濱海淤泥質(zhì)吹填土泥漿絮凝脫水試驗研究

孫雨涵,周曉朋，李怡，李艷坤，孫玉恒，譚再坤

（1.重慶交通大學河海學院，重慶400074；2.重慶交通大學土木建筑學院，重慶400074；3.天津大學渤海軟土地基處理技術(shù)聯(lián)合研究院，河北061113）

濱海淤泥質(zhì)吹填土泥漿絮凝脫水試驗研究

孫雨涵1,周曉朋1，李怡1，李艷坤1，孫玉恒2，譚再坤3

（1.重慶交通大學河海學院，重慶400074；2.重慶交通大學土木建筑學院，重慶400074；3.天津大學渤海軟土地基處理技術(shù)聯(lián)合研究院，河北061113）

研究了天津、連云港兩地高濃度淤泥質(zhì)吹填土泥漿，在添加高分子量的陽離子（CPAM）、陰離子（APAM）、非離子（NPAM）聚丙烯酰胺、聚合氯化鋁（PAC）及“有機、無機”混合溶劑后，真空抽濾泥餅含水率的變化過程。試驗結(jié)果表明，兩地吹填土泥餅含水率變化過程相似，各類絮凝劑都可以使吹填泥漿形成膠體并發(fā)生沉降，且能使吹填土泥餅含水率降低，泥水分離現(xiàn)象明顯。PAC+CPAM組合絮凝效果最為理想，天津地區(qū)吹填土泥餅含水率由未添加絮凝劑的387.39%降低至83.06%，連云港地區(qū)吹填土泥餅含水率由未添加絮凝劑的347.17%降低至73.26%。

吹填土；絮凝；泥餅含水率

近年來我國圍海造陸和擴建碼頭等工程的興起，需要大量的吹填土，而在很多沿海地區(qū)，以淤泥質(zhì)為主。由于淤泥質(zhì)土的承載能力低、含水率高、排水能力差，很難將其直接利用。目前國際上較為先進的方法是將疏浚泥進行固化處理，向疏浚泥中加入固化材料使處理后的改性土具有良好的工程特性。但由于水泥、生石灰等固化劑不僅造價昂貴且效果并不理想，很難在實際工程中得到推廣。

在真空預壓、膜袋圍堰等工程中，吹填土的排水能力直接影響了施工效率及施工的可能性，該性能的好壞尤為重要。通過投加高分子類絮凝劑，其內(nèi)部的極性基團能與淤泥膠質(zhì)微粒發(fā)生化學反應，中和微粒表面的電荷，壓縮雙電層，并結(jié)合其橋架作用凝聚成大的顆粒絮體，使水分從中分離出來，從而提高淤泥的脫水性能。真空抽濾泥餅含水率（以下簡稱泥餅含水率）是衡量淤泥脫水性能的有效指標，本文通過對絮凝后的淤泥質(zhì)吹填土泥漿，施加1標準大氣壓的真空壓力，分析泥餅含水率的高低，了解吹填土泥漿的排水能力與絮凝劑添加之間的關(guān)系。淤泥質(zhì)土絮凝處理分析在污泥處理等領(lǐng)域應用廣泛，但對濱海地區(qū)吹填土的研究較少，本試驗向吹填泥漿添加不同類型聚丙烯酰胺，從泥餅含水率的角度出發(fā)，并結(jié)合試驗現(xiàn)象，為高分子類絮凝劑在吹填工程中的應用提供一定參考［1-8］。

1 試驗

1.1實驗材料

試驗用土取自天津南港、連云港圍海造陸項目，編號為TJ、LYG，均為淤泥質(zhì)混合土。試驗藥劑為有機高分子聚丙烯酰胺：陽離子型（CPAM）、陰離子型（APAM）、非離子型聚丙烯酰胺（NPAM），無機聚合氯化鋁（PAC）。

