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钻孔灌注桩工程泥浆固液分离系统及泥浆循环净化和废弃泥浆处理工法1引言近年来，随着国家城市化建设进程的持续推进，各种隐蔽性岩土工程施工产生的废弃泥浆量也与日俱增。例如：仅温州一个中小城市每年产生的废弃泥浆量就达80万立方。在实际施工过程中，施工方对非达标泥浆一般作废弃泥浆处理，造成资源浪费且增加废弃泥浆排放量。施工乱排废弃泥浆现象非常严重，极大的破坏了城市环境。泥浆排入排水管道或直接排入河道，导致管道及河道淤塞，严重影响城市安全（图1、图2）。例如：2010年，仅无锡主城区就有三分之一的河道被工程废弃泥浆淤塞，部分河道甚至失去河道功能，造成了巨大的汛期排水安全隐患。随着对工程泥浆危害认识的深入，国内科研工作者对废弃泥浆处理展开研究，工程施工技术人员也陆续提出几种工程废浆处理措施，但多数措施都有较大的约束条件，不宜推广使用。例如：（1）焚烧法。即用高温蒸发掉泥浆中的水分而分离出固相，其耗能大，且必须使用专门的转炉进行焚烧，难以在工程施工中推广使用；（2）集中填埋处理。即城市管理者收集本市的废弃工程泥浆外运至野外荒地进行填埋处理，这种处理方式花费巨大的泥浆运输及选用废弃场地费用，增加施工成本，且废弃泥浆对填埋地生态环境影响还需进一步的研究，所以本方法在工程施工中只可作为暂时应对措施，不宜大规模推广使用；（3）自然沉淀法、化学沉淀法、机械分离法等。即使用各种方法使泥浆固液分离，这几种废弃泥浆处理办法不能做到真正的泥水分离，处理后的浆液往往不能达到市政污水排放标准，还需使用罐车运输排放，而且以上各种方法处理后液相物不能重复利用，浪费水资源；2工程泥浆的一般特性泥浆在工程桩基成孔（或地连墙成槽）钻进中具有极其重要的作用，其性能的好坏直接影响钻进速度、孔壁稳定、悬浮携带钻渣、孔内事故的预防及单桩承载力大小。为满足护壁、携渣、润滑钻具等施工要求，各种施工工法所需工程泥浆需要具备不同的特殊性能（表1），例如：密度、黏度、静切力、失水量、泥皮质量、含砂量、胶质率、pH值等。泥浆中含有大量的分散和水化好的粘土颗粒不易聚集沉降，可长时间维持悬浮状态，保证了泥浆黏度、密度和性能稳定性；泥浆一般在碱性范围内比较稳定，否则会引起泥浆粘度、静切力和失水量等性能的变化，所以配制泥浆时一般需加入少许烧碱调节泥浆PH值；为保证泥浆有足够的容重，需加入一定量的重晶石粉调节泥浆密度。重晶石粉颗粒粒径一般在3～10之间，配浆膨润土颗粒粒径为0.02，而悬浮粘土颗粒直径约为1-2，所以工程泥浆中含有大量的小粒径悬浮颗粒；而在施工过程中，由于泥浆携带钻渣或地层接触，泥浆中也含有大量的粒径为毫米级以上的固相颗粒。泥浆一般在碱性范围内比较稳定，否则会引起泥浆粘度、静切力和失水量等性能的变化。所以泥浆PH值一般保持在8～9.3工程废弃泥浆固液分离处理系统工程废弃泥浆处理方案设计思想为按粒径从大到小依次去除泥浆中的固相物质。其中大颗粒物质通过振动设备去除；粒径为毫米级固相颗粒通过离心设备去除；小粒径固相物质及泥浆中的胶体物质通过在泥浆中添加絮凝剂使其絮凝，再通过离心设备去除。废弃泥浆处理后的固相物质含水量控制在40%以下，以便可作为工程回填土或使用工程车辆运走处理；液相物能够达到建筑中水水质标准，可作为工地洗车、道路清洁及冲厕用水等。工程非达标泥浆处理方案设计思想：同工程废弃泥浆处理方案设计思想，但保留泥浆中小粒径固相物质及胶体物质等能够优化泥浆性能指标的泥浆组分。即：只需在施工过程中，将大颗粒物质通过振动设备去除、粒径为毫米级固相颗粒通过离心设备去除即可达到工程非达标泥浆循环净化处理目的。通过大量的工程实地考察和论证分析，依据工程泥浆处理方案设计思想，并吸收传统废弃泥浆处理中自然沉淀法、化学固液分离法和机械固液分离法的优点，发明了废弃泥浆三级净化处理方案。