泥浆SAP脱水试验研究

张 金 利, 翟 浩 宇, 侯 栋 友

(1.大连理工大学 岩土工程研究所, 辽宁 大连 116024;2.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室, 辽宁 大连 116024)

0 引 言

软土因含水量高、压缩性大、强度低等不良工程特性,一般无法满足工程建设要求,为此需要对其进行人工加固处理.另外,我国每年因港口、航道、河湖、水库等建设、疏浚工程产生大量疏浚淤泥.据统计,我国在21世纪初疏浚淤泥海洋倾倒量已超过1×108m3[1].苏州地区年拟规划实施河道疏浚可产生1 000×104m3淤泥[2],三峡水库2003～2018年坝前河段累积淤积泥沙约1.7×108m3[3].有效处理与利用疏浚淤泥对于缓解土地资源紧张问题具有重要意义.

软土加固技术一般可分为化学固化和物理固化两类.化学固化一般在软土中加入特定配方的固化剂,通过固化剂与水、矿物等的化学反应提高软土强度.尽管固化剂种类较多,但主要由水泥、石灰、工业固体废料(如粉煤灰、钢渣、碱渣、电石渣等)、其他外加剂等构成,其主要机制为通过胶凝材料的水化反应,产生空间网络将土颗粒包裹,同时消耗水分,进而提高土的强度.徐日庆等[4]以试验研究了加入粉煤灰与生石灰的滨海淤泥的强度特性,试验结果表明,在最优配比下,14 d的无侧限抗压强度可达500 kPa.Du等[5]以草木灰作为硅源、以电石渣与氢氧化钠作为激发剂,试验研究了地聚物对海相软黏土的加固效果,试验结果表明,当加入电石渣、草木灰、氢氧化钠的比例分别为16%、13%、0.8%时,28 d无侧限抗压强度可高达900 kPa.俞家人等[6]探讨了矿渣在氢氧化钠与水玻璃不同模数下对软土的加固效果,在模数为1.2时,无侧限抗压强度可达4.37 MPa,加固效果明显.陈伟等[7]采用JCW软土胶结剂研究其对软土固化效果,探讨了固化剂对软土液塑限影响,分析了固化机制.从已有的研究结果可见,化学固化可分为两类:一类加水泥或石灰等典型胶凝材料,通过胶凝材料的水化反应生成空间网络固定土颗粒;另一类加粉煤灰或钢渣等典型工业固体废弃物,构成硅源或钙源,然后通过碱激发,使硅源或钙源出现地质聚合反应,产生水化硅酸钙或水化硅铝酸钙等胶凝材料,这种胶凝材料同样具有空间网络,进而固定土颗粒.另外,在地质聚合过程中,因水化反应使得土中的液态水参与胶凝材料形成,以结晶水形态存在于胶凝材料中,土中的自由水转换为结晶水,由液态变为固态.后一种方法的优势在于可有效利用工业固体废弃物,具有良好的低碳环保特性.物理固化软土是一种应用较为广泛的工程方法.蔡烽[8]讨论了堆载预压下,塑料排水板深度、间距等对固化效果的影响,采用太沙基一维固结理论对固结过程进行了分析.谭舟洋[9]采用真空堆载法对路基进行加固,讨论了砂垫层厚度、排水管布设对固结的影响.可见,该方法为缩短渗径、减少固结时间、加速土体固结并提高强度常设置砂井、排水板等排水通道[10-11].上述的物理脱水法可形成超孔压或负压,使孔隙水在预设排水通道排除,这种方法耗时长,工程量大,加固效果不理想.

