張 金 利, 翟 浩 宇, 侯 棟 友

(1.大連理工大學(xué) 巖土工程研究所, 遼寧 大連 116024;2.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116024)

0 引 言

軟土因含水量高、壓縮性大、強(qiáng)度低等不良工程特性,一般無(wú)法滿足工程建設(shè)要求,為此需要對(duì)其進(jìn)行人工加固處理.另外,我國(guó)每年因港口、航道、河湖、水庫(kù)等建設(shè)、疏浚工程產(chǎn)生大量疏浚淤泥.據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)在21世紀(jì)初疏浚淤泥海洋傾倒量已超過(guò)1×108m3[1].蘇州地區(qū)年擬規(guī)劃實(shí)施河道疏?？僧a(chǎn)生1 000×104m3淤泥[2],三峽水庫(kù)2003～2018年壩前河段累積淤積泥沙約1.7×108m3[3].有效處理與利用疏浚淤泥對(duì)于緩解土地資源緊張問(wèn)題具有重要意義.

軟土加固技術(shù)一般可分為化學(xué)固化和物理固化兩類.化學(xué)固化一般在軟土中加入特定配方的固化劑,通過(guò)固化劑與水、礦物等的化學(xué)反應(yīng)提高軟土強(qiáng)度.盡管固化劑種類較多,但主要由水泥、石灰、工業(yè)固體廢料(如粉煤灰、鋼渣、堿渣、電石渣等)、其他外加劑等構(gòu)成,其主要機(jī)制為通過(guò)膠凝材料的水化反應(yīng),產(chǎn)生空間網(wǎng)絡(luò)將土顆粒包裹,同時(shí)消耗水分,進(jìn)而提高土的強(qiáng)度.徐日慶等[4]以試驗(yàn)研究了加入粉煤灰與生石灰的濱海淤泥的強(qiáng)度特性,試驗(yàn)結(jié)果表明,在最優(yōu)配比下,14 d的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)500 kPa.Du等[5]以草木灰作為硅源、以電石渣與氫氧化鈉作為激發(fā)劑,試驗(yàn)研究了地聚物對(duì)海相軟黏土的加固效果,試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)加入電石渣、草木灰、氫氧化鈉的比例分別為16%、13%、0.8%時(shí),28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可高達(dá)900 kPa.俞家人等[6]探討了礦渣在氫氧化鈉與水玻璃不同模數(shù)下對(duì)軟土的加固效果,在模數(shù)為1.2時(shí),無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)4.37 MPa,加固效果明顯.陳偉等[7]采用JCW軟土膠結(jié)劑研究其對(duì)軟土固化效果,探討了固化劑對(duì)軟土液塑限影響,分析了固化機(jī)制.從已有的研究結(jié)果可見(jiàn),化學(xué)固化可分為兩類:一類加水泥或石灰等典型膠凝材料,通過(guò)膠凝材料的水化反應(yīng)生成空間網(wǎng)絡(luò)固定土顆粒;另一類加粉煤灰或鋼渣等典型工業(yè)固體廢棄物,構(gòu)成硅源或鈣源,然后通過(guò)堿激發(fā),使硅源或鈣源出現(xiàn)地質(zhì)聚合反應(yīng),產(chǎn)生水化硅酸鈣或水化硅鋁酸鈣等膠凝材料,這種膠凝材料同樣具有空間網(wǎng)絡(luò),進(jìn)而固定土顆粒.另外,在地質(zhì)聚合過(guò)程中,因水化反應(yīng)使得土中的液態(tài)水參與膠凝材料形成,以結(jié)晶水形態(tài)存在于膠凝材料中,土中的自由水轉(zhuǎn)換為結(jié)晶水,由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài).后一種方法的優(yōu)勢(shì)在于可有效利用工業(yè)固體廢棄物,具有良好的低碳環(huán)保特性.物理固化軟土是一種應(yīng)用較為廣泛的工程方法.蔡烽[8]討論了堆載預(yù)壓下,塑料排水板深度、間距等對(duì)固化效果的影響,采用太沙基一維固結(jié)理論對(duì)固結(jié)過(guò)程進(jìn)行了分析.譚舟洋[9]采用真空堆載法對(duì)路基進(jìn)行加固,討論了砂墊層厚度、排水管布設(shè)對(duì)固結(jié)的影響.可見(jiàn),該方法為縮短滲徑、減少固結(jié)時(shí)間、加速土體固結(jié)并提高強(qiáng)度常設(shè)置砂井、排水板等排水通道[10-11].上述的物理脫水法可形成超孔壓或負(fù)壓,使孔隙水在預(yù)設(shè)排水通道排除,這種方法耗時(shí)長(zhǎng),工程量大,加固效果不理想.