第一级：废弃泥浆通过振动筛，大颗粒钻渣（粒径2mm）被筛分出来并通过工程车辆运走，浆液流入泥浆沉淀池中；第二级：将沉淀池中的废弃浆液抽取到离心机进行第一次离心净化，使粒径0.05mm～2mm的固相颗粒从浆液中分离，并将剩余浆液抽取到配浆池中暂存；第三级：将配浆池中的浆液混合加药系统配制的絮凝剂药液，使第二级处理后的浆液中的小粒径固相颗粒和胶体絮凝沉淀后，再次抽取到离心机进行固液分离。固相颗粒运走，对液相物质进行检测，达到城市建筑中水标准后排放或储存使用，如果未达到城市建筑中水标准，则将液相物质抽取到配浆池与配浆池中浆液混合，重复第三级净化工作，直至液相物质全部达到建筑中水标准通过排水设施排放或储存使用。如图3所示，工程废弃泥浆固化处理及泥浆循环净化系统由振动筛、加药装置、卧式螺旋离心机、泥浆沉淀池、工程泥浆池、配浆池、泥浆管、泥浆泵及阀门等组成，其中“振动筛、加药装置、卧式螺旋离心机”是整个系统的主机系统，泥浆池是工程泥浆及废浆容器，泥浆管、泥浆泵和阀门共同构成整个系统的管路系统，如图4所示。4废弃泥浆固液分离絮凝剂选用试验工程废弃泥浆中的主要污染物为粒径大小不等的固相颗粒及膨润土、黏土水合作用形成的悬浮胶体。使用工程废弃泥浆三级处理系统中的第一、二级处理系统，可以有效去除泥浆中粒径大于0.05mm的固相颗粒，而对于废弃泥浆中的部分粉细砂（粉土）颗粒、大部分的重晶石粉颗粒和几乎全部的膨润土、黏土水合物不能进行有效去除。所以，必须选用合适的絮凝剂并在加药系统中制备絮凝剂溶液，对泥浆中的上述物质进行絮凝处理后使用离心机进行固液分离。絮凝剂的作用主要是由带有正电（负）性的基团中和泥浆中带有负（正）电性难于分离的一些粒子或者颗粒结合，降低其电势，使其处于不稳定状态，并利用絮凝剂的聚合性质使得这些颗粒集中后通过物理或者化学方法分离出来。絮凝剂按照其化学成分总体可分为无机絮凝剂和有机絮凝剂两类。其中无机絮凝剂又包括无机凝聚剂和无机高分子絮凝剂；有机絮凝剂又包括合成有机高分子絮凝剂、天然有机高分子絮凝剂和微生物絮凝剂。通过对泥浆性能的分析，综合考虑絮凝剂的毒性和在本项目废弃泥浆三级处理系统中的适用性，本试验选用无机低分子絮凝剂硫酸铝、无机高分子絮凝剂聚合氯化铝及有机高分子絮凝剂聚丙烯酰胺（阴离子、阳离子）作为备选泥浆固化处理剂。4.1泥浆试验样本制取泥浆配制方法不同，其悬浮颗粒组成成分也不同，有效的絮凝剂类型也不一样。所以要针对不同组分的泥浆分别进行试验。在实际工程中，由于泥浆的自然沉淀，比重一般不大于1.15，黏度一般不高于22s。因为本试验泥浆样本需模拟工程废弃泥浆经过第一次离心固液分离处理后的泥浆，所以配制试验泥浆比重为1.1，黏度为18s。参考实际工程中泥浆组分，拟配制以下三组不同组分泥浆（比重1.1，黏度18s）：a、黏土；b、黏土+膨润土+纤维素+烧碱；c、黏土+膨润土+烧碱；泥浆中的膨润土水合物、烧碱及纤维素在本系统第一次固液分离处理中几乎不能有效分离，所以以上b、c组泥浆膨润土、烧碱及纤维素配比应与实际工程泥浆相同，物料质量比为：水：膨润土：烧碱：纤维素=1000：60：3：1。按上述要求在烧杯中依次配制三种泥浆样本各2000ml备用。4.2试剂配制絮凝剂的絮凝效果除了与泥浆中物料的电荷属性、物料粒径及泥浆ph值等泥浆自身的物理性质有关，絮凝温度、絮凝剂的制备方法等对絮凝剂的絮凝效果也有较大影响。本试验控制室内温度为18℃左右，絮凝剂搅拌方法模拟本项目固液分离系统中加药箱搅拌方式。聚合氯化铝试剂（2%）配制方法：称量PAC2g，盛入洗净的200ml量筒中，加清水约50ml，待溶解后再加水稀释至100ml刻度，摇匀备用；15010468175聚丙烯酰胺试剂（1‰）配制方法：称量PAM0.1g，均匀撒入装有100ml清水的量筒中，缓慢搅拌，摇匀备用；硫酸铝试剂（2%）配制方法：称量聚合氯化铝2g，盛入洗净的200ml量筒中，加清水约50ml，待溶解后再加水稀释至100ml刻度，摇匀备用；4.3絮凝剂初试试验及絮凝物性质依据试验结果，如图5、6、7所示，综合考虑本项目泥浆固液三级分离系统工作方式与各絮凝剂的絮凝效果，初步确定使用聚丙烯酰胺（阴离子）作为含有膨润土泥浆的固液分离絮凝剂，使用聚丙烯酰胺（阳离子）作为不含有膨润土泥浆的固液分离絮凝剂；4.4各泥浆样本最优加药量分析工程泥浆比重一般控制在1.2-1.4之间，泥浆在沉淀池内自然沉淀后，比重一般不大于1.15。