上述研究表明,软土处理的核心问题之一在于水分的去除或改变水的存在形态[12].随着新材料的发展和实践,亲水性高分子材料因造价低、效率高、污染性低等特点逐渐被引入淤泥固化中.Mirzababaei等[13]用两种聚合物(聚乙烯醇(PVA)、丁烷四羧酸(BTCA))改善膨胀性黏土的工程特性.试验结果表明,加入微量的两种亲水性聚合物可显著改善膨胀性黏土的力学特性,无侧限抗压强度随养护时间增加而增大.Bian等[14]将高吸水性聚合物(SAP)用于水泥固化疏浚淤泥试验,研究结果表明,在水灰比一定时,SAP缓慢释水效应为水泥水化反应提供水源,促进水泥硬化,试样强度相应增大.SAP机理与PVA类似,不同在于SAP大分子链之间以氢键连接构成三维网状结构,能够有效锁水,其内部高浓度离子基团使得体系内外形成指向内部的渗透压,从而使环境中的水向体系内扩散并被锁住[15].Farkish等[16-17]利用SAP对油砂尾矿进行脱水密实处理,SAP对油砂尾矿脱水效果显著,结合冻融循环试验,降低了细尾砂的压缩性.

SAP作为一种功能性材料,已经在医药、农业等领域广泛应用,但在岩土工程中应用较少.本文将SAP用于高含水量软土加固试验,采用插板法针对不同含水量高岭土的脱水效果进行研究,探讨含水率、强度与插板次数的关系,并初步探讨SAP的回收方法.

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验用土(高岭土)产自河北石家庄灵寿县,其基本物理性质及成分见表1.试验用高吸水性聚合物(SAP)呈砂粒状,具有良好的分散性,颗粒大小为180～550 μm,吸水后呈溶胀状态,酸碱度呈中性,主要化学成分有低交联型聚丙烯酸钠88%(其中含钠24.5%)、水8%～10%、交联剂0.5%～1.0%.

表1 高岭土的基本物理性质及成分

为确定SAP吸水特性,采用茶包法[18]分别对SAP在自来水、海水、试验用泥浆(高岭土+自来水)中的吸水能力进行测试,以确定其吸水量.吸水量可表示为Q=mw/mSAP,其中mw为吸水质量,mSAP为SAP质量.试验结果表明,SAP在自来水、海水、1倍液限泥浆、1.5倍液限泥浆中的吸水量分别为155、18、13、43 g/g.SAP与水接触时,水分子通过毛细管及扩散作用向其渗透,同时其侧链上的官能团电离,产生网络内外离子浓度差,同性离子静电排斥使得高分子网络向外扩张,即在渗透压下水向其体系内扩散[19].但由于材料内部三维空间网络结构的束缚,网络有限膨胀使结构内外达到动态平衡,即吸水量达到动态平衡,如图1、2所示.由图1可见,SAP对自来水吸水量最大,而在海水中吸水量显著下降,可见盐可抑制SAP吸水.由图2可见,SAP在高含水率泥浆中的吸水能力相对较大,与水相比,SAP吸水饱和所需时间可达8～12 h,吸水效率显著下降.通过上述吸水试验发现,SAP吸水效率与溶液中的离子种类、水的状态有明显关系[20-21].

图1 SAP对海水与自来水的吸水量与时间关系曲线

图2 SAP对不同初始含水率泥浆的吸水量与时间关系曲线

1.2 试验方法

1.2.1 泥浆脱水试验

(1)模型箱制作

为便于观察,模型箱采用有机玻璃板制作,尺寸为70 cm×70 cm×70 cm.

(2)泥浆制备

因模型箱体积较大,需要预估泥浆体积,多次制样,分批将制备泥浆装入模型箱中,并用搅拌器充分搅拌.本研究为考察含水量的影响,分别制作了1倍与1.5倍液限泥浆.

(3)SAP板制作

若将SAP直接加入泥浆中,吸水后的SAP很难分离.为此,本研究将SAP颗粒用环氧树脂胶结到长70 cm、宽5 cm的有机玻璃板上,制作成吸水SAP板.SAP胶结长度依据泥浆深度确定.

