残余掺加剂对盾构废浆絮凝分离特性的影响及作用机理.pdf
《残余掺加剂对盾构废浆絮凝分离特性的影响及作用机理.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《残余掺加剂对盾构废浆絮凝分离特性的影响及作用机理.pdf(10页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、残余掺加剂对盾构废浆絮凝分离特性的影响及作用机理现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第60卷第4期(总第411期),2023年8月出版Vol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023文章编号:1009-6582(2023)04-0264-10DOI:10.13807/ki.mtt.2023.04.030收稿日期:2022-11-21修回日期:2023-01-12基金项目:国家自然科学基金(52108369);江苏省自然科学青年基金(BK20210886);江苏省研究生科研与实践创新计划项目(SJCX21_1796).作者简介:刘志涛
2、(1997-),男,硕士研究生,主要从事环境岩土方面的研究工作,E-mail:LiuzhitaoJ.通讯作者:吴思麟(1992-),男,博士,讲师,主要从事环境岩土方面的研究工作,E-mail:.残余掺加剂对盾构废浆絮凝分离特性的影响及作用机理刘志涛1,2吴思麟1,2,3孙晓辉3,4周爱兆1,2(1.江苏科技大学土木工程与建筑学院,镇江 212100;2.江苏省地质环境灾害防治及修复工程研究中心,镇江 212100;3.深圳市地铁地下车站绿色高效智能建造重点实验室,深圳 518060;4.深圳大学土木与交通工程学院,深圳 518060)摘要:泥水盾构施工中掺加剂对废弃泥浆絮凝分离特性的作用机理
3、尚不明确,针对此问题,配制不同梯度的膨润土、羧甲基纤维素钠(CMC)废浆,研究残余掺加剂对废浆絮凝分离特性的影响及作用机理。研究发现,膨润土及CMC的存在使泥浆脱水效果变差,过滤比阻提升12个数量级;膨润土及CMC通过改变颗粒的电性特征、吸附架桥等影响土颗粒的水形态,使脱水效果恶化;具有电性中和、压缩聚合物分子链作用的聚合氯化铝(PAC)在处理废浆中取得较优的效果。基于研究结果,提出盾构泥浆配制方案及废弃泥浆处理对策。关键词:泥水盾构;废弃泥浆;掺加剂;脱水;膨润土;CMC中图分类号:TU441;X705文献标识码:A引文格式:刘志涛,吴思麟,孙晓辉,等.残余掺加剂对盾构废浆絮凝分离特性的影响
4、及作用机理J.现代隧道技术,2023,60(4):264-273.LIU Zhitao,WU Silin,SUN Xiaohui,et al.Influence and Action Mechanism of Residual Admixture on the Flocculation andSeparation Characteristics of Waste Slurry in Shield TunnelsJ.Modern Tunnelling Technology,2023,60(4):264-273.1引 言近年来,泥水盾构施工方式以其对地表空间占用低、对地层扰动小等优点在隧道等地下工
5、程中被广泛采用1,2。但由于其施工方式的问题,在施工过程中难免会产生大量废弃泥浆,这些废弃泥浆处理不当易产生环境污染和资源浪费等问题3,如何处理盾构废弃泥浆是目前的研究热点。“絮凝-机械过滤”工艺是目前较为主流的盾构废弃泥浆处理工艺4,而絮凝是该工艺中极为重要的一环,絮凝结果的好坏往往决定了该工艺成本及最终处理效果5,因此掌握盾构废弃泥浆的絮凝分离特性极为重要。目前已有一些针对盾构废弃泥浆的絮凝分离特性研究。王海良等6、王东星等7、李 旭8从废弃泥浆絮凝处理的角度,根据各自工程废弃泥浆的特性,使用无机、有机絮凝剂搭配的方式对废弃泥浆进行絮凝调理,以达到提升泥浆脱水效果的目的。石振明等9、宋苗苗
6、等10从废弃泥浆改性处理的角度,利用水泥、促凝剂等固化剂对工程废弃泥浆进行改性处理,在提升废弃泥浆絮凝脱水效果的同时提升其力学强度。现有研究主要是针对已有的废弃泥浆进行改性及减量化处理,但从成分角度来定量化分析盾构废弃泥浆絮凝分离特性的研究较少。在泥水平衡盾构施工中,为保证开挖面的稳定性,常在泥浆中添加膨润土、羧甲基纤维素钠(CMC)等掺加剂11,12,以满足泥浆黏度、抗滤失性13等方面的要求。后续产生的废弃泥浆中必然会残存部分掺加剂,导致废弃泥浆成分较为复杂,可能对后续废弃泥浆絮凝分离结果产生影响,但目前相关的研究较少。掌握残余掺加剂对废弃泥浆絮凝分离特性的影响及作用机理至关重要,一方面可对