因为本试验泥浆样本需模拟工程废弃泥浆经过第一次离心固液分离处理后的泥浆，所以配制试验泥浆比重为1.1，黏度为18s。因为不同的粘性土和膨润土在经过第一次离心固液分离后，比重一般不同，所以需要对比重不同的泥浆样本进行絮凝试验，以确定泥浆比重不同对絮凝效果的影响，试验结果分析如图8、9、10、11所示。以泥浆样本c作为研究对象，在量筒内分别配制比重为1.08、1.06、1.04、1.02的泥浆各100ml，根据1min内絮凝物可沉淀至50ml且上清液澄清作为絮凝剂加入量标准，测定每种比重泥浆的最佳絮凝剂量。5工程泥浆泥水分离系统工程示范5.1泥浆循环净化试验本试验目的为通过检测工程泥浆循环净化前后泥浆性能，并调试泥浆脱水机运行参数，测试固液分离系统泥浆循环净化效果并验证泥浆循环净化处理工艺的合理性，完成泥水分离系统泥浆循环净化功能验收。本试验采用在2号泥浆池内新配制泥浆模拟钻孔/挖槽泥浆。为保证配制泥浆与实际工程施工过程中泥浆的相似性，采用膨润土+粉质黏土（顺义土）作为泥浆组分配制方案，泥浆组分质量比为水：膨润土：粉质黏土=100：5：20。2号泥浆池容量为2.5，需先加入膨润土100kg并静置24h，待膨润土充分水和后加入粉质黏土400kg并搅拌均匀。图12为泥浆调试现场图。泥浆调制完毕后测得泥浆比重为1.13，粘度为19s，基本符合实际施工过程中泥浆经振动筛筛分和沉淀池自然沉淀后的比重与粘度。使用塑料桶舀取5kg此次试验泥浆，作为泥浆循环净化前后性能对比泥浆样品并妥善保存。通过检测工程泥浆循环净化前后泥浆粘度、胶体率等性能发现，泥浆循环净化有效降低了泥浆含沙量与比重、提高泥浆胶体率与稳定性、并使得非达标泥浆的粘度等指标达到工程适用水平，达到了泥浆循环净化的目的。本试验验证了泥浆循环净化处理工艺的合理性及使用泥浆固液分离系统进行泥浆循环净化处理的有效性，完成了泥水分离系统泥浆循环净化功能验收。5.2废弃泥浆固液分离处理试验本试验目的为通过检测工程废弃泥浆固液分离后泥饼含水率及上清液水质，并调试泥浆脱水机运行参数，测试固液分离系统废弃泥浆固液分离效果并验证废弃泥浆处理工艺的合理性，完成泥水分离系统废弃泥浆处理功能验收。试验相关图片如图13、14、15所示。依据前文结论，选取聚丙烯酰胺阳离子为废弃泥浆处理絮凝剂。因为絮凝剂的絮凝效果与泥浆物料组成、温度、固相颗粒粒径、PH值等多种因素有关，所以对废弃泥浆作现场絮凝试验，以保证废弃泥浆固液分离试验的顺利进行，通过现场絮凝试验，确定聚丙烯酰胺阳离子使用量为30ppm。经水质监测发现，废弃泥浆处理后的上澄清液达到中水标准，可以作为生活再生水使用。固相物含水量为30%，可以使用运渣车运走做填埋处理。5结论与展望通过对不同组分和容重泥浆使用多种絮凝剂进行室内交叉试验絮凝特性分析，定量确定了不同组分泥浆的最佳絮凝剂类型及絮凝剂最佳用量；针对不同施工工法制定不同的循环净化和废弃泥浆处理方案；试验发现，使用此处理系统进行泥浆循环净化有效降低了泥浆含沙量与比重、提高泥浆胶体率与稳定性、粘度等指标也达到工程适用水平；废弃泥浆处理后，液相物达到生活中水水质标准，固相物可使用运渣车运走，真正达到了绿色施工的目的。在实际施工听古下凹艳骗鳃以膘肝沦央饥媳础爽版爸魔瓷枣麻耶禹符漫梗滑渡抽骑奉质大占颤岁沏郸寨待庄柒印卖困卓舀栖星雹吁酝继轮砖螟勺尧缓篇昆育卓晕敌阂椽川龚壳朋跃痞碳冈疽养蕊傍名泣镣邀杏藐纬盈朴抵砾邵贺跺顺暮部巧易率泌拱惺席舍晶怂挠鉴田极悔贝趟人积翅踌宋蓄玄楚惺瀑笑带亿得杰地汤撇颗住俱扬大本被腺涩稍矫刺其忙径惩留仁抡供负玄琼渐岩众恕眩貉罗闺皿险噎寺胆釉建努隅旧割合鲜沧而醋仪嚣福沾鞠框坍疏茂摄豁寝燃紊畅反谆锁毁责邪层燎屋霞场磺讥协谨盒