药剂掺量对高黏粒含量废浆渗透性和真空固结特性的影响

武亚军,顾赛帅,卢立海,强小兵,骆嘉成

(1.上海大学土木工程系,上海200444;

2.温州浙南地质工程有限公司,浙江温州325006)

随着环境岩土工程的发展,大批量高含水率、高黏粒含量工程废浆的快速处理成为研究的热点.药剂真空预压法是一种新型工程废浆处理方法,该方法将化学药剂与传统的真空预压法相结合,适用于高含水率废浆的大批量处理.武亚军等[1]对不同药剂的处理效果进行了深入的探讨,并对处理后土样微观结构进行了分析.刘禹杨等[2]通过对疏浚底泥掺外加剂研究了真空预压脱水技术.鲍树峰等[3]研究了真空预压联合化学加固处理高黏粒含量的新吹填淤泥.张骞[4]进行了真空预压联合不同化学药剂加固吹填疏浚土室内模型试验的研究.

化学药剂的添加会增加生产成本,并带来二次污染问题,因此化学药剂的合理选择对工程运用至关重要.本工作按照比例配置了一种新型的混合药剂——固化混凝剂(简称固凝剂),并将其用于高含水率、高黏粒含量工程废浆的预处理,通过真空排水试验,探究药剂对废浆渗透特性和真空固结特性的影响.固凝剂的成分均为无机药剂,避免了有机化学药剂潜在的二次污染问题,并且该药剂具备以下特点:①在中低含水率淤泥中能够快速固化;②在高含水率泥浆和淤泥中具有改性、聚并细小土颗粒的作用;③在泥浆或污泥中具有灭菌和抑制腐化的作用;④在工业废水处理中具有钝化重金属离子的作用.

1 自由沉降试验

1.1 试验对象和仪器

为了研究工程废浆在添加不同掺量的药剂后的沉降特性,进行自由沉降试验.试验中的废浆试样取自温州某桩基工程施工现场.表1为原始废浆的物理性质指标,其中废浆比重采用泥浆比重计测得,土粒比重采用比重瓶法测定.采用X射线衍射分析测得废浆的矿物组成,如表2所示.图1为废浆的颗粒粒径累积曲线.由表1,2和图1可知,实验用的工程废浆为典型的“双高”型泥浆(高含水率、高黏粒含量),在短时间内无法完成自重固结.此外,矿物成分对黏土的渗透性影响较大,其中高岭石和伊利石会降低黏土渗透性.

表1 原始废浆的物理性质指标Table 1 Physical parameters of initial waste mud

表2 原始废浆的矿物组成Table 2 Mineral composition of initial waste mud %

图1 原始废浆的粒径累积曲线Fig.1 Grading curve of initial waste mud

试验仪器有标准筛、水槽、500 mL量筒、移液管、烧杯、精度为0.01 g的电子天平和SGZ-200AS浊度仪等.

如图2所示,6个量筒内均装有200 mL废浆,其中量筒1不加任何药剂,量筒2,3,4,5,6内分别加入1,3,5,7,9 g/L药剂(掺加10 g/L以上药剂后样本的黏度较高,已不适合进行自由沉降试验).试验过程中记录不同时刻浑液面的沉降量,持续24 h后测定上清液的浊度和pH值.沉降量稳定后,取部分试样进行液塑限和颗粒组成分析.

图2 废浆的自由沉降试验Fig.2 Free settling test of waste mud

图3为废浆添加9 g/L药剂前后状态的对比.由图3可以看出,药剂的掺加完全改变了废浆的状态(流态转变为黏塑态),而废浆试样的含水率仅降低了16%.

图3 药剂添加前后的废浆试样Fig.3 Waste mud sample before and after adding chemicals

1.2 试验结果分析

(1)上清液的浊度与pH值.浊度的单位为NTU,1 NTU相当于1 L的水中含有1 mg的福尔马肼聚合物时所产生的浑浊程度.水的浑浊程度由含有微量不溶性悬浮物质、胶体物质所致.浊度越低,说明水质越好.pH值是反映水溶液酸碱性的指标.浓度和pH值均是水质检测指标.图4为废浆试样上清液的浊度和pH值.

图4 废浆试样上清液指标Fig.4 Index of the supernatant of waste mud samples

由图4可以看出,随着药剂添加量的增加,上清液的浊度减小,而pH值增大.浊度的大幅降低,表明该药剂中阳离子中和上清液中悬浮的细小土颗粒(特别是胶体颗粒)表面的负电荷,压缩双电层,减小了土颗粒间的斥力,从而实现土颗粒的聚并[5-7].pH值的增大使得排出的水呈强碱性,在水处理工程中可通过次氯酸(用于消毒)调节pH值至相关规范要求范围内.

