基于正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的地鐵施工廢棄泥漿分離影響因素研究*

呂林海，謝開仲，王炳華，覃文杰，盧淩寰

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004； 2.南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530029； 3.廣西建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，廣西 南寧 530011)

0 引言

地鐵車站施工和區(qū)間掘進(jìn)過程中會(huì)產(chǎn)生大量泥土，同時(shí)伴隨大量廢棄泥漿產(chǎn)生。廢棄泥漿常用的處理方法有傳統(tǒng)沉淀法、土地耕作處理法、化學(xué)絮凝沉淀法[1-2]。傳統(tǒng)沉淀法采用沉淀池對(duì)泥漿進(jìn)行處理，處理場地大，時(shí)間長，由于泥漿膠體具有一定穩(wěn)定性，依靠傳統(tǒng)沉淀實(shí)現(xiàn)固液分離十分困難[1]；土地耕作處理法[2]處理場地不易選取，運(yùn)輸成本較高，且易造成二次污染；化學(xué)絮凝沉淀法[3-4]通過向泥漿加入絮凝劑，破壞泥漿體系的化學(xué)穩(wěn)定性，使水與固相顆粒快速分離，該方法處理工藝簡單、周期短，特別適合處理建筑廢棄泥漿。較多學(xué)者研究分析了化學(xué)絮凝法處理施工廢棄泥漿分離效果，結(jié)果表明，眾多絮凝劑中陰離子型聚丙烯酰胺處理效果最好[5-6]；梁止水等[7]通過泥漿快速分離試驗(yàn)，得出泥漿濃度、攪拌時(shí)間和攪拌速度對(duì)泥漿分離效果影響較大；常鴿等[8]研究了絮凝劑濃度、泥漿pH值、攪拌時(shí)間和攪拌速度對(duì)絮凝效果的影響；師雯潔等[9]通過泥漿分離試驗(yàn)分析了絮凝劑類型、投加量和攪拌對(duì)絮凝效果的影響；劉勇健[10]運(yùn)用泥漿固液正交分離試驗(yàn)得出影響絮凝效果的主次因素為混凝劑種類、泥漿濃度、攪拌時(shí)間；冷凡等[11]探討了絮凝劑種類、摻量和不同助劑對(duì)泥漿快速化學(xué)脫穩(wěn)的影響；武亞軍等[12]重點(diǎn)研究了pH值對(duì)廢棄泥漿絮凝與固結(jié)特性的影響；張欽喜等[13]研究了陰離子聚丙烯酰胺濃度、生石灰濃度及攪拌方式對(duì)泥漿分離效果的影響。目前研究主要集中在各因素對(duì)泥漿分離效果的影響，而涉及各因素對(duì)泥漿分離效果影響的主次關(guān)系研究不多。為研究各因素對(duì)泥漿分離效果影響的主次關(guān)系，選取陰離子聚丙烯酰胺為絮凝劑，基于正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)，研究絮凝劑濃度、絮凝劑分子量、泥漿pH值、攪拌速度及攪拌時(shí)間對(duì)泥漿分離效果的影響程度，得出影響因素的主次關(guān)系及最佳分離條件，以指導(dǎo)工程施工。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

廢棄泥漿來源于廣西南寧市2號(hào)線東延工程?hào)|風(fēng)路車站，根據(jù)2號(hào)線東延工程地質(zhì)勘察報(bào)告，其地層主要為粉質(zhì)黏土、砂土；絮凝劑為陰離子型聚丙烯酰胺，分子量為1 200萬～2 200萬系列樣品，呈白色粉末狀。

1.1.1泥漿理化特性

本試驗(yàn)?zāi)酀{來自廣西南寧市2號(hào)線東風(fēng)路車站施工現(xiàn)場泥漿沉淀池，呈淡黃色，密度為1.08g/cm3，膠體率為95.8%，泥漿固含率為21.55%，泥漿pH值為8～9，含水率和分散性較高。

