基于廢油綜合利用的微塵灰土適用性研究

孫旻晙　顧歡達

(蘇州科技學院土木工程學院　江蘇蘇州　215011)

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基于廢油綜合利用的微塵灰土適用性研究

孫旻晙顧歡達

(蘇州科技學院土木工程學院江蘇蘇州215011)

分析了目前已經應用的煤炭抑灰劑配方在道路灰土應用的效果與力學性質變化，并基此采用地溝油脂混入石灰土中，研究其抑塵能力以及應用價值與前景。研究結果表明：地溝油微粒的存在對于石灰土抑灰效果明顯且物理性質變化不大，對土體的力學性質與抗滲透均有增益作用，將有可能變廢為寶且緩解大氣粉塵污染的可行途徑。

道路灰土；摻油配比；抑灰性能；力學性質

0　引言

目前道路揚塵問題非常突出，其產生的主要原因是：在修筑道路過程中行車路面多為松軟裸露泥土層。其道路修筑標準偏低，工程質量差，日常維護不夠，一吹風時就如同刮沙塵暴，空氣中粉塵濃度可高達幾十到幾百毫克每立方米。不但會形成霧霾影響視線，使行車間距被迫增大，迫使車速降低并讓人呼吸困難，還大量含有PM2.5， PM10等微粒，距離路邊5m處，空氣含塵濃度可高達750～800mg/m3，為通常衛生標準的數百倍[1]，會引發各種呼吸道疾病。路面揚塵的特點屬于開放性產塵，產塵點多，位置不固定并且涉及面大，而且還有陣發產塵的性質。其粉塵散發到大氣中，故不能用通常的通風防塵方法和除塵設備來控制，于是在實際工作中，道路抑塵工作主要靠人工灑水與天然降水，效果非常有限。因而，道路揚塵的防塵任務艱巨。

另一方面，餐廚廢油的處理與回收再利用也是當前熱門課題。餐廚廢油即俗稱的地溝油主要系指從餐飲業油水分離系統或下水道中撈取油膩漂浮物，一部分酸敗煎炸老油、劣質動物油脂等，是人們對廢棄各類劣質油脂統稱。目前已經有將其再生循環利用為生物柴油與沼氣的相關技術，并且已經在部分代替航空煤油的實驗中取得成功。但在另一方面，因為其分布零散，尤其是在城鄉結合部地區，地溝油回收成本大，監管難度大，故多被直接丟棄，甚至僅僅通過簡單過濾提煉就回到餐桌上。據不完全統計，每年返回餐桌地溝油約有200～300萬噸之多[2]，這對社會與食品安全都造成非常大的危害。

而在同樣受粉塵問題影響嚴重的煤炭行業，對于化學抑塵劑的研究已經比較成熟，其中一種粘結型抑塵劑配制方法是在傳統灑水抑灰方法基礎上，在水中摻入5%的渣油與1%的月桂醇乳化劑形成均勻的乳狀液體噴灑在煤堆表面形成抑塵殼，成本低廉卻效果明顯。該配方中起主要作用的是油微粒，在其乳化之后外相水首先與粉塵接觸使其濕潤凝結，同時乳化液中游離的少量表面活性劑分子在水面的疏水基能沖破塵粒表面的空氣膜，促進凝結濕潤作用，防止底層粉塵在沒有濕潤的條件下被翻起與飄散。乳化液破乳后其表面活性劑分子可以在微粒表面形成定向排列的吸附膜與油膜，抑制水分蒸發，因此增大了其作用時效，并且增強了微粒之間的結合力，能粘結粉塵成粒成塊[3]。基于此理論，本文將餐廚廢油油脂混入石灰土中，研究其抑塵能力，以及應用價值與前景。

1　配合設計與試驗方法

1.1實驗材料

試驗原料土取自蘇州市某閑置土地的粘性土，原料土為普通黃粘土，比重度2.718，曬干后天然含水率4.2%， 按現行國家標準《土工試驗方法標準》(GB/T50123—1999)，《巖土工程勘察規范》(GB50021-2001)和《建筑地基基礎設計規范》(GB50007-2002)，根據顆粒組成及塑性指數確定該土的類別。在該狀態下塑性指數Ip為17.4%，液限ωL為37.2%，屬于低液限粘性土CL，液性指數IL在-0.6～-0.4之間，處于堅硬狀態，顆粒分析后結果是不均勻系數Cu為8.67，曲率系數Cc為2.89，級配較好。最優含水率11.4%，對應最大干密度2.1g/cm3。