7、后续废弃泥浆的减量化处理提出针对性的建议;另一方面,可对泥水盾构施工过程中泥浆配制的选择264残余掺加剂对盾构废浆絮凝分离特性的影响及作用机理现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023第60卷第4期(总第411期),2023年8月出版提供参考。通过配制含有膨润土、CMC的废弃泥浆,研究残余掺加剂对盾构废弃泥浆絮凝分离特性的影响及作用机理。在此基础上,提出泥浆絮凝减量的最优方案,并从“泥浆使用”与“废浆减量”两个层面综合探讨泥水盾构泥浆的配制问题,为盾构工程泥浆配制以及废弃泥浆减量处理提供参考
8、。2材料及方法2.1试验材料试验使用的盾构工程废弃泥浆以镇江黄黏土为基础,混合不同添加量的石家庄钠基膨润土、CMC、水配制而成,定量研究盾构废弃泥浆中残余掺加剂对絮凝分离特性的影响。其中黏土基本物理参数和粒径分布分别见表1及图1,CMC性质见表2。表1 黏土的基本物理参数Table 1 Basic physical parameters of clay种类参数镇江黄黏土石家庄钠基膨润土液限/(%)42.1692.42塑限/(%)22.1830.60比重2.622.64图1 黏土粒径分布Fig.1 Distribution of clay particle size试验使用的絮凝剂分为无机絮凝剂
9、聚合氯化铝(PAC)和有机絮凝剂阳离子聚丙烯酰胺(CPAM)、阴离子聚丙烯酰胺(APAM),絮凝剂性质见表2。2.2试验方法CMC及絮凝剂溶液配制方法:将CMC、絮凝剂干粉分别溶于清水中,在20 室温、500 r/min搅拌速率的条件下搅拌1 h,配制为不同质量分数的CMC溶液及絮凝剂溶液。废弃泥浆配制方法:将镇江黄黏土、石家庄钠基膨表2 絮凝剂及CMC的基本性质Table 2 Basic properties of flocculants and CMC种类参数CPAMAPAMPACCMC分子量/万1 0001 200含固率/(%)89电荷密度/(meqg-1)1.01.3水解度/(%)10
10、Al2O3含量/(%)28盐基度/(%)75黏度/(cps)2 500取代度1.0润土、CMC溶液添加至水中,在20 室温、500 r/min搅拌速率的条件下搅拌1 h,完成泥浆配制。泥浆参数试验:泥浆配制完成后使用MLN-2型马氏漏斗黏度计和NS-2型中压滤失仪对配制完成的部分泥浆组进行漏斗黏度和滤失量试验。絮凝试验:在配制完成的泥浆中添加不同质量分数的絮凝剂溶液,并在20 室温、500 r/min搅拌速率的条件下搅拌5 min,完成絮凝试验。泥浆脱水试验:为更好地说明泥浆的絮凝分离特性,引入比阻及抽滤后泥饼含水率作为脱水过程的评价指标。对絮凝完成的泥浆通过比阻测定仪进行抽滤试验测定其比阻,
11、收集抽滤后泥饼并使用烘干法测定其含水率。其中比阻按式(1)进行计算,同时收集抽滤液并测定滤液体积V,并记录对应抽滤时间t。r=2PA2bC(1)式中:r为比阻(m/kg);P为过滤压力(kPa),试验过滤压力为60 kPa;A为过滤面积(m2),试验过滤面积为0.009 5 m2;为滤液黏度(kg/(ms);b为Vt/V直线关系的斜率;C为滤过单位体积的滤液在过滤介质上截留的固体重量(kg/L)。脱水产物分析试验:为对絮凝脱水机理进行研究,对比阻试验产生的抽滤液使用Nano型马尔文265残余掺加剂对盾构废浆絮凝分离特性的影响及作用机理现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING T
12、ECHNOLOGY第60卷第4期(总第411期),2023年8月出版Vol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023Zeta 电位仪测定其Zeta 电位;使用COXEM EM-30台式扫描电镜仪对部分试验组脱水产生的泥饼进行电镜扫描(SEM)试验。2.3试验方案2.3.1掺加剂含量对絮凝分离特性的影响试验设置为研究膨润土及CMC含量对泥浆絮凝分离特性的影响,分别设置不同膨润土含量梯度(膨润土质量分数为1%6%)的膨润土单掺泥浆(A组),和添加不同质量分数CMC溶液(CMC溶液质量分数为0.4%2.0%)的膨润土、CMC复掺泥浆(B组),具体泥浆配制方案见表3。表3 不同掺加