上述研究表明,軟土處理的核心問(wèn)題之一在于水分的去除或改變水的存在形態(tài)[12].隨著新材料的發(fā)展和實(shí)踐,親水性高分子材料因造價(jià)低、效率高、污染性低等特點(diǎn)逐漸被引入淤泥固化中.Mirzababaei等[13]用兩種聚合物(聚乙烯醇(PVA)、丁烷四羧酸(BTCA))改善膨脹性黏土的工程特性.試驗(yàn)結(jié)果表明,加入微量的兩種親水性聚合物可顯著改善膨脹性黏土的力學(xué)特性,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間增加而增大.Bian等[14]將高吸水性聚合物(SAP)用于水泥固化疏浚淤泥試驗(yàn),研究結(jié)果表明,在水灰比一定時(shí),SAP緩慢釋水效應(yīng)為水泥水化反應(yīng)提供水源,促進(jìn)水泥硬化,試樣強(qiáng)度相應(yīng)增大.SAP機(jī)理與PVA類似,不同在于SAP大分子鏈之間以氫鍵連接構(gòu)成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),能夠有效鎖水,其內(nèi)部高濃度離子基團(tuán)使得體系內(nèi)外形成指向內(nèi)部的滲透壓,從而使環(huán)境中的水向體系內(nèi)擴(kuò)散并被鎖住[15].Farkish等[16-17]利用SAP對(duì)油砂尾礦進(jìn)行脫水密實(shí)處理,SAP對(duì)油砂尾礦脫水效果顯著,結(jié)合凍融循環(huán)試驗(yàn),降低了細(xì)尾砂的壓縮性.

SAP作為一種功能性材料,已經(jīng)在醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用,但在巖土工程中應(yīng)用較少.本文將SAP用于高含水量軟土加固試驗(yàn),采用插板法針對(duì)不同含水量高嶺土的脫水效果進(jìn)行研究,探討含水率、強(qiáng)度與插板次數(shù)的關(guān)系,并初步探討SAP的回收方法.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土(高嶺土)產(chǎn)自河北石家莊靈壽縣,其基本物理性質(zhì)及成分見(jiàn)表1.試驗(yàn)用高吸水性聚合物(SAP)呈砂粒狀,具有良好的分散性,顆粒大小為180～550 μm,吸水后呈溶脹狀態(tài),酸堿度呈中性,主要化學(xué)成分有低交聯(lián)型聚丙烯酸鈉88%(其中含鈉24.5%)、水8%～10%、交聯(lián)劑0.5%～1.0%.

表1 高嶺土的基本物理性質(zhì)及成分

為確定SAP吸水特性,采用茶包法[18]分別對(duì)SAP在自來(lái)水、海水、試驗(yàn)用泥漿(高嶺土+自來(lái)水)中的吸水能力進(jìn)行測(cè)試,以確定其吸水量.吸水量可表示為Q=mw/mSAP,其中mw為吸水質(zhì)量,mSAP為SAP質(zhì)量.試驗(yàn)結(jié)果表明,SAP在自來(lái)水、海水、1倍液限泥漿、1.5倍液限泥漿中的吸水量分別為155、18、13、43 g/g.SAP與水接觸時(shí),水分子通過(guò)毛細(xì)管及擴(kuò)散作用向其滲透,同時(shí)其側(cè)鏈上的官能團(tuán)電離,產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)內(nèi)外離子濃度差,同性離子靜電排斥使得高分子網(wǎng)絡(luò)向外擴(kuò)張,即在滲透壓下水向其體系內(nèi)擴(kuò)散[19].但由于材料內(nèi)部三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的束縛,網(wǎng)絡(luò)有限膨脹使結(jié)構(gòu)內(nèi)外達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,即吸水量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,如圖1、2所示.由圖1可見(jiàn),SAP對(duì)自來(lái)水吸水量最大,而在海水中吸水量顯著下降,可見(jiàn)鹽可抑制SAP吸水.由圖2可見(jiàn),SAP在高含水率泥漿中的吸水能力相對(duì)較大,與水相比,SAP吸水飽和所需時(shí)間可達(dá)8～12 h,吸水效率顯著下降.通過(guò)上述吸水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),SAP吸水效率與溶液中的離子種類、水的狀態(tài)有明顯關(guān)系[20-21].