按目前一般容易揚灰的低等級道路用的石灰土采用的標準路基改善土施工工藝，固化劑采用磨細消石灰氫氧化鈣Ca(OH)2，以土質量8%比例摻入并混合均勻。

實驗用廢油脂來自食堂的餐飲剩余油料，其經過長時間煎炸已經高度氧化，符合餐廚廢油標準。

1.2配合設計

實驗配合比采用以0%，1%，3%，5%質量的廢油脂摻入石灰之中并混合均勻，與土體結合并按實驗需求制作成式樣養護7d，28d，90d不等，每組實驗2到3個平行樣進行比較并取平均值。

1.3試驗方法

1.3.1物理性試驗

物理性試驗包含含水率實驗、比重度實驗、顆粒分析實驗、最大干密度實驗與界限含水率實驗。

天然含水率，對經太陽充分暴曬之后原狀土本身按照國標GB/T50123-1999土工試驗方法標準第4條進行。

比重度實驗，對原狀土本身按照國標GB/T50123-1999土工試驗方法標準第6條進行。

顆粒分析實驗，對原狀土本身按照國標GB/T50123-1999土工試驗方法標準第7條進行。對于大于0.075mm顆粒采用篩分法進行，而小于0.075mm顆粒采用甲種密度計法進行實驗。

最大干密度實驗，對原狀土與摻油脂含量0%與3%的石灰土按照國標GB/T50123-1999土工試驗方法標準第10條進行重型擊實實驗，分5層擊實，每層56擊。

界限含水率實驗對原狀土與摻油脂含量0%、1%、3%、5%的石灰土按照國標GB/T50123-1999土工試驗方法標準第8條進行液塑限聯合測定法實驗。

1.3.2抑塵效果試驗

抑塵效果采用風道實驗，以易于揚灰的純消石灰顆粒為研究對象，研究不同摻油脂含量比例之下對于石灰微粒飄散的抑制能力。風道在室內自行完成，主體為開口平底U形，長約385cm，取自漏斗口豎直投影點后350cm為研究的有效長度，每50cm劃分一個區段，高46cm，寬23cm(如圖1)。進行實驗時候加蓋，實驗完成后取下蓋子并進行數據采集與研究。風源為普通家用閑置電風扇，并使用標智GM8902型手持式數字風速風量儀來確定預定風速。風速選擇為常見的二級風標準的1.6m/s至3.3m/s。

(1)落距實驗

在風道起點處安裝漏斗，用風速儀確定漏斗口處的風速并加以調整至設計風速(如圖2)。將過2mm篩的石灰稱重400g石灰并摻入質量比為1%，3%，5%的廢油脂，用加蓋的電動攪拌機充分攪拌混合均勻。并取未摻油脂含量石灰400g作為原狀對照組。實驗風速設計為兩組，分別為1m/s和2m/s，每組實驗均為兩個平行樣即2×100g。

實驗時從每組試樣中取100g，用調羹少量多次的倒入漏斗之中，使石灰顆粒均可以受風吹動，當100g試樣倒完后，停止吹風。用毛刷仔細回收各區段內堆積的石灰并逐一用精密臺秤稱重，記錄數據。將回收的石灰裝入密封袋中并對剩下的試樣進行相同條件的平行實驗，同樣要回收各區段內堆積的石灰并逐一稱重，記錄數據，回收的石灰裝入前次實驗回收石灰的密封袋中并標注摻油脂含量量與風速條件，然后用同樣方法測定不同摻油脂含量量的石灰在2種風速條件之下的落距情況。

(2)吹失實驗

落距實驗完成后拆下漏斗并把漏斗口封住，用一35cm×23cm×15cm的紙盒子放在風道入口處，并用風速儀確定盒子上部的風速加以調整至設計風速3～3.2m/s(如圖3)。將各組試樣稱30g出來均勻布撒在23cm×15cm的塑料片上，與塑料片一起稱重讀數后放在紙盒上面，吹風并分別計時1min、5min、10min與30min，對各時間段內的剩余石灰與塑料片稱重及計算相比吹失前一共損失質量多少，并加以記錄。一組試樣完成后用另外一個塑料片裝上30g的同組試樣并做相同條件的平行試驗，共計3組平行試驗。回收剩余試樣并對其他配合比的試樣進行同條件的實驗。