13、剂梯度的废弃泥浆Table 3 Waste slurry with different admixture gradients组别成分A1A2A3A4A5A6B1B2B3B4B5水/g300300膨润土/g4.28.412.616.821.025.217.0黄黏土/g115.8111.6107.4103.299.094.8103.0CMC溶液/g01.63.24.86.48.0注:A6组的漏斗黏度及滤失量分别为31.4 s,14 mL;B5组的漏斗黏度及滤失量分别为33.5 s,13 mL。掺加剂添加量梯度依据实际工程中废弃泥浆可能残留的掺加剂含量设置。残余掺加剂含量不会超过配制泥浆时掺加剂的
14、掺量范围14,15(膨润土为5%9%、CMC溶液为2%),其中CMC溶液的浓度为2%。同时结合实际工程中对盾构泥浆的参数要求16(漏斗黏度为2545 s、滤失量20 mL),最终确定试验膨润土及CMC溶液最高掺量分别为6%、2%。其余试验组以此为基准,逐步减少其中掺加剂的含量。泥浆配制完成后,依次对泥浆进行絮凝试验、脱水试验和脱水产物分析试验,其中絮凝试验使用的絮凝剂为质量分数为0.15%的CPAM溶液,电镜扫描试验组别为A6、B5组。2.3.2絮凝方式对废浆絮凝特性影响试验设置为测定絮凝方式对不同掺加剂泥浆絮凝分离结果的影响,以A6组、B5组泥浆作为研究对象,并根据泥浆中掺加剂的主要成分将A
15、6、B5组泥浆分别称为膨润土型泥浆、CMC型泥浆。试验组设置不同絮凝方式对其进行处理,分别为添加单种絮凝剂对泥浆进行处理的单絮凝组(PAC、CPAM、APAM)和添加多种絮凝剂对泥浆进行处理的复合絮凝组(PAC+CPAM、PAC+APAM),试验组设置见表4。絮凝剂添加量梯度依据膨润土及CMC型泥浆的最优絮凝剂添加量确定。通过前期的预试验,以比阻为标准,选定同种絮凝剂不同掺量下处理泥浆时比阻相对较小的5组试验组,其中包含1组比阻相对最小的最优添加量组。絮凝试验完成后,对絮凝后泥浆进行脱水试验及脱水产物分析试验,其中电镜扫描试验组别为表4 不同絮凝方式的试验设置Table 4Test setti
16、ngs for different flocculation methods组别絮凝剂种类A6对照组A6-1A6-2A6-3A6-4A6-5B5对照组B5-1B5-2B5-3B5-4B5-5PAC/(%)不添加絮凝剂2.502.753.003.253.50不添加絮凝剂0.500.751.001.251.50CPAM/(%)0.150.200.250.300.350.2000.2250.2500.2750.300APAM/(%)0.0700.1050.1400.1750.2100.047 50.065 00.082 50.100 00.117 5PAC+CPAM/(%)0.2000.2250.2
17、500.2750.3000.1000.1250.1500.1750.200PAC+APAM/(%)0.0700.1050.1400.1750.2100.047 50.065 00.082 50.100 00.117 5注:复合絮凝组中PAC质量分数固定,由单PAC组最优添加量确定,A6、B5组的PAC质量分数分别为3%、1%,表中对应数值为CPAM、APAM的添加量。266残余掺加剂对盾构废浆絮凝分离特性的影响及作用机理现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023第60卷第4期(总第411期)
18、,2023年8月出版B5-5。3试验结果及分析3.1掺加剂含量对泥浆絮凝分离结果的影响在相同絮凝条件下,膨润土及CMC含量变化对泥浆絮凝分离效果的影响如图2、图3所示,可以看出,随着膨润土和CMC含量的上升,泥浆比阻及抽滤后泥饼含水率也随之上升。图2 膨润土含量对泥浆絮凝脱水特性的影响Fig.2 Influence of bentonite content on flocculation anddehydration characteristics of slurry当膨润土含量由1%增长至6%时,泥浆比阻由2.211010m/kg 升至 4.861012m/kg,上升了 2 个量级,泥饼含水
19、率由68.28%上升至312.30%,增长近5倍,由易脱水泥浆变为难脱水泥浆。当CMC含量由0.4%增至2.0%时,泥浆比阻由5.331011m/kg上升至3.821012m/kg,上升近1个量级。而泥饼含水率由62%上升至211%,增长超过2倍。图3 CMC含量对泥浆絮凝脱水特性的影响Fig.3 Influence of CMC content on flocculation and dehydration characteristics of slurry由上可见,膨润土、CMC的存在会使废弃泥浆的絮凝分离结果恶化。3.2絮凝方式对絮凝分离结果的影响不同絮凝方式对膨润土、CMC型泥浆絮凝分
