劉龍武，周斌，2，寧澤宇
（1.長沙理工大學土木工程學院，湖南 長沙 410114；
2.湖南省勘測設計院有限公司，湖南 長沙 410000）
近些年，隨著我國大力發展基礎設施建設，吹填工程產生的吹填泥漿日益增多，泥漿處理成了工程處置的一大難題。傳統做法是先將泥漿置于堆場自然風干（這需要占用大量場地長達2～3年的時間才能形成表面的硬殼層），再進行真空預壓處理。但由于吹填泥漿的滲透性差、含水量高、排水固結速度慢、抗剪強度低。未經處置的泥漿不能直接棄置或用作填土。但該方法過長的工期常常難以滿足工程建設的需求，且該方法不適宜多雨地區。
目前，泥漿處理方法主要有化學絮凝，真空預壓和機械脫水等［1］。國內一些學者也進行了相關研究。詹良通［2］等人使用堆載真空預壓工藝，在30 d內將泥漿的含水率從450%降到95%，但仍遠達不到工程的需求。張呂林等人［3］研究了通過化學絮凝劑的方法來解決泥漿處理的問題，將陰離子型聚丙烯酰胺（apam aninoic polycrylamide，簡稱為APAM）加入泥漿中，最終泥漿含水率從500%降到200%，只花費了1 d的時間，效果顯著，但處理后200%的泥漿含水率依然遠未達到工程需求。
因此，單一的真空預壓和絮凝沉降泥漿的處理方法均難以滿足工程需要，必須研究一種綜合處理的新方法提高泥漿處理效率。
本研究綜合了各泥漿處理方法，提出了絮凝-真空預壓-二次摻灰改性聯合處理方法，并進行了室內試驗研究。
試驗所用泥漿取自湘江長沙段淤泥，其天然含水率約為120%，泥漿含砂量較高，且含微量有機質，根據《土工試驗方法標準》（GB/T50123-2019）測得其物理性質指標，具體為：濕密度1.18 g/cm3、塑限21.3%、液限52.5%、黏粒含量38.7%、粉粒含量48.5%、砂含量12.8%。
1.1 絮凝劑的選擇
泥漿是膠體分散體系，具有一定的化學穩定性，其土顆粒主要是黏粒和粉粒，自然沉降速度緩慢。通過加入化學絮凝劑，可破壞泥漿體系中的化學穩定性，促使水與固體顆粒分離，達到泥漿輕量化和干化的目的。各類泥漿由于組成成分差異較大，物理化學性質差異較大，盲目地使用絮凝劑不僅處理效果不佳，還會造成環境污染等問題。因此，選擇有針對性的絮凝劑既能達到最佳效果，又可節約資源和保護生態環境。絮凝劑分為無機試劑和有機試劑兩種，常見絮凝劑有：生石灰、石膏、聚合氯化鋁（polyaluminum chloride，簡稱為PAC）、聚合硫酸鋁（polyaluminum sulfate，簡稱為PAS）、聚合氯化鐵（polymeric ferric chloride，簡稱為PFC）和聚丙烯酰胺（polyacrylamide，簡稱為PAM）等［4］。
本試驗選擇生石灰、石膏、PAC、APAM和陽離子型聚丙烯酰胺（cationic polycrylamide，簡稱為CPAM）5種典型絮凝劑進行絮凝沉降試驗，優選出最適宜處理湘江長沙段疏浚淤泥的絮凝劑。
2.2 試驗方法與結果分析
本研究采用直接觀測沉降界面法［5］進行試驗，選取6個容量為1 L的量筒并加入1 000 g湘江長沙段疏浚泥漿，往各量筒內加入不同的絮凝劑，勻速攪動5 min，觀察泥水分界面的高度變化，記錄試驗數據并對比分析。
試驗數據如圖1～2所示。根據試驗數據計算各量筒在絮凝沉降24 h后的含水率，結果分別如圖3～4所示。
圖1 0.5%絮凝劑摻量的試樣沉降過程Fig.1 Settling process of sample with 0.5%flocculant content
圖2 1%絮凝劑摻量的試驗沉降過程Fig.2 Settling process of sample with 1%flocculant content
圖3 0.5%絮凝劑摻量的試樣24 h沉降結果Fig.3 Settlement result of sample with 0.5%flocculant content after 24 h