1.1.2泥漿粒徑分布

采用濕法進(jìn)樣，通過馬爾文 2000激光衍射法粒度分析儀對(duì)泥漿進(jìn)行粒徑分析，粒徑分布特征如圖1所示。

圖1 粒徑分布

由圖1可知，泥漿中大部分顆粒為微米級(jí)別，最小粒徑為1μm，最大粒徑為522μm，粒徑主要分布為1～107μm占比80.13%，107～197μm占比11.67%，222～522μm占比5.56%，形成分散性較好的微米級(jí)別泥漿分散懸浮體系。根據(jù)GB/T 50145—2007《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》，可得出該泥漿顆粒以粉黏粒為主，主要原因是泥漿樣品取自沉淀池，大顆粒已自然沉淀，因此上述泥漿中無較大顆粒存在。

1.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

試驗(yàn)儀器設(shè)備為馬爾文2000激光衍射法粒度分析儀、TA6-4六聯(lián)程控?cái)嚢杵?、PHS-3C型精密數(shù)顯酸度儀及燒杯等。

1.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種高效、快速且經(jīng)濟(jì)的多因素試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。本試驗(yàn)指標(biāo)選取固相沉降率(上層清液體積與原泥漿體積之比)評(píng)定泥漿分離效果，試驗(yàn)包含5個(gè)因素，分別為絮凝劑濃度、分子量、泥漿pH值、攪拌速度及攪拌時(shí)間，每個(gè)因素選取4個(gè)水平。因此，選取正交表L16(45)進(jìn)行泥漿分離試驗(yàn)[14]，各因素水平如表1所示。

表1 因素水平

從泥漿沉淀池中取100mL泥漿樣品，該泥漿以黏土為主，放入300mL燒杯中，按表1開展試驗(yàn)，靜止沉降30min，觀察絮體大小、上層清液體積。由試驗(yàn)可得，試驗(yàn)編號(hào)為8，9，10的泥漿分離效果最好(見圖2)，上層清液體積較大，且清澈，具體試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)編號(hào)17為對(duì)比試驗(yàn)，該編號(hào)未對(duì)泥漿做任何處理，靜止沉降30min，固相沉降率為0，說明該泥漿無法通過靜置分離法處理，這也和李沖等[5]、梁止水等[7]和師雯潔等[9]的試驗(yàn)結(jié)果一致。

圖2 分離效果

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)因素優(yōu)水平及極差分析

根據(jù)表2所示正交試驗(yàn)結(jié)果，分別計(jì)算各因素對(duì)應(yīng)不同水平的試驗(yàn)指標(biāo)平均值及相應(yīng)極差，如表3所示。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果

表3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在考察絮凝劑濃度對(duì)泥漿分離效果影響的4組試驗(yàn)中，絮凝劑分子量、泥漿pH值、攪拌速度、攪拌時(shí)間各水平均出現(xiàn)1次，假設(shè)不考慮上述因素的交互作用，可認(rèn)為絮凝劑分子量、泥漿pH值、攪拌速度、攪拌時(shí)間4個(gè)因素各水平的不同組合對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)無影響，因此，對(duì)于絮凝劑濃度的4個(gè)水平來說，4組試驗(yàn)條件完全一樣。假設(shè)絮凝劑濃度對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)無影響，那么絮凝劑濃度4個(gè)均值應(yīng)相等，但由表3可知，絮凝劑濃度的4個(gè)均值并不相等，這是由絮凝劑濃度不同水平變化造成，因此，均值大小反映絮凝劑濃度不同水平對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)(固相沉降率)影響的大小，由于試驗(yàn)指標(biāo)越大越好，因此，可判斷0.1g/L為絮凝劑濃度的優(yōu)水平。同理，可判斷絮凝劑分子量、泥漿pH值、攪拌速度、攪拌時(shí)間的優(yōu)水平分別為1 800萬，7，70r/min，180s。

根據(jù)極差大小，可得出各試驗(yàn)因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)影響的主次順序，即絮凝劑濃度影響最大，其次是泥漿pH值及攪拌時(shí)間，影響最小的為絮凝劑分子量和攪拌速度。

2.2 驗(yàn)證試驗(yàn)

對(duì)各因素的優(yōu)水平進(jìn)行驗(yàn)證，重復(fù)3次試驗(yàn)，固相沉降率平均值為60.8%。因此，最佳泥漿分離條件為絮凝劑濃度為0.1g/L、分子量為1 800萬、pH值為7、攪拌速度為70r/min、攪拌時(shí)間為180s。

