如图4、图5所示，有PAC加入的情况下，TJ、LYG两地土的泥饼含水率均低于单纯加CPAM的情况，二者共同作用降低泥饼含水率的效果明显，说明预先添加PAC能很好地提升排水能力。结合表4所示，TJ、LYG泥浆均在CPAM添加50 mg/L时，PAC的加入能显著提高排水能力，两地CPAM添加量均为100 mg/L时，泥饼含水率达到最低分别为83.06%、73.26%，在添加量为150 mg/L之后排水能力最佳并与单独添加CPAM时趋势大体一致。

2.5PAC+NPAM共同作用下泥饼含水率变化

本次对两地试验土采用无机PAC+有机NPAM的试验方案。方案优先添加PAC，其用量分别为667 mg/L、1 000 mg/L、1 333 mg/L、2 000 mg/L，并在各用量的基础上添加50 mg/L、100 mg/L、150 mg/L、200 mg/L、250 mg/L的NPAM，TJ、LYG两地泥饼含水率变化趋势如图6、图7所示，两地泥饼含水率变化趋势有所不同。对于TJ试验土，如图6所示，与单独添加NPAM相比，在初始PAC添加量较低时，随着NPAM的加入泥饼含水率同样呈现逐渐减小的趋势，且各点的泥饼含水率均有所降低。但在添加量为2 000 mg/L的PAC+NPAM作用下，泥饼含水率与其他添加量相比有所提高。结合表5所示，TJ泥浆随着NPAM的加入，泥饼含水率也像絮凝现象那样随着絮团的增大而逐渐降低，且在667 mg/L PAC+150 mg/L NPAM作用下时出现最低含水率为96.6%。对于LYG试验土，如图7所示，与单独添加NPAM相比，泥饼含水率并未随PAC的添加量逐渐增加而降低。在PAC添加量为667 mg/L、1 333 mg/L、2 000 mg/L时，与单独添加NPAM相比，对应各点的泥饼含水率均有所提高，但在PAC添加量为1 000 mg/L时，泥饼含水率有所降低，结合表5所示，LYG泥浆在1 000 mg/L PAC+100 mg/L NPAM作用下出现最低泥饼含水率为92.83%。

表2天津和连云港填土泥浆APAM添加量与絮凝效果关系Tab.2Tianjin and Lianyungang mud dredger fill relationship with APAM flocculation effect of the added amount

表3天津和连云港填土泥浆NPAM添加量与絮凝效果关系Tab.3Tianjin and Lianyungang mud dredger fill relationship with NPAM flocculation effect of the added amount

表4天津和连云港填土泥浆333 mg/L的PAC+CPAM添加量与絮凝效果关系Tab.4Tianjin and Lianyungang mud dredger 333mg/L fill relationship with PAC+ CPAM flocculation effect of the added amount

表5天津吹填土泥浆667 mg/L的PAC+NPAM和连云港1 000 mg/L的PAC+ NPAM添加量与絮凝效果关系Tab.5 Tianjin mud dredger 667 mg/L PAC+NPAM and Lianyungang 1 000 mg/L PAC+NPAM flocculation effect of the added amount

结合以上试验说明，在PAC用量较少时，其电中和作用有利于CPAM、NPAM的桥架作用的发挥，排水能力得到提升，但随着PAC用量的增加，其电中和作用逐渐削弱，桥架作用受到抑制，排水受阻，泥饼含水率上升。此变化趋势亦证明了以上观点，即絮凝处理滨海淤泥质吹填土泥浆，需综合考虑电中和作用及桥架作用，才能获得较理想的结果。

图4333PAC+CPAM作用下两地泥饼含水率Fig.4Effect of 333PAC+CPAM on the water content of sludge cake in two areas

图5TJ、LYG添加与未添加PAC两地泥饼含水率Fig.5Effect of added and not added PAC on the water content of sludge cake in two areas

图6TJ-不同用量PAC+NPAM作用下泥饼含水率Fig.6Effect of different dosage PAC+NPAM on the water content of sludge cake in Tianjin

图7 LYG-不同用量PAC+NPAM作用下泥饼含水率Fig.7 Effect of different dosage PAC+NPAM on the water content of sludge cake in Lianyungang

3 结论

（1）本文针对天津、连云港两地高浓度滨海淤泥质吹填泥浆添加高分子类材料进行絮凝处理，几种材料均能产生一定的效果，尤其是CPAM、NPAM及“PAC+CPAM”絮凝剂，试验结果表明两地吹填土絮凝处理为其进一步加以应用的方案可行。两地高淤泥质吹填泥浆添加絮凝剂处理，变化趋势相似，表明本次针对吹填土絮凝试验具有一定的代表性。

（2）基于泥饼含水率分析，两地吹填泥浆絮凝处理结果表明，单一加入阳离子产生电中和作用或通过添加大量絮凝剂用量而达到桥架作用，都不能获得良好的絮凝效果，二者具有相关性需要综合考虑。

（3）不同类型絮凝剂对两地吹填泥浆沉降性、排水速度和排水程度有不同影响。其中PAC与CPAM组合处理吹填泥浆效果最好，天津地区吹填土泥饼含水率由未添加絮凝剂的387.39%降低至83.06%，连云港地区吹填土泥饼含水率由未添加絮凝剂的347.17%降低至73.26%。在排水能力要求不高的情况下，少量PAC的添加能大幅提高排水能力并能节约工程造价，具有一定的经济优势。

（4）泥饼含水率是絮团排水能力的体现，能有效地评价絮凝效果的好坏。本文通过添加高分子类絮凝剂，在真空压力下针对吹填泥浆的排水能力进行研究，为天津、连云港两地絮凝剂选型提供参考依据。

（5）关于絮凝土能否合理的应用到地基处理、围堰等实际工程中，还需进一步探讨，改性土的强度、经济性等问题，仍需进一步研究。

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Experiment study of dredger fill mud flocculation dehydration in seaside

SUN Yu⁃han1，ZHOU Xiao⁃peng1，LI Yi1，LI Yan⁃kun1，SUN Yu⁃heng2，TAN Zai⁃kun3
（1.School of River&Ocean Engineering,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China；2.School of Civil Engineering and Architecture,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China；3.Tianjin University Bohai Ground Treatment Joint Research Institution,Hebei 061113,China）

This paper studied the water content of sludge cake change process on colloid particles′surface of mud with high concentration and mucky dredger fill in Tianjin and Lianyungang,which had been added high molec⁃ular weight CPAM,APAM,NPAM,PAC,"Organic and inorganic"mixed solvent.The test shows that the water con⁃tent of sludge cake change process of dredger fill in the two places are similar,all kinds of flocculants can make hy⁃draulic fill slurry form colloid and cause settlement,and also can make the water content of sludge cake of dredger fill to reduce,slurry separation is obvious.The combined flocculation of PAC+CPAM is the most ideal one.After adding flocculants,the water content of sludge cake in Tianjin dredger fill decrease from 387.39%to 83.06%,and the water content of sludge cake in Lianyungang dredger fill decrease from 347.17%to 73.26%.

dredger fill;flocculation;water content of sludge cake

TU 447

A

1005-8443（2015）04-0345-05

2015-02-10；

2015-03-04

孙雨涵(1991-)，女，山东省人，硕士研究生，主要从事港口、海岸及近海方面研究。

Biography：SUN Yu⁃han（1991-），female，master student.