粉煤灰摻量對土壤混合材料空氣阻隔性影響的試驗

陳勝華,胡振琪

(1.太原理工大學陽泉學院,山西陽泉 045000;2.中國礦業大學(北京)土地復墾與生態重建研究所,北京 100083)

粉煤灰摻量對土壤混合材料空氣阻隔性影響的試驗

陳勝華1,胡振琪2

(1.太原理工大學陽泉學院,山西陽泉 045000;2.中國礦業大學(北京)土地復墾與生態重建研究所,北京 100083)

治理自燃煤矸石山需要覆蓋大量惰性材料,為節約土源、廢物利用和保障環境效益,研究粉煤灰代替部分土壤做自燃煤矸石山覆蓋材料的最佳配比。將粉煤灰分別與粉土、粉質黏土按照不同體積比均勻混合,通過室內模擬實驗,測定不同配比混合材料的空氣阻隔效果,分析不同粉煤灰摻量對混合材料空氣阻隔性的影響規律。結果表明:在粉質黏土、粉土中摻入粉煤灰,混合材料的空氣阻隔性隨粉煤灰摻量增加而衰減,不同壓差下測定其滲透率與粉煤灰摻量呈近似的指數函數關系;粉煤灰含量50%和30%分別是決定粉土、粉質黏土空氣阻隔性變化的一個重要特征。建議在粉土中摻入粉煤灰的比例小于50%,在粉質黏土中摻入粉煤灰的比例小于30%。

粉煤灰;混合材料;空氣阻隔性;自燃煤矸石山;滲透率

治理自燃煤矸石山,覆蓋碾壓法一直是國內外采用的主要方法,即將黃土等惰性物質覆蓋在煤矸石山表面,以隔絕空氣防止自燃[1－4]。實踐中,煤矸石山治理面積大,覆蓋阻燃需要大量惰性材料,傳統方法一般取當地土壤覆蓋然后碾壓[4－5],如陽泉,治理煤矸石山用于征地取土的費用約占工程總投入的1/3,且征地費用逐年提高,征地大多為礦區農村廢棄地甚至耕地,取土導致一系列環境問題如植被破壞、土地減產、水土流失等,與保護環境治理煤矸石山的目標相違背,而國家有關保護耕地及土地資源的政策,也不允許大量取土治理煤矸石山。因此,土源問題在很大程度上限制了煤矸石山大量覆蓋土壤的治理實踐。

粉煤灰是燃煤電廠從煙道氣體中收集的細灰,是中國當前排量較大的工業廢渣之一,粒徑小,以粉土粒為主要組成,其工程性質可表現出與粉土相近的一些特性[6－8]。

另外有研究表明,粉煤灰覆蓋可以明顯地抑制煤矸石中微生物(硫桿菌)對黃鐵礦氧化的催化作用并提高煤矸石淋溶液的pH值[9－10],這對煤矸石山防止自燃及減少環境危害有積極作用。而目前關于粉煤灰在煤矸石山綜合治理中的應用,一些礦區自發性地進行了實踐[5,11],但沒有深入理論研究。

本文基于節約土源、廢物利用、環境效益與經濟效益并存的目標,在滿足自燃煤矸石山封閉目標的前提下,研究在土壤中摻入粉煤灰,通過室內模擬實驗,分析不同配比對混合土空氣阻隔性的影響規律,給出具有參考意義的配比方案。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

外加水分通常以游離水的形式存在，水分活度高，在后續的飼料加工如加熱、擠壓制粒、冷卻、輸送、儲存中容易揮發損失，同時也容易引起飼料霉變。因此通過添加水分活度降低劑（保濕劑）來降低水分活度，有利于改善調質效果，減少水分在后續加工過程的損失，同時有利于提高生產效率，獲得高質量的顆粒飼料，還有利于顆粒成品的儲存。然而，有關水分活度降低劑在食品加工中應用研究較多，而在飼料加工中的應用國內研究報道甚少。國外有一定數量的在寵物飼料生產中應用的研究文獻。

表1 試驗樣品的礦物組成Table 1 Mineral composition of test sample%

表2 試驗材料的粒徑分析Table 2 Particle-size analysis of test material

1.2 試驗方法

試驗為室內試驗,通過模擬現場施工條件,利用自制設備(用于自燃煤矸石山隔離層透氣性測試的設備,專利號ZL200820123452.9)[12]直接測試不同配比覆蓋材料的空氣滲透性,以此表征覆蓋材料的空氣阻隔效果。

1.2.1 試樣制備

試驗材料采集后,取樣測試其天然含水率,并將試驗材料用干法處理。粉煤灰風干,不用過篩,拌勻后取樣測定其風干含水率;粉土和粉黏經風干碾碎,過5 mm篩,將過篩的土樣拌勻,取樣測其風干含水率。綜合分析試驗材料的天然含水率、風干含水率及其輕型擊實條件下的最優含水率,確定試樣制備的摻水比[13－14]。

