张 水，阳 栋，李水生，侯亚康，李 晃

(中国建筑第五工程局有限公司，湖南 长沙 410004)

0 引言

随着我国城市化进程的不断加快及城市规模的不断扩大，城市轨道交通建设取得了快速发展，“十三五”期间我国城市轨道交通建成投运线路超过3 000km，投资规模达(1.7～2)万亿元，“十四五”期间我国城市轨道交通投运线路有望新增 5 000km[1]。 城市轨道交通建设促进了城市经济发展，缓解了城市日益突出的交通拥挤问题，但也产生了巨量的盾构渣土，成为威胁环境安全和人们健康的重大隐患[2]。

目前，对盾构渣土的处理方式多采用粗放式堆填。然而，由于盾构渣土颗粒细小、含水率高(土压平衡盾构渣土含水率为10%～40%、泥水平衡盾构渣土含水率为60%～80%)，呈现弱流动或泥浆状态，在运输过程中容易撒漏，导致城市路面、空气质量污染；高含水率盾构渣土甚至需罐车运输，降低了渣土运输效率，增加了渣土运输成本[3-5]。渣土由于颗粒细小、含水率高，体积稳定性差，直接堆放存在安全隐患。2015年12月20日，位于深圳市光明新区的红坳渣土受纳场因渣土失稳发生滑坡事故，造成了大量人员伤亡和严重的经济损失[6]。当前，在盾构渣土资源化利用方面，通常也需对渣土进行脱水处理，在低含水率状态下将其用于制作烧结或免烧砖、陶粒等建材产品。

脱水处理已成为盾构渣土减量化和无害化处理、资源化利用的关键环节，决定了渣土处置的效率和成本。因此，研究高效的盾构渣土脱水技术具有重要的社会效益、环境效益和经济效益。

1 试验概况

1.1 原材料

1)渣土 取自于长沙市地铁6号线某区间段，为土压平衡盾构渣土，为强风化板岩产出，外观如图1所示。对其含水率、液限、塑限等物理性能进行测试，可得含水率为30%，液限为41.4%，塑限为26.4%，塑性指数为15.0。对其颗粒级配进行分析，结果如图2所示。其中，中值粒径D50=7.351μm，粒径<100μm的占比98%。

图1 盾构渣土外观

图2 盾构渣土粒径分布

2)高吸水性树脂(SAP) 由巩义市云森净水材料有限公司生产，主要化学成分为低交联型聚丙烯酸钠，颗粒粒径为50～200μm(D50=107μm)，在去离子水中的饱和吸水倍率为150。

3)聚丙烯酰胺(CPAM) 巩义市云森净水材料有限公司生产的阳离子型聚丙烯酰胺分子量为8×106～12×106Da，固含量≥90%。

1.2 试验设计

将渣土装入1L量筒中，将不同掺量的SAP置于渣土表面，并用塑料薄膜将量筒口包裹住，静置一段时间后取出SAP，将渣土搅拌均匀，再测试渣土含水率、稠度和流动度。试验方案设计如表1所示。

表1 试验方案设计(1)

将不同掺量的CPAM与渣土搅拌均匀，静置一段时间后，再测试渣土含水率、流动度、稠度和Zeta电位。试验方案设计如表2所示。

表2 试验方案设计(2)

1.3 试验方法

含水率按GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》进行测试；稠度参照GB/T 1346—2019《水泥标准稠度、凝结时间、安定性检验方法》进行测试，以试杆沉入深度来表示，试杆沉入深度越大，表示其稠度越大；流动度按GB/T 2419—2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行测试；采用ZetaProbe电位分析仪对渣土Zeta电位进行测试。

2 试验结果与讨论

2.1 SAP对盾构渣土脱水性能的影响

SAP是含有强亲水性基团并具有一定交联度的功能性高分子材料，具有吸收比自身重几百至几千倍水的高吸水功能。SAP对渣土含水率的影响如图3所示，相应渣土状态如图4所示。

图3 SAP掺量对渣土含水率的影响

图4 掺加SAP的渣土静置12h状态

由图3可知，掺加SAP可以有效降低渣土含水率，掺加0.2%SAP的渣土与空白试样相比，含水率下降了12.3%；随着SAP掺量的增加，渣土含水率不断下降，但下降幅度逐渐减小，尤其是SAP掺量>0.8%时，在试验掺量范围内，渣土含水率下降幅度<1%。 含水率的下降改变了渣土流变性能，使渣土黏度增大，体积稳定性提高。

考虑到SAP的吸水量除与其吸水能力有关外，还受其吸水速率的影响，因此，还需开展SAP吸水时间对其吸水量的影响研究。在前期试验研究基础上选定SAP掺量为0.2%，研究在不同静置时间下，SAP对渣土含水率、稠度和流动度的影响，结果如表3所示。

表3 不同静置时间下SAP对渣土流变性能的影响

由表3可知，随着静置时间的延长，渣土含水率、试杆沉入深度、流动度逐渐减小。与原状盾构渣土相比，掺加0.2%SAP的渣土试样静置12，24，48，72h，含水率分别下降了12.3%，13.3%，14.6%，17.4%。渣土含水率的下降造成渣土流变性能变差，具体表现为试杆沉入深度和流动度减小。