圖4 1.0%絮凝劑摻量的試樣24 h沉降結果Fig.4 Settlement result of sample with 1%flocculant contentafter 24 h
從圖3～4可以看出：
1）在絮凝沉降試驗開始后的前24 h內，PAC和CPAM等陽離子型絮凝劑能顯著提高泥漿的沉降效率。其中，分別加入1%的PAC、CPAM的兩組試樣的最終含水率分別為100%和110%；
對比空白組（不添加絮凝劑組），沉降效果分別提升了16.7%和8.3%。PAC對泥漿的絮凝效果優于CPAM的。
2）APAM等陰離子型絮凝劑的絮凝沉降效果不佳，甚至對泥漿的沉降產生了阻礙作用，使其沉降效率降低。這是因為黏土顆粒表面帶負電荷，由于電荷中和作用，只有陽離子型絮凝劑才能使泥漿更好地沉降絮凝［6］。
3）在試驗的前8 h內，各泥漿試樣的沉降速度均較快，在12～24 h內沉降速度放緩，而24 h后沉降速度較慢。
本研究旨在提升300%含水率的泥漿處理效率，選取能使泥漿含水率在24 h內降至100%以下的PAC絮凝劑。當泥漿絮凝沉降處理效果達到工藝要求后，進行真空預壓脫水工序。
2.1 試驗設備
自制真空預壓脫水模型由真空泵、水氣分離裝置、泥漿脫水管和監測系統四部分構成，如圖5所示。
圖5 真空預壓試驗模型Fig.5 The model for vacuum preload test
水氣分離裝置由三軸儀壓力室制成。監測系統由兩個真空度表組成，其中，真空度表I測量水氣分離置的真空負壓，真空度表II測量泥漿脫水管中砂裝墊層的真空負壓。泥漿脫水管由聚氯乙烯（polyvinyl chloride，簡稱為PVC）管制成，直徑20 cm，長80 cm，內部結構如圖6所示。
圖6 泥漿脫水管內部結構圖（單位：m）Fig.6 Internal structure diagram of mud dewatering pipe（unit：m）
各部分用高強度塑料硬管有序連接，組成完整的真空預壓脫水模型。通過抽真空，讓泥漿脫水管內外形成氣壓差，管內負壓將水從土體中孔隙水排出，降低孔隙水壓力，使土體固結、密實。
2.2 試驗方案
將絮凝沉降后泥漿的泥水分界面的上層清夜抽出，將剩余泥漿填入泥漿脫水管指定位置，并用PVC蓋板密封。密封完成后啟動真空泵，使泥漿脫水管中砂墊層的真空負壓保持在-70 kPa以下，對泥漿脫水管管口的泥漿含水率和密度進行實時監測和記錄。泥漿密度、含水率與沉降速率分別如圖7～9所示
2.3 試驗結果與分析
從圖7~9中可以看出，泥漿脫水量隨時間變化可分為三個階段：①在試驗前6 h內，抽水速率極快，泥漿中的水分以水流的形式從泥漿脫水管內被抽出，水流有些許渾濁，脫水量隨時間快速增長，此階段為快速脫水階段；
②在試驗6～30 h內，隨著時間的增加，抽水速率放緩，泥漿中的水分以水沫的形式被抽出，水沫較為清澈，泥漿脫水量隨時間穩定增長，此階段為穩定脫水階段；
③在試驗進行30 h后，抽水速率繼續減小，無明顯水分被抽出，泥漿脫水量緩慢增長，泥漿含水率和密度變化較小，此階段為緩慢脫水階段。
圖7 泥漿密度變化Fig.7 The change graph of mud density
分析發現，隨著真空預壓試驗的進行，泥漿脫水效率不斷降低，含水率減小，脫水速率放緩，這是透水土工布中空隙被土顆粒堵塞導致的。在試驗初期，泥漿呈流塑狀態，水分大多為自由水且處于流動狀態，土顆粒間有效應力為0 kpa，真空形式的壓力能在泥漿中有效傳遞。隨著試驗的進行，泥漿中自由水被逐漸抽出，土顆粒在真空負壓的作用下向砂墊層方向聚集、相互接觸，土顆粒間有效應力增加，滲透路徑不斷減小，使透水土工布空隙逐漸堵塞，最終在土工布表面形成淤堵層，此時泥漿脫水效率接近于0。
試驗持續進行30 h后，泥漿脫水管內的泥漿開始進入緩慢脫水階段，此時，土工布表面雖已形成淤堵層，但泥漿脫水管內的泥漿已從初始的流動狀態轉變為軟塑狀態，含水率降至40.52%，較初始含水率大幅降低，處于液限和塑限狀態之間，這說明處理效果顯著。此后，真空預壓脫水效率將明顯降低，進入下一泥漿處理階段。