(2)颗粒组成分析.废浆试样的粒径累积曲线如图5所示.由图5可以看出,随着药剂掺量的增加,粒径为0.075 mm以下的颗粒占比有一定程度地减少.这进一步说明了在药剂的作用下药剂中阳离子中和泥浆土颗粒(特别是粒径0.075 mm以下的细小颗粒)表面的负电荷,压缩双电层,减小土颗粒间的斥力,从而实现土颗粒的聚并.另外,与有机药剂相比,掺加固凝剂的废浆试样小颗粒减少的程度较低.

图5 废浆试样的粒径累积曲线Fig.5 Grading curves of waste mud samples

(3)沉降量.为研究药剂添加后浆体在自重荷载下的固液分离特性,绘制了浑液面沉降曲线,如图6所示.由图6可知:前12 h,随着药剂添加量的增加,沉降量逐渐减小,且沉降量均大于原始废浆的沉降量;12 h后,沉降量逐渐减小,原始废浆的沉降量逐渐超过添加药剂后浆体的沉降量.结合图5可知:细小颗粒的聚并沉淀,使得前期添加药剂的废浆沉降量均大于原始废浆沉降量;而随着药剂添加量的增加,由于药剂与废浆中的活性氧化物反应,生成具有较强的胶结能力和稳定性的水硬性化合物,使得浆体在自重荷载下较稳定,从而导致浆体沉降量随着药剂添加量的增加而减小.因此,随着时间的推移,添加药剂的废浆沉降量逐渐被原始废浆超越.

图6 废浆试样浑液面的沉降曲线Fig.6 Interface settlement curves of waste mud samples

2 一维固结试验

2.1 试验参数

试验对象同上.试验器材主要包括烧杯、搅拌棒、烘箱、GJZ-2双联中压固结仪(环刀高2 cm)和精度为0.01 g的电子天平.

土的渗透系数是反映水在土孔隙中渗透流动快慢的一个重要指标.渗透系数越大,土体内孔隙排水速度越快.根据固结系数与渗透系数的关系,计算每级荷载下废浆试样的平均渗透系数.选取原始废浆和分别添加3,7,9和11 g/L药剂的废浆试样进行固结试验,逐级施加12.5,25.0,50.0和100.0 kPa的固结压力,并按照《土工试验规程》[8]中的规定,记录各级荷载下沉降量随时间的变化,以试样变形量每小时不大于0.005 mm为稳定标准.

2.2 试验结果与分析

(1)药剂掺量与渗透系数.图7为废浆试样的渗透系数变化曲线.由图7可知:整体上,所有废浆渗透系数均随着荷载的增大而减小,且降幅越来越小;而降幅随着药剂添加量的增大而增加.原始废浆的渗透系数最小,变化范围相对较小(在10−6cm/s数量级上变化);药剂处理后的废浆渗透系数较大,变化范围也相对较大(在10−6∼10−5cm/s数量级上变化).另外,在同一固结压力区间时,药剂掺量越高,废浆渗透系数越大.同原始废浆相比,在低固结压力区间内,添加药剂后浆体的渗透系数可提高为原来的5∼10倍,分析其原因主要有两个方面.一方面是原始废浆中黏粒含量高,其结合水化膜较厚,会阻塞土的孔隙,从而降低水的渗透性,而药剂加入废浆后会立即发生离子交换作用,在废浆中产生大量游离的高价阳离子.阳离子与土颗粒表面的Na+,H+和K+等置换,从而使土颗粒表面被高价阳离子包裹,使土颗粒外的结合水膜厚度减小,从而提高了渗透性.另一方面,药剂的胶凝作用使得废浆体系生成稳定的结构(见图8),从而形成较大的宏观孔隙.在低荷载时,这些宏观孔隙大大增强了渗透性.而随着荷载的增大,宏观孔隙被压缩,并发展为团粒间的孔隙以及颗粒间的孔隙为主.随着荷载的进一步增大,孔隙发展为颗粒间的孔隙为主[9-11].也就是说,初期原始废浆与药剂处理后的废浆二者间的孔隙相差较大,而随着荷载的增大,二者的孔隙趋于一致,因此渗透系数刚开始相差较大,而随着荷载的增大,最终趋于一致.由此可以认为,药剂对废浆排水有显著的增渗增排作用.

图7 废浆试样渗透系数的变化曲线Fig.7 Curves of permeability coefficient varies of waste mud samples

图8 废浆试样结构模型Fig.8 Structural model of waste mud sample

(2)龄期.新型固凝剂与废浆完全反应需要较长时间,且这种反应无法通过表观直接体现.图7(b)所示为龄期与渗透系数的关系(以药剂掺量为11 g/L的废浆试样为例).可以看出,龄期不同,废浆试样的渗透系数相差较大,其中龄期3∼14 d的浆体渗透系数较大.可推断,合理的龄期为3或7 d.这是因为药剂与废浆反应需要一定的时间,药剂与废浆所形成的胶凝结构对渗透性有较大的提高.在龄期较短时,反应尚在进行,胶凝结构尚未完全形成,故3 d之内时废浆的渗透系数变化幅度较大(在10−6∼10−5cm/s数量级上变化);而在体系反应稳定后,渗透系数不再随着龄期的增长而发生较大的改变.