1.2實驗方法

將采集的吹填土進行烘干稱重，與水按質(zhì)量比1：5進行配漿，移取若干份同質(zhì)量的溶液置于燒杯中，以遞增的順序分別添加不同量、不同類型絮凝劑，快速攪拌20 s，再慢速攪拌10 s靜置，觀察絮凝現(xiàn)象。試劑采用已知刻度滴管逐管逐滴加入，加藥量按每升吹填土泥漿加藥量mg數(shù)計。本試驗應用SHZ-D（Ⅲ）循環(huán)水式多用真空泵進行抽濾。測定時先在布氏漏斗中放置濾紙（已烘干）并用蒸餾水噴濕，開動真空泵把玻璃管中抽成負壓（濾紙緊貼漏斗后關(guān)閉真空泵），將混合好的泥樣倒入漏斗，再次開動真空泵使污泥脫水，觀察淤泥從過濾到形成泥餅的現(xiàn)象。為保證實驗條件的一致性并在滿壓狀態(tài)下進行，抽濾時間限定為1 min，將泥餅從漏斗上剝離，并在105℃下烘干稱重。如式（1）所示，計算各條件下的泥餅含水率

式中：m1為坩堝質(zhì)量，g；m2為坩堝和濕泥餅的質(zhì)量，g；m3為坩堝和干泥餅的質(zhì)量，g；ω為泥餅含水率，%。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1添加CPAM時吹填泥漿泥餅含水率變化

在對未添加絮凝劑的TJ、LYG吹填泥漿試驗中測得，兩地的泥餅含水率分別為387.39%和347.17%，排水速度緩慢，排水能力較差。TJ、LYG兩地吹填泥漿添加陽離子聚丙烯酰胺后，泥餅含水率變化趨勢如圖1所示。隨著CPAM用量的增加，泥餅含水率先急劇下降，后緩慢提高。結(jié)合表1所示，當TJ、LYG兩地CPAM添加量均為150 mg/L時達到最低含水率，分別為83.28%、73.97%。這是因為加入一定量的CPAM后，電中和作用能有效地降低水化層厚度，減小顆粒間的斥力，破壞了分散系的穩(wěn)定性，最終使其聚凝，并易于脫水。隨著CPAM的用量逐漸增加，泥餅含水率并未隨著絮團的變大而繼續(xù)降低，絮凝效果的改善并未帶來排水能力的提升，這可能是因為CPAM橋架作用的增強使絮團的排水通道受到阻礙。

2.2添加APAM時吹填泥漿泥餅含水率變化

兩地吹填土泥漿中添加陰離子聚丙烯酰胺后，泥餅含水率變化趨勢如圖2所示，隨著APAM添加量的逐漸增加，泥餅含水率同樣呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。結(jié)合表2所示，當TJ、LYG兩地APAM添加量為100 mg/L時，含水率達到最低，分別為163.14%、105.99%。在APAM添加量為150 mg/L、250 mg/L時絮團如塊狀，相比于添加量為100 mg/L時的排水能力降低。這是因為在100 mg/L添加量時達到一個最佳含水率，在此基礎(chǔ)上再加大APAM用量，過多的負電荷再次包圍著淤泥顆粒形成穩(wěn)態(tài)分散系，阻礙了細小顆粒的絮凝沉降，導致固液分離困難，泥餅含水率上升。在添加量為250 mg/L時，排水能力與未加絮凝劑時的效果一致，橋架作用的提高并未促進排水能力的提升。由于APAM的加入，其電中和作用呈現(xiàn)由增到減的趨勢，因此一味的加大絮凝劑用量，單一考慮橋架作用的提高而忽略電中和作用亦不能達到理想的排水效果。

表1天津和連云港填土泥漿CPAM添加量與絮凝效果關(guān)系Tab.1Tianjin and Lianyungang mud dredger fill relationship with CPAM flocculation effect of the added amount

圖1 CPAM作用下兩地泥餅含水率Fig.1 Effect of CPAM on the water content of sludge cake in two areas