20、离效果的影响如图4、图5所示,可以看出,经过絮凝处理后,废弃泥浆的絮凝脱水结果均有不同程度的提升。其中单独使用PAM处理废弃泥浆对其脱水效果提升较为有限,比阻仍与对照组处于同一量级,泥饼含水率高达300%325%;而使用PAC及复合絮凝剂处理废弃泥浆则取得了较好的脱水效果,其中比阻最低可降至3.901010m/kg,对应泥饼含水率也可降至75%。此外,经过同样絮凝条件处理后,CMC型与膨润土型泥浆脱水难度不同。其中膨润土型泥浆经PAC及复合絮凝剂处理后,比阻仍处于1011m/kg量级,泥饼含水率高达200%;而CMC型泥浆经PAC及复合絮凝剂处理后,比阻最低可降至1010m/kg量级,泥饼含水
21、率可降至80%以下。图4 絮凝方式对膨润土组泥浆絮凝分离特性的影响Fig.4 Influence of flocculation methods on slurry flocculation and separation characteristics in bentonite group267残余掺加剂对盾构废浆絮凝分离特性的影响及作用机理现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第60卷第4期(总第411期),2023年8月出版Vol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023综上所述,经絮凝处理后废弃泥浆的脱水结果均有不同程度的提升,
22、其中PAC及复合絮凝组在处理废弃泥浆时絮凝结果优于单PAM组;此外在相同的絮凝条件下,CMC型泥浆比膨润土型泥浆更易脱水。3.3Zeta电位变化膨润土、CMC含量变化对Zeta电位的影响如图6所示,可以看出,当膨润土占泥浆总质量的比例由1%增至6%时,泥浆Zeta电位由-15.44mV下降至-32.20mV;当CMC溶液质量占泥浆总质量由0.4%增至2.0%时,泥浆Zeta电位处于-21.70-18.93 mV之间。图6 膨润土、CMC含量对Zeta电位的影响Fig.6 Influence of bentonite and CMC content on Zetapotential絮凝方式对不同
23、类型泥浆Zeta电位的影响如图7、图8所示。由图7、图8可知,经过不同絮凝方式处理后,膨润土型、CMC型废弃泥浆Zeta电位具有相似的变化规律。其中使用PAC及复合絮凝组处理废弃泥浆时,泥浆 Zeta 电位提升较大,处于-4.83-15.42mV图7 絮凝方式对膨润土型泥浆Zeta电位的影响Fig.7Influence of flocculation method on Zeta potential ofslurry in bentonite group图8 絮凝方式对CMC组泥浆Zeta电位的影响Fig.8 Influence of flocculation method on Zeta p
24、otential ofslurry in CMC group之间;而使用PAM处理废弃泥浆时,泥浆Zeta电位提升较小,普遍低于PAC及复合絮凝组处理后的泥浆Zeta电位,处于-14.72-33.40 mV之间。图5 絮凝方式对CMC组泥浆絮凝分离特性的影响Fig.5 Influence of flocculation methods on slurry flocculation and separation characteristics in CMC group268残余掺加剂对盾构废浆絮凝分离特性的影响及作用机理现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOG
25、YVol.60,No.4(Total No.411),Aug.2023第60卷第4期(总第411期),2023年8月出版综上所述,泥浆中掺加剂含量变化对泥浆Zeta电位有不同程度的影响,其中膨润土含量变化对泥浆Zeta电位影响较大,而CMC含量变化对泥浆Zeta电位影响较小。此外,絮凝方式的变化对泥浆Zeta电位也有不同程度的影响,使用PAC及含有PAC的复合絮凝组处理废弃泥浆对泥浆Zeta电位的提升效果大于单独使用PAM。3.4SEM结果CMC型泥浆各阶段抽滤后泥饼产物的扫描电镜结果如图9所示,可以看出,泥浆未添加CMC时,泥饼中黏土颗粒分布较为分散;在泥浆中添加CMC后,泥饼内黏土大颗粒与
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 残余 掺加剂 盾构 絮凝 分离 特性 影响 作用 机理
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。