式中,KN為粉煤灰－粉黏的空氣滲透率,m2;aN,bN為擬合線性系數,根據該試驗結果,不同壓差下得到的擬合曲線中,系數aN的取值在1×10－15～2×10－15,bN的取值約為0.04,說明擬合模型受壓差影響較小,可取平均值,近似表達式為

模擬現場施工條件,將混合土樣裝入覆壓效果測試設備的試樣管中,并采用分層裝填、分層擊實的方法,施以一定的擊實功,使管中試樣達到一定的密實度。為了研究和比較不同覆蓋材料的隔氧阻燃性能,各試樣在相同單位擊實功條件下進行測試。試驗中,單位擊實功為

式中,W為擊錘質量,該實驗用重型擊實錘,質量為4.5 kg;d為落距,重型擊實錘落距為0.457 m;N為每層土的擊實次數,該試驗中為15次;n為填土層數,該試驗中,厚度為30 cm的試樣分3層;V為試樣體積。

陽泉煤矸石山治理現場使用自制碾磙(截面直徑1.58 m,寬1.1 m,單位質量3 800 kg),由機動車牽引,在煤矸石山平面或坡面實施碾壓作業。經試驗,設備在傾角30°的坡面上往返碾壓3遍,覆蓋土的壓實度可達0.85～0.92。本試驗聯系實際工程條件,采用壓實度作為碾壓質量控制標準,測試各個試樣壓實度在0.85左右時的空氣阻隔性,以此為實踐提供較可靠的理論依據。

關于粉煤灰的摻量,從節約土源、廢物利用、降低成本的角度來說,粉煤灰摻入比例越高越好;而從煤矸石山覆蓋層隔離空氣角度來講,粉煤灰摻量少一些為宜。本次試驗將粉煤灰分別與粉土、粉黏以不同體積比均勻混合,按照粉煤灰的摻入量不同,粉煤灰與粉土、粉黏的配比方案有2∶8,3∶7,5∶5,7∶3和8∶2。

試樣制備的詳細描述見表3。將粉土、粉黏搗碎過5 mm篩,拌濕的土樣攪拌均勻,密閉靜置24 h后按不同體積比充分混合,分3層裝入試樣管并用重型擊實錘分層擊實,每層擊實次數為15,每層厚度均等(擊實后控制在10 cm);試樣管內徑16 cm,橫截面積200.96 cm2;試樣厚度30 cm,體積6 028.8 cm3;重型擊實錘質量4.5 kg,落距45.7 cm;擊實總做功908 J,單位擊實功150.6 kJ/m3。經計算試樣的壓實度均約為85%。

表3 不同比例混合材料試樣的制備條件Table 3 Preparation condition of mixed material sample by different proportion

1.2.2 試驗測定項目與方法

(1)空氣阻隔性的測定。

所有患者的實際失血量（r＝0.245，P＜0.001）、顯性失血量 （r＝0.216，P＝0.002）、隱性失血量（r＝0.176，P＝0.013）均與手術時間存在著明顯的正相關性，其中實際失血量與手術時間的密切程度最高。而實際失血量（r＝0.107，P＝0.135）、顯性失血量 （r＝-0.008， P＝0.912）、 隱 性 失 血 量 （r＝0.099，P＝0.162）均與術后住院天數無明顯相關性。

試驗用自制設備測定試樣的空氣阻隔性,用滲透率表征。所測量的參數主要是空氣滲透流量Qg,即氣體數量Jg(m3)和氣體流量變化時間t(s)的比值,滲透率K由達西方程計算[14－25]。相關測量數據及結果計算如下:

式中,Qg為氣體透過試樣段單位時間內的流量,m3/ s;K為滲透率,m2;μg為試驗中滲透氣體的動力黏性系數,Pa·s;L為氣體在試樣中水平滲透距離,m;ΔP為試驗壓差,Pa;A為試樣橫截面積,m2;vg為氣體的流速,m/s。

(2)含水率及密度的測定。

試樣管中填裝土樣時,同時用鋁盒取2個代表性土樣,以烘干法測定試樣的含水率ω,當2個測值的差值小于1%時,取平均值[14]。

韓國在2004年就先于發起了U-City計劃，希望能通過普及化的信息通信技術提高城市的綜合競爭力。并于2011年6月以首都首爾為試點，發起“智慧首爾2015”計劃，通過持續的發展投入在“2016智慧城市博覽會（Smart City Expo World Congress）”獲得了“全球智慧城市獎”城市領域大獎。

試驗中,測定干密度用來檢測一定擊實功條件下試樣的密實度。實測干密度與該材料一定條件下的最大干密度相比較,判定試樣的壓實程度[14]。

式中,ρdy為壓實后實測干密度;ρmax為室內標準功能擊實的最大干密度。

2 試驗結果與分析

為了檢測粉煤灰不同摻量對混合土空氣阻隔性能的影響,在不同壓差下對混合材料的空氣滲透性進行了檢測,并根據測定的滲透率結果表征試樣的空氣阻隔性