圖2 APAM作用下兩地泥餅含水率Fig.2 Effect of APAM on the water content of sludge cake in two areas

結(jié)合以上試驗說明在添加絮凝劑后，橋架作用和電中和作用二者共同發(fā)揮作用時（絮凝劑用量少的情況下），排水能力能得到有效提高，但隨著絮凝劑用量的提高，電中和作用削弱，橋架作用的增強抑制了絮團的排水能力。

2.3添加NPAM時吹泥餅含水率變化

兩地吹填土泥漿中添加非離子聚丙烯酰胺后，泥餅含水率變化趨勢如圖3所示。分析圖3可知，隨著NPAM用量逐漸增加，含水率呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，結(jié)合表3所示，絮團效果與泥餅含水率效果一致，絮團越大排水能力越高。TJ、LYG兩地NPAM添加量均為250 mg/L時，泥餅含水率達到最低分別為116.75%、93.69%。根據(jù)文獻［3］的介紹,NPAM的加入具有一定的電中和作用，顆粒表面動電電位也處于一個穩(wěn)定的區(qū)間，其電中和作用并未受絮凝劑添加量的影響，也未受抑制，排水能力也得到提高，這與CPAM與APAM的情況有所不同。

圖3NPAM作用下兩地泥餅含水率Fig.3Effect of NPAM on the water content of sludge cake in two areas

2.4PAC+CPAM共同作用下吹填泥漿顆粒表面電位變化

為了獲得更好的脫水效果，本次試驗嘗試使用無機和有機絮凝劑共同作用分析兩地吹填泥漿的脫水效果。兩地試驗土優(yōu)先添加333 mg/L的PAC，再添加不同用量的CPAM，泥餅含水率變化趨勢如圖4、圖5所示，有PAC加入的情況下，TJ、LYG兩地土的泥餅含水率均低于單純加CPAM的情況，二者共同作用降低泥餅含水率的效果明顯，說明預先添加PAC能很好地提升排水能力。結(jié)合表4所示，TJ、LYG泥漿均在CPAM添加50 mg/L時，PAC的加入能顯著提高排水能力，兩地CPAM添加量均為100 mg/L時，泥餅含水率達到最低分別為83.06%、73.26%，在添加量為150 mg/L之后排水能力最佳并與單獨添加CPAM時趨勢大體一致。

2.5PAC+NPAM共同作用下泥餅含水率變化

本次對兩地試驗土采用無機PAC+有機NPAM的試驗方案。方案優(yōu)先添加PAC，其用量分別為667 mg/L、1 000 mg/L、1 333 mg/L、2 000 mg/L，并在各用量的基礎(chǔ)上添加50 mg/L、100 mg/L、150 mg/L、200 mg/L、250 mg/L的NPAM，TJ、LYG兩地泥餅含水率變化趨勢如圖6、圖7所示，兩地泥餅含水率變化趨勢有所不同。對于TJ試驗土，如圖6所示，與單獨添加NPAM相比，在初始PAC添加量較低時，隨著NPAM的加入泥餅含水率同樣呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，且各點的泥餅含水率均有所降低。但在添加量為2 000 mg/L的PAC+NPAM作用下，泥餅含水率與其他添加量相比有所提高。結(jié)合表5所示，TJ泥漿隨著NPAM的加入，泥餅含水率也像絮凝現(xiàn)象那樣隨著絮團的增大而逐漸降低，且在667 mg/L PAC+150 mg/L NPAM作用下時出現(xiàn)最低含水率為96.6%。對于LYG試驗土，如圖7所示，與單獨添加NPAM相比，泥餅含水率并未隨PAC的添加量逐漸增加而降低。在PAC添加量為667 mg/L、1 333 mg/L、2 000 mg/L時，與單獨添加NPAM相比，對應各點的泥餅含水率均有所提高，但在PAC添加量為1 000 mg/L時，泥餅含水率有所降低，結(jié)合表5所示，LYG泥漿在1 000 mg/L PAC+100 mg/L NPAM作用下出現(xiàn)最低泥餅含水率為92.83%。