1.3.3物理力學性質試驗

物理力學性質試驗由無側限抗壓強度實驗、三軸壓縮實驗，固結實驗，膨脹實驗以及滲透試驗組成。以上實驗均針對不同比例摻油脂含量的石灰土按實驗要求以16%含水率下充分壓實制樣，進行一定齡期養護后進行。

無側限抗壓強度實驗按照國標GB/T50123- 1999土工試驗方法標準第17條進行。針對摻油脂含量0%、1%、3%、5%的石灰土，分3層壓實成高8cm、直徑3.9cm的試樣，標準養護7d與28d以后進行，并額外針對摻油脂含量0%與3%的石灰土試樣進行90d的養護，每組實驗2個平行樣。

三軸壓縮實驗按照國標GB/T50123-1999土工試驗方法標準第16條進行，采用不固結不排水剪三軸壓縮實驗UU進行，針對摻油脂含量0%、1%、3%、5%的石灰土，分3層壓實成高8cm、直徑3.9cm的試樣，標準養護28d以后進行，在50kPa，150kPa，300kPa3個圍壓條件進行試驗，每組實驗2個平行樣。

固結實驗按照國標GB/T50123-1999土工試驗方法標準第14條進行。本實驗采用標準固結實驗進行。針對摻油脂含量0%、1%、3%、5%的石灰土，不分層直接壓入成高2cm、內直徑6.18cm的環刀里面，標準養護28d以后進行，采用50kPa、100kPa、200kPa、300kPa、400kPa、800kPa的6級施加壓力，每組實驗2個平行樣。

膨脹實驗驗按照國標GB/T50123-1999土工試驗方法標準第21條進行。本實驗采用無荷膨脹率實驗進行。針對摻油脂含量0%、1%、3%、5%的石灰土，不分層直接壓入成高2cm、內直徑6.18cm的環刀里面，標準養護28d以后進行，采用無荷載膨脹率實驗方法，每組實驗2個平行樣。

滲透試驗按照國標GB/T50123-1999土工試驗方法標準第13條進行。針對摻油脂含量0%、3%的石灰土，分兩層壓入成高4cm、內直徑6.18cm的專用環刀里面，標準養護28d以后進行，采用變水頭滲透試驗實驗方法，每組實驗2個平行樣。

2　試驗結果與分析

2.1物性變化規律

2.1.1最大干密度實驗的變化規律

最大干密度實驗用某電動擊實桶完成(如圖4)，得到不同配合比的土樣的最大干密度與相對應的最佳含水率數據如表1與圖5～7所示。

表1　不同配合比的土在不同含水率下的干密度

研究發現，摻入石灰使土體最大干密度有所下降，對應的最優含水率提高。這在前人的相似研究中亦有該方面研究結果，混合料中最大干密度隨著石灰含量變化而變化，混合料中最大干密度隨石灰含量增多而減小，而最佳含水量隨著石灰增大而增加，呈規律性變化[4]。摻油與否，對于最大干密度與相應最佳含水率變化影響甚微。

2.1.2界限含水率實驗的變化規律

界限含水率實驗，采用某液塑限聯合測定儀完成(如圖8)，得到不同配合比土樣的17mm液限，塑性指數與液性指數的數據如表2與圖9～11所示。

表2　不同配合比的土的17mm液限，塑性指數與液性指數

研究發現，油的含量對液塑限性質變化比較明顯，液限、塑性指數、液性指數均層增加趨勢。這說明油脂的加入使得土體微粒之間一方面變得潤滑，在更加寬泛的含水率之下土體擁有可塑性，方便了土方施工。另一方面加強了土微粒之間聚合力，使得土體在更高含水率條件下液化并喪失承載能力，同樣方便施工與維護工作。