3 真空预压试验

3.1 试验参数

试验仪器主要包括废浆比重计、真空管、法兰桶、锥形量瓶、排水板、排水管、真空泵等.试验装置如图9所示.试验桶直径为70 cm,容积为200 L,在其中间布置排水板,并在不同位置布置真空表进行监控.排水管与锥形量瓶侧面排水口依次连接,锥形瓶顶部与真空设备连接,用于计量排水量和气液分离.表3为真空预压试验的相关参数,包括试验桶药剂种类及其掺量、去除上清液后的含水率和排水的pH值.

图9 真空预压试验装置Fig.9 Experimental setup of vacuum preloading

表3 真空预压试验参数Table 3 Experimental parameters of vacuum preloading

3.2 结果分析

(1)排水效率.药剂对废浆排水的“增渗增排”作用主要体现在排水速率和土样终态含水率两个方面.图10为废浆试样排水速率的变化曲线.由图10可知:排水速率在真空加载后12 h内差别较大,其中添加9 g/L药剂后废浆的排水速率较大,为原始废浆排水速率的2∼3倍;而12 h后废浆试样的排水速率比较接近.结合图7可知:在加载初期,添加不同掺量药剂的废浆渗透系数相差较大,排水速率有较大区别;而后期,渗透系数逐渐持平,排水速率比较接近.

图10 废浆试样排水速率的变化曲线Fig.10 Curves of drainage rate varies of waste mud samples

图11为废浆试样含水率随时间的变化曲线以及最终取样实测含水率和药剂掺量的关系.由图11可知:添加药剂后的试验桶的含水率均比原始废浆降低得快,且含水率随着药剂掺量的增加而减小,最低为66.5%,降幅达120%,并可继续降低;而原始废浆含水率只能降至约141.5%,且无法进一步降低.这进一步说明,药剂对废浆的渗透性具有改善作用.

图11 废浆试样的含水率变化曲线Fig.11 Curves of water content varies of waste mud samples

(2)土体状态.废浆真空排水处理后的状态如图12所示.由图12可以看出,原始废浆经真空排水后,仍呈流态,而经药剂真空预压法处理后的土样强度较高,经测量其十字板剪切强度最高达47.1 kPa.土体强度的提高,除了与含水率的降低有直接关系,也与药剂的固化作用不断加强有关.药剂的固化机理主要分为胶凝作用和硬化作用.药剂与废浆中的活性金属氧化物反应,生成具有较强的胶结能力和稳定性的水硬性化合物.该化合物在废浆中继续硬化并保持和发展其强度,这是废浆状态由流体迅速转变为半流体的直接原因.硬化作用包含两个结晶过程:①药剂与CO2反应生成坚硬的结晶体,具有较高的强度和水稳定性;②试验过程中,药剂不断吸收水分,由胶体逐渐形成晶体,并和土颗粒相结合形成共晶体,提高了土体的整体性和强度.药剂硬化作用是土体后期强度不断提高的主要原因.

图12 废浆处理后的土样Fig.12 Improved soil samples of waste mud

图13所示为药剂掺量不同时最终土样的液塑限.由图13可以看出,药剂掺加后,土样的液塑限有显著的提高.这与药剂中存在固化剂成分有关[12-13],其作用机理有待进一步探究.

图13 药剂掺加后废浆最终土样的液塑限Fig.13 Plastic limit and liquid limit of waste mud samples before and after adding chemicals

4 结束语

本工作将配置的新型固化混凝剂用于高含水率、高黏粒含量工程废浆的预处理,研究了药剂对废浆渗透特性和真空固化特性的影响.研究结果表明,新型固化絮凝剂结合真空预压法可以有效地处理高含水率、高黏粒含量的工程废浆.在此过程中,药剂的作用主要包括颗粒聚并、增渗增排和固化.

(1)固凝剂可以通过压缩双电层将废浆中的细小颗粒聚并,有效减小排出液的浊度.

(2)掺加固凝剂后,通过离子交换作用使黏土颗粒结合水膜变薄,同时通过胶凝作用促使废浆生成稳定的结构,使得废浆的渗透系数随着掺量的增加而大幅增大,从而大幅提高排水速率.反应龄期为3或7 d时,药剂可获得较大的渗透系数.

(3)固凝剂与真空排水相互作用,在降低土体含水率的同时,通过固化作用提高土体强度,改变土体液塑限.