(4)泥浆循环脱水

为防止SAP脱落,将SAP板装入尼龙袋内,按排距17.5 cm、行距10 cm顺序插入泥浆中,如图3所示,并用塑料薄膜封闭模型箱顶部.根据试验结果,SAP在泥浆中吸水达到最大吸水量一般需要12～24 h,如图2所示,每次试验时间控制在24 h.当达到设计时间后,将SAP板拔出,清除凝胶,搅动土样使其均匀,完成一次循环.然后,重复上述过程,进行第二次试验.

(a)模型箱

(5)试验结束条件

按每次循环吸水量与SAP板插入难易程度综合确定.

1.2.2 室内物理力学试验 泥浆经SAP板多次脱水固化后,用专用取样器取样,依据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)[22]进行室内物理力学试验.快剪试验时,法向应力分别为50、100、150、200 kPa,剪切速率为12 r/min(即水平位移速率为2.4 mm/min);无侧限抗压强度试验时,轴向位移速率为1.5 mm/min.

2 结果与分析

2.1 泥浆含水率分析

本次试验采用SAP板对初始含水率为42.3%(1倍液限)与63.5%(1.5倍液限)的泥浆进行脱水固化试验,使用SAP板次数分别为4次与11次,含水率分别降至34.9%与35.1%,SAP对泥浆脱水效果明显.从SAP板使用次数可见,当泥浆含水率较大时,因SAP板上的SAP质量相对固定,故需要较多次使用SAP板脱水,试验时间增加.由试验发现,当试样含水率较低时,安装与拆卸SAP板较困难,且对土样扰动非常大.另外,随SAP板使用次数增加,其脱水效率下降.图4给出试验中模型箱表面土样变化情况.由图可见,随SAP板使用次数增加,土样表面会出现裂缝.产生这一现象的主要原因为泥浆初始含水率较大,在自重应力下发生固结,模型箱顶部含水率大于底部,SAP对高含水率泥浆脱水效果较优,顶部脱水快于底部,故此产生裂缝.SAP主要依靠聚合物电离产生内外渗透压而吸水,而泥浆中的水进入SAP需要克服渗透阻力与静电引力,因此,SAP不可能将泥浆中的水全部脱除,即当含水率低到某一值时,SAP的脱水效果显著降低,如图2所示.当泥浆含水率随SAP板使用次数增加而降低时,SAP板效率在下降.由此可见,当使用SAP对泥浆脱水时,非常适合高含水率泥浆.本次试验进行了初始含水率分别为42.3%与63.5%的泥浆脱水试验,试验停止时的含水率基本接近35%.达到该含水率时,SAP脱水效率显著降低.真空预压法广泛应用于软土加固工程实践.赵汉亮[23]对珠海某软土地基进行真空预压加固,含水率由53.6%降至47.4%.周俊辉等[24]对越南中北部河静省奇英县吹砂造地工程软土层进行直排式真空预压加固,含水率由62%～63%降至49%～53%.刘岩等[25]对南沙地区软土真空预压加固后含水率从61.2%降到50.9%.张吕华等[26]给出浙江台州某新建港区真空预压处理浅层疏浚土,吹填落淤后上部含水率超200%,预压3个月后平均含水率降至40.4%.李千[27]采用真空预压浅层排水固结法加固厦门某吹填造地地块,浅层软土含水率由63.3%降至51.4%.高梓旺等[28]给出天津港东疆地区某软土地基真空预压加固场地加固前后含水率变化情况:吹填土含水率由27.05%降到21.83%;淤泥质土含水率由40.5%降到37.05%;淤泥含水率由60.66%降到43.84%;淤泥质粉质黏土含水率由42.89%降到32.47%;粉质黏土含水率由24.35%变为24.97%,基本不变.上述研究表明,真空预压处理后的土体含水率仍处于较高水平,含水率降低有限.考虑到现场施工条件限制,负压基本处在80 kPa左右,抽水能力有限.本文应用SAP将高含水率泥浆成功脱水到35%左右含水率,优于真空预压,另外可以说明SAP渗透压不低于80 kPa.SAP用于软土脱水具有脱水快,24 h完成吸水,SAP板安装与拆卸方便,施工周期短,且SAP可回收再利用的优点,因此SAP用于工程现场软土加固具有十分广阔的前景.