渣土含水率对其流变性能有较大影响。随着渣土含水率不断下降，渣土颗粒周围水膜厚度逐渐减小，使渣土中结合水和毛细水的连接增强，渣土颗粒间的黏聚力增大；同时，水膜厚度的减小引起渣土颗粒间距减小，渣土颗粒间发生相对滑动、滚动时的嵌效应逐渐增强，内摩擦角增大。由法国科学家C.A. Coulomb的土抗剪强度理论可知，随着渣土黏聚力和内摩擦角的增大，抗剪强度不断增大，抵抗变形的能力得到了提高，即流动性能下降，体积稳定性提高。

2.2 CPAM对盾构渣土脱水性能的影响

CPAM为高分子絮凝剂，可吸附水中悬浮颗粒，使细颗粒形成较大絮团，并且加快沉淀速度。CPAM掺量、静置时间对渣土含水率的影响如图5所示，相应渣土状态如图6所示。

图5 CPAM掺量对渣土含水率的影响

图6 掺加CPAM的渣土静置48h状态

由图5可知，不同CPAM掺量的渣土在不同静置时间下，含水率变化无规律，含水率下降也不明显，与空白试样相比，含水率变化基本在1%以内，考虑到搅拌过程中水分散失和测试误差，可说明掺加CPAM对渣土含水率几乎无影响，但能明显改变其流变性能，可使弱流动状态渣土短时间内变成可塑状态。由图6可知，掺加CPAM的渣土静置48h后，在搅拌机作用下，渣土颗粒黏聚成团，且随着CPAM掺量的增加，渣土黏聚体呈现由散状到粒状、粒径由大变小的现象。

不同CPAM掺量、静置时间对渣土稠度、流动度的影响如图7所示。由图7可知，掺加CPAM可明显降低渣土稠度和流动度，当CPAM掺量为0.05%时，与空白试样相比，试杆沉入深度下降了35.1%，流动度则下降了13.0%；随着CPAM掺量的增大，试杆沉入深度、流动度不断减小，当CPAM掺量>0.15%时，渣土进入可塑状态，试杆沉入深度变化不明显，流动度也基本不变。当CPAM掺量较少时，渣土稠度、流动度随着静置时间的延长有一定下降，但随着CPAM掺量的增加，静置时间对渣土稠度、流动度的影响越来越小。

图7 CPAM掺量、静置时间对渣土稠度、流动变的影响

Zeta电位是表征分散体稳定性的常用指标。Zeta电位的绝对值越高，体系就越稳定；反之Zeta电位绝对值越接近于0，则表明体系颗粒越倾向于凝聚。对不同CPAM掺量渣土的Zeta电位进行测试，结果如图8所示。由图8可知，掺加少量CPAM即可显著提高渣土Zeta电位，且随CPAM掺量的增加总体呈先升高后降低的趋势。当CPAM掺量为0.05%时，与空白试样相比，其Zeta电位提高了79.3%；当CPAM掺量为0.15%时，渣土Zeta电位为-0.2mV，接近电性中和状态。

图8 CPAM掺量对渣土Zeta电位的影响

渣土颗粒表面携带负电荷，具有良好的亲水性，可与水分子紧密结合，导致其脱水较困难。CPAM携带大量—NH3OH，—NH2OH—，—CONH3OH 等离子基团，易与渣土颗粒发生电性中和，进而降低渣土Zeta电位绝对值，减弱渣土颗粒间的静电斥力，使渣土颗粒失稳而絮凝团聚；同时，CPAM水解形成的分子链吸附在渣土颗粒表面，纵横交错的分子链形成网状结构，可捕捉离散颗粒，使团聚体粒径不断增大。但当CPAM掺量过大时，会出现分子间相互包裹、相互挤占，抑制了吸附架桥和网捕-卷扫作用，从而对絮凝起到负面效应。

3 结语

1) SAP可有效降低渣土含水率，且随着静置时间的延长，渣土含水率不断下降。当SAP掺量为0.2%时，静置12，24，48，72h的渣土试样与原状渣土试样相比，含水率分别下降了12.3%，13.3%，14.6%，17.4%。渣土含水率的下降，改变了渣土流变性能，使其稠度和流动度减小，体积稳定性提高。

2) CPAM可有效提高渣土Zeta电位，并明显改变渣土流变性能。当CPAM掺量为0.15%时，渣土试样Zeta电位接近电性中和状态，与原状渣土试样相比，稠度、流动度分别下降了78.4%，22.1%。渣土稠度、流动度随着静置时间的延长有一定下降，但随着CPAM掺量的增加，静置时间对渣土稠度、流动度的影响越来越小。

3) SAP，CPAM分别通过化学吸水、化学絮凝的方式使渣土流动性下降，体积稳定性能提高，有利于渣土后续运输、堆放和资源化利用。