圖1 SAP對(duì)海水與自來(lái)水的吸水量與時(shí)間關(guān)系曲線

圖2 SAP對(duì)不同初始含水率泥漿的吸水量與時(shí)間關(guān)系曲線

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 泥漿脫水試驗(yàn)

(1)模型箱制作

為便于觀察,模型箱采用有機(jī)玻璃板制作,尺寸為70 cm×70 cm×70 cm.

(2)泥漿制備

因模型箱體積較大,需要預(yù)估泥漿體積,多次制樣,分批將制備泥漿裝入模型箱中,并用攪拌器充分?jǐn)嚢?本研究為考察含水量的影響,分別制作了1倍與1.5倍液限泥漿.

(3)SAP板制作

若將SAP直接加入泥漿中,吸水后的SAP很難分離.為此,本研究將SAP顆粒用環(huán)氧樹脂膠結(jié)到長(zhǎng)70 cm、寬5 cm的有機(jī)玻璃板上,制作成吸水SAP板.SAP膠結(jié)長(zhǎng)度依據(jù)泥漿深度確定.

(4)泥漿循環(huán)脫水

為防止SAP脫落,將SAP板裝入尼龍袋內(nèi),按排距17.5 cm、行距10 cm順序插入泥漿中,如圖3所示,并用塑料薄膜封閉模型箱頂部.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,SAP在泥漿中吸水達(dá)到最大吸水量一般需要12～24 h,如圖2所示,每次試驗(yàn)時(shí)間控制在24 h.當(dāng)達(dá)到設(shè)計(jì)時(shí)間后,將SAP板拔出,清除凝膠,攪動(dòng)土樣使其均勻,完成一次循環(huán).然后,重復(fù)上述過(guò)程,進(jìn)行第二次試驗(yàn).

(a)模型箱

(5)試驗(yàn)結(jié)束條件

按每次循環(huán)吸水量與SAP板插入難易程度綜合確定.

1.2.2 室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn) 泥漿經(jīng)SAP板多次脫水固化后,用專用取樣器取樣,依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50123—2019)[22]進(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn).快剪試驗(yàn)時(shí),法向應(yīng)力分別為50、100、150、200 kPa,剪切速率為12 r/min(即水平位移速率為2.4 mm/min);無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí),軸向位移速率為1.5 mm/min.