图5 SAP消耗率与平均含水率的变化

2.2 SAP吸水效率分析

SAP对泥浆的脱水效率对于工程应用至关重要.图6分别给出不同含水率泥浆SAP消耗率(S)、吸水质量比(吸水质量mw/水初始质量mw0)与使用SAP板脱水次数(n)的关系.由图可见,随SAP消耗率增大,累计吸水质量比增大,单次吸水质量比减小,1倍和1.5倍液限泥浆脱水分别约18%与45%,脱水效果明显.随脱水次数增加,单次吸水量(即Qi)在下降,表明随土样含水率逐渐降低,SAP脱水效率在下降,图7给出的吸水能力也验证了这一现象.当SAP与水接触,由亲水基团与水分子发生氢键、范德华力等作用,在离子渗透压作用下吸水,SAP板附近的水首先被吸收,远离SAP板的水需要克服渗透阻力方可被吸收,吸水效率显著下降,这也验证了随SAP板使用次数增加,吸水量下降的原因.另外,黏土渗透性差,含水率较低时,影响液态水迁移[29-30].

(a)1倍液限(42.3%)

图7 SAP吸水量与脱水次数关系

2.3 脱水后土样强度分析

采用快剪与无侧限抗压强度试验对泥浆经多次SAP脱水后的固化效果进行分析.试验中使用的土样分别为1倍液限泥浆4与5次脱水两种,以及1.5倍液限泥浆11次脱水.为保证试验结果的准确性和可重复性,制备试样时,尽量控制试样含水率、密度等,每种土样进行5组快剪试验、12组无侧限抗压强度试验,取平均值进行强度评价.

采用Origin软件[31]对快剪试验结果予以处理,如图8所示,由此得到抗剪强度参数cq和φq,见表2.由表2可见,不同初始含水率的泥浆经SAP多次脱水后,抗剪强度均得到较大增长,黏聚力达到11～12 kPa,内摩擦角在5°左右.土样由流动状态变为硬可塑状态,此时试样的含水率约为35%,与初始状态相比,含水率降低明显.

图8 SAP板脱水完成后土样抗剪强度拟合曲线

表2 抗剪强度参数

图9给出无侧限抗压强度试验得到的应力-应变关系曲线.无侧限抗压强度qu由应力与应变曲线确定,当应力-应变关系曲线有峰值点时,取峰值点应力作为无侧限抗压强度,无峰值点时,取15%应变对应应力作为无侧限抗压强度,结果见表3.由图9可见,经SAP多次脱水后,土样的应力-应变关系曲线具有缓变特征,表明土样的压缩性较大,且多数处于缓慢上升趋势,曲线无峰值点.因SAP板拆卸对土样扰动较大,模型箱不同位置土的状态差异较大,因此,所得到的应力-应变关系曲线具有一定差异,但整体趋势一致.由表3可见,不同初始含水率泥浆经多次脱水后的qu处于20.9～24.6 kPa,无侧限抗压强度较接近.由此可见,泥浆经SAP脱水后,其强度有一定提高.由试验结果可知,当场地承载力要求较低时,可用插板机将SAP板安装到淤泥等高含水率黏土场地,对淤泥进行脱水处理,24 h后将SAP板拔出,重新安装新的SAP板,经多次重复后,完成对软土的加固处理.与堆载预压、真空预压等方法相比,SAP板脱水具有施工周期较短、成本低的优势.

图9 无侧限抗压强度试验得到的应力-应变关系

表3 无侧限抗压强度结果

2.4 SAP解水方法

SAP作为一种高性能吸水材料,价格较高,因此回收利用对于节约建设成本至关重要.SAP的储水方式包括:链上的离子性基团和亲水性基团与水分子发生水合作用形成的结合水,由于渗透压作用和毛细管作用扩散到网络内的自由水,通过氢键或取向力与结合水连接并介于结合水和自由水之间的束缚水.其中结合水和束缚水的形成类似化学吸附且总量远少于自由水[19].因此,若能去除凝胶内的自由水而不破坏其网络结构,即可实现SAP回收再利用.