2.3 絮凝劑對(duì)泥漿分離效果的影響

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，絮凝劑對(duì)固相沉降率的影響如圖3所示。

圖3 絮凝劑對(duì)固相沉降率的影響

由圖3a可知，固相沉降率隨絮凝劑濃度的增加先增大后減小，絮凝劑濃度為0.1g/L時(shí)達(dá)到最大值，即存在最佳濃度，主要原因?yàn)樾跄齽舛?0.1g/L，絮凝劑較少無法完全吸附全部固體顆粒，團(tuán)聚效果不明顯，形成的絮團(tuán)較松散，而達(dá)到適宜濃度前，這種松散絮團(tuán)的數(shù)量會(huì)隨絮凝劑濃度的增大而增加；絮凝劑濃度為0.1g/L時(shí)效果最好，有60.8mL清液產(chǎn)生。當(dāng)絮凝劑濃度從0.1g/L增加到0.13g/L時(shí)，固相沉降率從60.8%降低至58.1%，這是因?yàn)樾跄齽舛冗^大時(shí)，顆粒表面被高分子覆蓋，高分子不能通過“搭橋”方式對(duì)顆粒產(chǎn)生絮凝作用，反而起到保護(hù)作用，使形成的絮凝體重新變成穩(wěn)定的膠體，影響絮凝效果。一般情況下，泥漿分離效果隨絮凝劑濃度的增加而變好，但絮凝劑的濃度達(dá)到峰值后，再增加絮凝劑濃度，泥漿分離效果反而下降，所以絮凝劑最佳濃度不是理論推導(dǎo)出來的，而是從試驗(yàn)中測定出來的。

由圖3b可知，固相沉降率隨著絮凝劑分子量的增加先增大后減小，絮凝劑分子量為1 800萬時(shí)達(dá)到最大值，即存在最佳分子量。這是因?yàn)楫?dāng)分子量<1 800 萬時(shí)，絮凝劑分子量較小，對(duì)膠體顆粒的捕集和橋連不利，不易形成絮體，當(dāng)分子量不斷增大時(shí)，絮凝劑分子量越大分子鏈越長，對(duì)膠體的吸附及橋架作用越明顯，當(dāng)分子量為1 800萬時(shí)，絮凝效果最好，有59.5mL清液產(chǎn)生；當(dāng)分子量從1 800萬增加到2 200萬時(shí)，絮凝效果反而變差，這是因?yàn)榉肿恿吭酱螅肿渔溇驮介L，絮凝劑溶液的黏度就會(huì)越大，在溶液中的阻力則越大，同樣影響絮凝效果。

2.4 攪拌對(duì)泥漿分離效果的影響

攪拌對(duì)泥漿分離效果的影響如圖4所示。

圖4 攪拌對(duì)泥漿分離效果的影響

由圖4a可知，固相沉降率隨著攪拌速度的增加先增大后減小，攪拌速度為70r/min時(shí)達(dá)到最大值，即存在最佳攪拌速度。這是因?yàn)閿嚢杷俣容^小時(shí)，絮凝劑和固體顆粒不能充分接觸，不利于絮凝劑捕集膠體顆粒，且絮凝劑濃度分布也不均勻，更不利于絮凝劑發(fā)揮作用。攪拌速度為70r/min時(shí)，固相沉降率最大，產(chǎn)生59.0mL清液，是因?yàn)楹线m的攪拌速度會(huì)引起液體中速度梯度的形成，從而引起微粒間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，造成微粒的相互碰撞，絮凝劑與微?？杀M快形成橋架作用，加快絮凝過程。當(dāng)攪拌速度從70r/min增加到80r/min時(shí)，固相沉降率反而從59.0%降低至58.7%，這是因?yàn)閿嚢杷俣冗^快會(huì)破壞絮凝劑與微粒的橋架作用，對(duì)已形成的絮體造成破壞。