2 結(jié)果與分析

2.1 泥漿含水率分析

本次試驗(yàn)采用SAP板對(duì)初始含水率為42.3%(1倍液限)與63.5%(1.5倍液限)的泥漿進(jìn)行脫水固化試驗(yàn),使用SAP板次數(shù)分別為4次與11次,含水率分別降至34.9%與35.1%,SAP對(duì)泥漿脫水效果明顯.從SAP板使用次數(shù)可見(jiàn),當(dāng)泥漿含水率較大時(shí),因SAP板上的SAP質(zhì)量相對(duì)固定,故需要較多次使用SAP板脫水,試驗(yàn)時(shí)間增加.由試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)試樣含水率較低時(shí),安裝與拆卸SAP板較困難,且對(duì)土樣擾動(dòng)非常大.另外,隨SAP板使用次數(shù)增加,其脫水效率下降.圖4給出試驗(yàn)中模型箱表面土樣變化情況.由圖可見(jiàn),隨SAP板使用次數(shù)增加,土樣表面會(huì)出現(xiàn)裂縫.產(chǎn)生這一現(xiàn)象的主要原因?yàn)槟酀{初始含水率較大,在自重應(yīng)力下發(fā)生固結(jié),模型箱頂部含水率大于底部,SAP對(duì)高含水率泥漿脫水效果較優(yōu),頂部脫水快于底部,故此產(chǎn)生裂縫.SAP主要依靠聚合物電離產(chǎn)生內(nèi)外滲透壓而吸水,而泥漿中的水進(jìn)入SAP需要克服滲透阻力與靜電引力,因此,SAP不可能將泥漿中的水全部脫除,即當(dāng)含水率低到某一值時(shí),SAP的脫水效果顯著降低,如圖2所示.當(dāng)泥漿含水率隨SAP板使用次數(shù)增加而降低時(shí),SAP板效率在下降.由此可見(jiàn),當(dāng)使用SAP對(duì)泥漿脫水時(shí),非常適合高含水率泥漿.本次試驗(yàn)進(jìn)行了初始含水率分別為42.3%與63.5%的泥漿脫水試驗(yàn),試驗(yàn)停止時(shí)的含水率基本接近35%.達(dá)到該含水率時(shí),SAP脫水效率顯著降低.真空預(yù)壓法廣泛應(yīng)用于軟土加固工程實(shí)踐.趙漢亮[23]對(duì)珠海某軟土地基進(jìn)行真空預(yù)壓加固,含水率由53.6%降至47.4%.周俊輝等[24]對(duì)越南中北部河靜省奇英縣吹砂造地工程軟土層進(jìn)行直排式真空預(yù)壓加固,含水率由62%～63%降至49%～53%.劉巖等[25]對(duì)南沙地區(qū)軟土真空預(yù)壓加固后含水率從61.2%降到50.9%.張呂華等[26]給出浙江臺(tái)州某新建港區(qū)真空預(yù)壓處理淺層疏浚土,吹填落淤后上部含水率超200%,預(yù)壓3個(gè)月后平均含水率降至40.4%.李千[27]采用真空預(yù)壓淺層排水固結(jié)法加固廈門某吹填造地地塊,淺層軟土含水率由63.3%降至51.4%.高梓旺等[28]給出天津港東疆地區(qū)某軟土地基真空預(yù)壓加固場(chǎng)地加固前后含水率變化情況:吹填土含水率由27.05%降到21.83%;淤泥質(zhì)土含水率由40.5%降到37.05%;淤泥含水率由60.66%降到43.84%;淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土含水率由42.89%降到32.47%;粉質(zhì)黏土含水率由24.35%變?yōu)?4.97%,基本不變.上述研究表明,真空預(yù)壓處理后的土體含水率仍處于較高水平,含水率降低有限.考慮到現(xiàn)場(chǎng)施工條件限制,負(fù)壓基本處在80 kPa左右,抽水能力有限.本文應(yīng)用SAP將高含水率泥漿成功脫水到35%左右含水率,優(yōu)于真空預(yù)壓,另外可以說(shuō)明SAP滲透壓不低于80 kPa.SAP用于軟土脫水具有脫水快,24 h完成吸水,SAP板安裝與拆卸方便,施工周期短,且SAP可回收再利用的優(yōu)點(diǎn),因此SAP用于工程現(xiàn)場(chǎng)軟土加固具有十分廣闊的前景.

圖5 SAP消耗率與平均含水率的變化

2.2 SAP吸水效率分析

SAP對(duì)泥漿的脫水效率對(duì)于工程應(yīng)用至關(guān)重要.圖6分別給出不同含水率泥漿SAP消耗率(S)、吸水質(zhì)量比(吸水質(zhì)量mw/水初始質(zhì)量mw0)與使用SAP板脫水次數(shù)(n)的關(guān)系.由圖可見(jiàn),隨SAP消耗率增大,累計(jì)吸水質(zhì)量比增大,單次吸水質(zhì)量比減小,1倍和1.5倍液限泥漿脫水分別約18%與45%,脫水效果明顯.隨脫水次數(shù)增加,單次吸水量(即Qi)在下降,表明隨土樣含水率逐漸降低,SAP脫水效率在下降,圖7給出的吸水能力也驗(yàn)證了這一現(xiàn)象.當(dāng)SAP與水接觸,由親水基團(tuán)與水分子發(fā)生氫鍵、范德華力等作用,在離子滲透壓作用下吸水,SAP板附近的水首先被吸收,遠(yuǎn)離SAP板的水需要克服滲透阻力方可被吸收,吸水效率顯著下降,這也驗(yàn)證了隨SAP板使用次數(shù)增加,吸水量下降的原因.另外,黏土滲透性差,含水率較低時(shí),影響液態(tài)水遷移[29-30].