研究表明,不同物理和环境因素影响SAP保水性能[32].Bian等[33]将SAP自然晾晒5 h后解吸率仅3.8%,可见自然晾晒回收SAP效率极低.

Farkish等[17]采用控制酸碱度和温度的方式对水凝胶进行回收,结果表明,水凝胶在酸性环境下能够短时间解水,但其内部结构被破坏,回收后SAP再吸水能力明显降低.水凝胶在65 ℃的烘干箱内烘干36 h(轻热干燥法)具有更好的再吸水能力.Park等[34]采用海水、氯化钙(海水质量的0.5%～3.0%)与水凝胶混合10 min～4 h,结果表明,当氯化钙质量分数达3.0%时,其SAP回收率达80%～90%.Wu等[35]采用水相浓缩二甲醚(DME)系统萃取水凝胶的水,萃取率接近90%.上述研究表明,环境温度、酸碱度及离子浓度等因素对SAP保水性能影响很大.

本文采用质量分数为0.5%、1.0%、3.0%和5.0%的NaCl溶液对水凝胶进行解水试验,饱和水凝胶在盐溶液下将发生解水,将释出水的质量与水凝胶初始吸水质量的比值定义为解水率(H).试验结果如图10所示.由图10可见,水凝胶在NaCl溶液中静置20～30 min即可达到解水平衡,随NaCl质量分数增加解水率增大,5.0%NaCl溶液解水率最高,约87%,该解水率与Wu等[35]研究结果相近.在盐溶液中,水凝胶外部环境离子浓度高,产生指向外的渗透压,同时,外部环境中Na+、Ca2+等金属阳离子与SAP链上阴离子性基团相互作用,从而降低离子电荷排斥作用,网络结构收缩,释放自由水[34].

图10 水凝胶在NaCl溶液中解水率随时间变化

为进一步提高SAP回收率,通过试验研究了轻热干燥法与盐溶液浸泡相结合的效果.试验方法如下:A法为水凝胶在5.0%NaCl溶液中浸泡30 min,后轻热干燥;B法为水凝胶在5.0% CaCl2溶液中浸泡30 min,后轻热干燥;C法为轻热干燥.试验结果如图11所示.由图可见,从烘干时间看,B法最短,能量消耗小;C法最长,能量消耗大.为进一步分析回收SAP的吸水能力,图12给出了3种方法回收SAP的再吸水量(Qr).由图12可见,回收SAP的吸水能力出现不同程度下降,其中B法回收的SAP几乎丧失吸水能力,A法下降近50%,C法下降幅度较小.由此可见,尽管5.0%NaCl溶液浸泡可提高SAP回收率,但同时也损失较大吸水能力,而轻热干燥较为可取.综合回收率与再吸水能力,A法较优.

图11 水凝胶质量随时间变化曲线

图12 不同回收方法的SAP再吸水量

3 结 论

(1)初始含水率42.3%的泥浆,经4次SAP板处理,含水率降至34.9%;初始含水率63.5%的泥浆,经11次SAP板处理,含水率降至35.1%.脱水效果显著,耗时短,效率高.从脱水后土样含水率看,SAP脱水优于真空预压法.

(2)随SAP板处理次数增加,单次吸水质量比减小,脱水效率下降;初始含水率42.3%的泥浆,SAP消耗率为0.33%;初始含水率63.5%的泥浆,SAP消耗率为0.95%;初始含水率越大的泥浆,消耗的SAP越多.

(3)两种初始含水率泥浆经SAP脱水后,土样的力学特性接近,强度均得到明显提高,cq=11.5～12.7 kPa,φq=4.9°～5.8°,qu=20.9～24.6 kPa.

(4)SAP水凝胶在5.0%NaCl溶液浸泡30 min,后轻热干燥,可有效回收SAP.