表2天津和連云港填土泥漿APAM添加量與絮凝效果關(guān)系Tab.2Tianjin and Lianyungang mud dredger fill relationship with APAM flocculation effect of the added amount

表3天津和連云港填土泥漿NPAM添加量與絮凝效果關(guān)系Tab.3Tianjin and Lianyungang mud dredger fill relationship with NPAM flocculation effect of the added amount

表4天津和連云港填土泥漿333 mg/L的PAC+CPAM添加量與絮凝效果關(guān)系Tab.4Tianjin and Lianyungang mud dredger 333mg/L fill relationship with PAC+ CPAM flocculation effect of the added amount

表5天津吹填土泥漿667 mg/L的PAC+NPAM和連云港1 000 mg/L的PAC+ NPAM添加量與絮凝效果關(guān)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

結(jié)合以上試驗說明，在PAC用量較少時，其電中和作用有利于CPAM、NPAM的橋架作用的發(fā)揮，排水能力得到提升，但隨著PAC用量的增加，其電中和作用逐漸削弱，橋架作用受到抑制，排水受阻，泥餅含水率上升。此變化趨勢亦證明了以上觀點，即絮凝處理濱海淤泥質(zhì)吹填土泥漿，需綜合考慮電中和作用及橋架作用，才能獲得較理想的結(jié)果。

圖4333PAC+CPAM作用下兩地泥餅含水率Fig.4Effect of 333PAC+CPAM on the water content of sludge cake in two areas

圖5TJ、LYG添加與未添加PAC兩地泥餅含水率Fig.5Effect of added and not added PAC on the water content of sludge cake in two areas

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

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

3 結(jié)論

（1）本文針對天津、連云港兩地高濃度濱海淤泥質(zhì)吹填泥漿添加高分子類材料進行絮凝處理，幾種材料均能產(chǎn)生一定的效果，尤其是CPAM、NPAM及“PAC+CPAM”絮凝劑，試驗結(jié)果表明兩地吹填土絮凝處理為其進一步加以應用的方案可行。兩地高淤泥質(zhì)吹填泥漿添加絮凝劑處理，變化趨勢相似，表明本次針對吹填土絮凝試驗具有一定的代表性。

（2）基于泥餅含水率分析，兩地吹填泥漿絮凝處理結(jié)果表明，單一加入陽離子產(chǎn)生電中和作用或通過添加大量絮凝劑用量而達到橋架作用，都不能獲得良好的絮凝效果，二者具有相關(guān)性需要綜合考慮。

（3）不同類型絮凝劑對兩地吹填泥漿沉降性、排水速度和排水程度有不同影響。其中PAC與CPAM組合處理吹填泥漿效果最好，天津地區(qū)吹填土泥餅含水率由未添加絮凝劑的387.39%降低至83.06%，連云港地區(qū)吹填土泥餅含水率由未添加絮凝劑的347.17%降低至73.26%。在排水能力要求不高的情況下，少量PAC的添加能大幅提高排水能力并能節(jié)約工程造價，具有一定的經(jīng)濟優(yōu)勢。

（4）泥餅含水率是絮團排水能力的體現(xiàn)，能有效地評價絮凝效果的好壞。本文通過添加高分子類絮凝劑，在真空壓力下針對吹填泥漿的排水能力進行研究，為天津、連云港兩地絮凝劑選型提供參考依據(jù)。

（5）關(guān)于絮凝土能否合理的應用到地基處理、圍堰等實際工程中，還需進一步探討，改性土的強度、經(jīng)濟性等問題，仍需進一步研究。

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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

孫雨涵(1991-)，女，山東省人，碩士研究生，主要從事港口、海岸及近海方面研究。

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