由圖4b可知，固相沉降率隨攪拌時(shí)間呈波動(dòng)狀變化，固相沉降率先變大再變小，最后又有所回升，但未回升到最大固相沉降率。攪拌時(shí)間為180s時(shí)，固相沉降率達(dá)到最大值，即存在最佳攪拌時(shí)間，這是因?yàn)槌跏茧A段，攪拌時(shí)間較短，絮凝劑濃度分布不均勻，絮凝劑與泥漿顆粒接觸不充分，影響絮凝效果；當(dāng)攪拌時(shí)間增加到180s時(shí)，絮凝劑與泥漿顆粒已充分接觸，絮凝效果最好，有60.0mL清液產(chǎn)生；當(dāng)攪拌時(shí)間為210s時(shí)，固相沉降率反而降低至57.5%，這是因?yàn)閿嚢钑r(shí)間過長，對(duì)已形成的絮體又造成破壞；當(dāng)攪拌時(shí)間達(dá)到240s時(shí)，固相沉降率又從57.5%增加至58.4%，但<60.0%，說明部分被破壞的絮體又重新形成新的絮體，但并不是所有被破壞的絮體都能形成新的絮體。

2.5 pH值對(duì)絮凝效果的影響

pH值對(duì)絮凝效果的影響如圖5所示。

圖5 pH值對(duì)絮凝效果的影響

由圖5可知，固相沉降率隨著pH值的增加先增大后減小，pH值為7時(shí)，固相沉降率達(dá)到最大值，即存在最佳pH值；pH值為5時(shí)，固相沉降率最小，這是因?yàn)镠+較多，與絮凝劑長鏈上的羧酸根離子(—COO—)發(fā)生反應(yīng)生成羧酸基(—COOH)，造成絮凝劑長鏈上剩余的羧酸根離子(—COO—)間的靜電排斥力減弱，絮凝劑長鏈的舒展度降低，解離程度降低，吸附橋架能力降低，絮凝作用較弱；pH值為7時(shí)，H+濃度降低，加大絮凝劑解離程度，增強(qiáng)橋架能力，絮凝效果最好，有59.5mL清液產(chǎn)生；pH值為8時(shí)，絮凝劑長鏈由于舒展度太大而變得僵直，甚至?xí)山宦?lián)的凝膠，反而使其吸附橋架能力降低，絮凝作用減弱[15]。雖然pH值為8時(shí)的固相沉降率比pH值為7時(shí)的固相沉降率小，但固相沉降率只相差1.3%，在某種程度下可忽略不計(jì)。該車站泥漿pH值為7～8，因此，在實(shí)際泥漿處理時(shí)，不必對(duì)泥漿pH值進(jìn)行調(diào)整，直接處理即可。

3 結(jié)語

為定量研究各因素對(duì)地鐵施工廢棄泥漿分離效果的影響，進(jìn)行泥漿分離影響因素試驗(yàn)研究。采用陰離子聚丙烯酰胺為絮凝劑，通過正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)法研究絮凝劑濃度、分子量、泥漿pH值、攪拌速度及時(shí)間對(duì)泥漿分離效果的影響，得出以下結(jié)論。

1)對(duì)于粉質(zhì)黏土類泥漿，各因素對(duì)泥漿分離效果影響的主次順序?yàn)樾跄齽舛?泥漿pH值>攪拌時(shí)間>絮凝劑分子量>攪拌速度，在實(shí)際工程中進(jìn)行泥漿處理時(shí)，應(yīng)抓住影響泥漿分離效果的主要影響因素，以獲得泥漿最佳分離效果；根據(jù)因素的主次關(guān)系可得，絮凝劑濃度對(duì)泥漿分離效果影響最大，由于絮凝劑價(jià)格較高，在實(shí)際工程中，應(yīng)通過試驗(yàn)確定絮凝劑最佳濃度，既滿足泥漿處理效果，又要達(dá)到經(jīng)濟(jì)可行的目的。

2)固相沉降率隨絮凝劑濃度、泥漿pH值、絮凝劑分子量、攪拌速度的增加而先增大再減?。浑S攪拌時(shí)間的增加先增大再減小，最后有所回升，但無法回升到最大固相沉降率，曲線呈波動(dòng)狀。

3)根據(jù)固相沉降率和各因素的曲線關(guān)系，得出最佳泥漿分離條件為絮凝劑濃度為0.1g/L、分子量為1 800萬、pH值為7、攪拌速度為70r/min、攪拌時(shí)間為180s，為現(xiàn)場泥漿處理提供了數(shù)據(jù)支撐。

4)根據(jù)驗(yàn)證試驗(yàn)，固相沉降率平均值為60.8%，即100mL的泥漿中能分離出60.8mL的水，分離效果明顯，對(duì)粉質(zhì)黏土類泥漿分離處理具有一定的借鑒意義。