圖8 泥漿含水率與時間變化Fig.8 The curve of mud water content-time
圖9 沉降速率變化Fig.9 The change graph of settlement rate
3.1 試驗材料與方案
試驗土料取自湘江長沙段淤泥。將天然土料烘干、研磨后，按45%初始含水率配制試驗土樣。
按改性土二次摻灰方案［7］進行試驗。將土樣分為3組（每組兩個試樣測量，所測結果取平均值），分別摻入1%、2%和3%的生石灰并攪拌均勻，燜料1 d后測量各組的含水率、液限和塑限指數，再在各組試樣中摻入2%的水泥并攪拌均勻，養護1 d后分別測量各組試樣的含水率和無側限抗壓強度。
3.2 試驗結果與分析
第一和第二次摻灰后各組測量結果分別見表2～3，各組軸向應力與軸向應變之間的如圖10所示。
圖10 軸向應力與軸向應變的關系Fig.10 Relationship between axial strain and axix stress
表2 第二次摻灰后土樣的含水率Table 2 Water content of soil sample after the second lime mixing （%）
由表1～2可知：隨著生石灰摻量的增加，土樣的液限和含水率逐漸降低，塑限逐漸升高。第3組試樣經燜料1 d后，其塑性指數為19.39，液性指數為0.591，試樣從軟塑狀的淤泥轉變成可塑狀的粉質黏土。這是由于生石灰與土中水發生熟化反應消耗水分，反應產生的熱量加速水分的遷移和土樣的脫濕［8-9］并同時產生砂化效應，反應產物使土顆粒膠結凝聚，形成更大粒徑的土顆粒［10］。
表1 第一次摻灰后土樣的物理性質Table 1 Physical properties of soil samples after first lime mixing
從圖10可以看出，在泥漿中摻入水泥后，水泥與土中水分發生水化反應和火山灰反應，其反應生成物C-S-H，促進土顆粒進一步膠結凝聚［11］，最終形成穩定的土骨架。經養護1 d后試樣的塑性指數與稠度較改性前降低，而強度大大提高。第2和第3組這兩組試樣在摻入2%的水泥并經養護1 d后，無側限抗壓強度均能達到60 kPa以上，滿足大部分輕型施工機械的承載力和施工要求，可以用作沿海地區的港口填土。
綜上所述，從經濟角度考慮，可選擇生石灰和水泥作為泥漿二次摻灰方案。
本研究提出一種絮凝-真空預壓-二次摻灰改性的聯合處理方法，并對其進行了室內試驗研究，所得結論為：
1）陽離子型絮凝劑能顯著提高泥漿沉降效率，而陰離子型絮凝劑會對泥漿沉降產生阻礙作用。PAC為處理湘江長沙段淤泥的最佳絮凝劑。在初始含水率為300%的泥漿中摻入1%的PAC沉降24 h后，其含水率可降至100%。
2）在真空預壓脫水試驗中，泥漿脫水量隨時間變化可分為三個階段：快速脫水階段、穩定脫水階段和緩慢脫水階段。在前兩個階段中，泥漿脫水效率較高，土顆粒滲透路徑較大，泥漿含水率可從100%降至40%左右；
而在緩慢脫水階段，泥漿脫水效率很低。
3）泥漿經先摻石灰，燜料后，再進行摻入水泥的二次摻灰改性處理后，其塑性指數與稠度降低，含水率降至36.5%，強度顯著提高，無側限強度達到60 kPa以上，改性效果較好。
4）本研究提出的聯合處理方法分三個階段進行，工藝流程如下：第一階段為絮凝沉降階段，通過在泥漿中摻入合適的絮凝劑（PAC），待泥漿含水率降至約100%時結束；
第二階段為真空預壓脫水階段，當泥漿進入緩慢脫水階段或含水率降至40%左右時結束；
第三階段為二次摻灰改性階段，選擇合適的生石灰和水泥經摻入，改性處理后的泥漿無側限抗壓強度可達60 kPa以上。
5）經過本聯合方法處理后的泥漿含水率大幅降低，強度顯著提高，能直接用于沿海地區港口填土，可解決沿海地區土料缺失問題。本方法處理流程可在4～5 d內完成，縮短了泥漿處理的施工工期，且符合環保標準。
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