(a)1倍液限(42.3%)

圖7 SAP吸水量與脫水次數(shù)關(guān)系

2.3 脫水后土樣強(qiáng)度分析

采用快剪與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)泥漿經(jīng)多次SAP脫水后的固化效果進(jìn)行分析.試驗(yàn)中使用的土樣分別為1倍液限泥漿4與5次脫水兩種,以及1.5倍液限泥漿11次脫水.為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性,制備試樣時(shí),盡量控制試樣含水率、密度等,每種土樣進(jìn)行5組快剪試驗(yàn)、12組無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),取平均值進(jìn)行強(qiáng)度評(píng)價(jià).

采用Origin軟件[31]對(duì)快剪試驗(yàn)結(jié)果予以處理,如圖8所示,由此得到抗剪強(qiáng)度參數(shù)cq和φq,見(jiàn)表2.由表2可見(jiàn),不同初始含水率的泥漿經(jīng)SAP多次脫水后,抗剪強(qiáng)度均得到較大增長(zhǎng),黏聚力達(dá)到11～12 kPa,內(nèi)摩擦角在5°左右.土樣由流動(dòng)狀態(tài)變?yōu)橛部伤軤顟B(tài),此時(shí)試樣的含水率約為35%,與初始狀態(tài)相比,含水率降低明顯.

圖8 SAP板脫水完成后土樣抗剪強(qiáng)度擬合曲線

表2 抗剪強(qiáng)度參數(shù)

圖9給出無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線.無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu由應(yīng)力與應(yīng)變曲線確定,當(dāng)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線有峰值點(diǎn)時(shí),取峰值點(diǎn)應(yīng)力作為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,無(wú)峰值點(diǎn)時(shí),取15%應(yīng)變對(duì)應(yīng)應(yīng)力作為無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度,結(jié)果見(jiàn)表3.由圖9可見(jiàn),經(jīng)SAP多次脫水后,土樣的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線具有緩變特征,表明土樣的壓縮性較大,且多數(shù)處于緩慢上升趨勢(shì),曲線無(wú)峰值點(diǎn).因SAP板拆卸對(duì)土樣擾動(dòng)較大,模型箱不同位置土的狀態(tài)差異較大,因此,所得到的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線具有一定差異,但整體趨勢(shì)一致.由表3可見(jiàn),不同初始含水率泥漿經(jīng)多次脫水后的qu處于20.9～24.6 kPa,無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度較接近.由此可見(jiàn),泥漿經(jīng)SAP脫水后,其強(qiáng)度有一定提高.由試驗(yàn)結(jié)果可知,當(dāng)場(chǎng)地承載力要求較低時(shí),可用插板機(jī)將SAP板安裝到淤泥等高含水率黏土場(chǎng)地,對(duì)淤泥進(jìn)行脫水處理,24 h后將SAP板拔出,重新安裝新的SAP板,經(jīng)多次重復(fù)后,完成對(duì)軟土的加固處理.與堆載預(yù)壓、真空預(yù)壓等方法相比,SAP板脫水具有施工周期較短、成本低的優(yōu)勢(shì).

圖9 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

表3 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度結(jié)果

2.4 SAP解水方法

SAP作為一種高性能吸水材料,價(jià)格較高,因此回收利用對(duì)于節(jié)約建設(shè)成本至關(guān)重要.SAP的儲(chǔ)水方式包括:鏈上的離子性基團(tuán)和親水性基團(tuán)與水分子發(fā)生水合作用形成的結(jié)合水,由于滲透壓作用和毛細(xì)管作用擴(kuò)散到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的自由水,通過(guò)氫鍵或取向力與結(jié)合水連接并介于結(jié)合水和自由水之間的束縛水.其中結(jié)合水和束縛水的形成類似化學(xué)吸附且總量遠(yuǎn)少于自由水[19].因此,若能去除凝膠內(nèi)的自由水而不破壞其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),即可實(shí)現(xiàn)SAP回收再利用.

研究表明,不同物理和環(huán)境因素影響SAP保水性能[32].Bian等[33]將SAP自然晾曬5 h后解吸率僅3.8%,可見(jiàn)自然晾曬回收SAP效率極低.

Farkish等[17]采用控制酸堿度和溫度的方式對(duì)水凝膠進(jìn)行回收,結(jié)果表明,水凝膠在酸性環(huán)境下能夠短時(shí)間解水,但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞,回收后SAP再吸水能力明顯降低.水凝膠在65 ℃的烘干箱內(nèi)烘干36 h(輕熱干燥法)具有更好的再吸水能力.Park等[34]采用海水、氯化鈣(海水質(zhì)量的0.5%～3.0%)與水凝膠混合10 min～4 h,結(jié)果表明,當(dāng)氯化鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)3.0%時(shí),其SAP回收率達(dá)80%～90%.Wu等[35]采用水相濃縮二甲醚(DME)系統(tǒng)萃取水凝膠的水,萃取率接近90%.上述研究表明,環(huán)境溫度、酸堿度及離子濃度等因素對(duì)SAP保水性能影響很大.

本文采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%、1.0%、3.0%和5.0%的NaCl溶液對(duì)水凝膠進(jìn)行解水試驗(yàn),飽和水凝膠在鹽溶液下將發(fā)生解水,將釋出水的質(zhì)量與水凝膠初始吸水質(zhì)量的比值定義為解水率(H).試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示.由圖10可見(jiàn),水凝膠在NaCl溶液中靜置20～30 min即可達(dá)到解水平衡,隨NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加解水率增大,5.0%NaCl溶液解水率最高,約87%,該解水率與Wu等[35]研究結(jié)果相近.在鹽溶液中,水凝膠外部環(huán)境離子濃度高,產(chǎn)生指向外的滲透壓,同時(shí),外部環(huán)境中Na+、Ca2+等金屬陽(yáng)離子與SAP鏈上陰離子性基團(tuán)相互作用,從而降低離子電荷排斥作用,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)收縮,釋放自由水[34].

圖10 水凝膠在NaCl溶液中解水率隨時(shí)間變化

為進(jìn)一步提高SAP回收率,通過(guò)試驗(yàn)研究了輕熱干燥法與鹽溶液浸泡相結(jié)合的效果.試驗(yàn)方法如下:A法為水凝膠在5.0%NaCl溶液中浸泡30 min,后輕熱干燥;B法為水凝膠在5.0% CaCl2溶液中浸泡30 min,后輕熱干燥;C法為輕熱干燥.試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示.由圖可見(jiàn),從烘干時(shí)間看,B法最短,能量消耗小;C法最長(zhǎng),能量消耗大.為進(jìn)一步分析回收SAP的吸水能力,圖12給出了3種方法回收SAP的再吸水量(Qr).由圖12可見(jiàn),回收SAP的吸水能力出現(xiàn)不同程度下降,其中B法回收的SAP幾乎喪失吸水能力,A法下降近50%,C法下降幅度較小.由此可見(jiàn),盡管5.0%NaCl溶液浸泡可提高SAP回收率,但同時(shí)也損失較大吸水能力,而輕熱干燥較為可取.綜合回收率與再吸水能力,A法較優(yōu).

圖11 水凝膠質(zhì)量隨時(shí)間變化曲線

圖12 不同回收方法的SAP再吸水量

3 結(jié) 論

(1)初始含水率42.3%的泥漿,經(jīng)4次SAP板處理,含水率降至34.9%;初始含水率63.5%的泥漿,經(jīng)11次SAP板處理,含水率降至35.1%.脫水效果顯著,耗時(shí)短,效率高.從脫水后土樣含水率看,SAP脫水優(yōu)于真空預(yù)壓法.

(2)隨SAP板處理次數(shù)增加,單次吸水質(zhì)量比減小,脫水效率下降;初始含水率42.3%的泥漿,SAP消耗率為0.33%;初始含水率63.5%的泥漿,SAP消耗率為0.95%;初始含水率越大的泥漿,消耗的SAP越多.

(3)兩種初始含水率泥漿經(jīng)SAP脫水后,土樣的力學(xué)特性接近,強(qiáng)度均得到明顯提高,cq=11.5～12.7 kPa,φq=4.9°～5.8°,qu=20.9～24.6 kPa.

(4)SAP水凝膠在5.0%NaCl溶液浸泡30 min,后輕熱干燥,可有效回收SAP.