2.2抑塵效果分析

2.2.1落距實驗的結果

落距實驗采集得到的不同摻油脂含量的配合比之下的微塵顆粒在不同風速條件之下的質量分布數據如表3、表4與圖(12-14)所示。

表4　落距實驗于2m/s風速條件下各各區間石灰回收量　g

由此可見，尤其在2m/s大風速條件之下，摻油脂含量越高，粉塵吹落距離越短，抑灰效果越明顯。

2.2.2吹失實驗的結果

吹失實驗采集得到的不同摻油脂含量配合比之下的微塵顆粒在固定風速條件之下，相應時間段之內損失的質量分布數據如表5與圖15所示。

表5　吹失實驗在3-3.2m/s風速條件下石灰總損失量　g

由此可見，在3m/s較大風速條件之下，摻油脂含量越高，吹失量越少，抑灰效果越明顯。

綜上所述，結合前人實驗結果，石灰粉塵在餐廚廢油作用之下其散布得到有效的抑制。

2.3力學性質變化

2.3.1無側限強度實驗結果

無側限強度實驗用某無側限壓縮儀完成，并補充進行三軸實驗的不固結不排水剪實驗以測定抗剪強度(如圖16)，得到不同配合比試樣的相應力學參數數據如表6所示。

由此可見，齡期越長，土顆粒與石灰石反應生成具有凝膠性質的產物——水化硅(鋁)酸鈣(CSH)微晶體。隨著時間的增長,石灰與土的生成物在數量上不斷增加,其孔徑減小。CSH 的產生和結晶使得土的微結構更加牢固[5]，而植物油的加入使試樣強度進一步增強。根據前人在石灰土加入桐油得出的實驗結果，桐油與石灰混合后無側限抗壓強度增大，其原因在桐油主要成分桐油酸的一個分子中有3個雙鍵互成共扼體系，因此桐油酸易聚合及被氧化[6]。桐油酸的憎水性和其他特征均與這種酸的結構和性質密切有關。具有上述化學性質的桐油與石灰進行化學反應的時候，能夠產生強大的化學膠結力。因此，試樣的無側限抗壓強度進一步增加。桐油是一種很早運用于建筑工程的植物油，而餐廚廢油亦大部分來自植物油且其主要成分各型亞麻酸為桐油酸的同分異構體，化學成分有相似之處，并且已經經過高度氧化。而E50即50%強度壓縮模量由于內部復雜結構與潛在瑕疵空隙等因素，其同一配比的不同平行樣前期強度發展偏差非常大，而后期均處于差不多強度水平。三軸實驗亦得出幾乎相似的結論。

2.3.2固結實驗結果

固結實驗用某固結儀完成(如圖17)，得到的不同配合比的試樣的不同圍壓條件下的孔隙比，壓縮模量，壓縮系數與回彈指數的數據如表7～10所示。

表7　不同配合比的土在不同圍壓下的孔隙比ei　MPa

表8　不同配合比的土在不同圍壓下的壓縮模量Es　MPa

表9　不同配合比的土在不同圍壓下的壓縮系數av　MPa

表10　不同配合比的土在不同圍壓下的回彈指數Cc　MPa

因為試樣本身已經經過充分壓實，孔隙比隨壓力變化非常小，而油的存在使得試樣孔隙比ei略微增大，壓縮模量Es略微減小。這說明油顆粒占據土體空間同時是土體顆粒潤滑而相對變軟容易壓縮。壓縮系數av與回彈指數Cc沒有明顯變化，尤其在后期大壓力作用下，說明高圍壓作用下，油微粒對土體的壓縮性與回彈變形影響非常微弱。

2.3.3膨脹與滲透性

滲透實驗用某滲透儀與搭建的帶刻度的導管系統完成，膨脹實驗由固結儀完成，得到的不同配合比的試樣的滲透系數與膨脹率數據如表7～10所示。

表11　膨脹與滲透性實驗結果

因為試樣本身已經經過充分壓實，孔隙比非常小，故滲透率非常低，膨脹變化非常微小，但仍然能看出油的存在能一定程度地抑制水的浸入。作為疏水物質，油微粒一方面填充土顆粒之間的孔隙抑制水的浸入，另一方面則在水與土顆粒之間形成隔絕，使土體在濕潤狀態下更加穩定。

3　結論

綜上所述，微量的餐廚廢油油脂微粒的存在，使得粉塵飄散得到抑制的同時，對于石灰土物理性質變化不大，而且對土體的力學性質與抗滲透均有著增益作用，說明餐廚廢油有著顯著的降塵抑灰效果，還能減少灑水的工作量。一方面緩解我國尤其西北部地區水資源稀缺與道路條件差易起塵的矛盾，也能節約灑水工作的成本與人工。餐廚廢油對于石灰土體結構強度有著些許加強，不需要額外的補強措施，方便施工進行。并且其成本低廉，將其回收利用，減少囤積引發的環境污染與回流市場而造成的健康問題。混入餐廚廢油的石灰土進一步深入研究并加以應用是一種變廢為寶且緩解大氣粉塵污染的優良途徑，完全大有作為之地，值得我們實踐思考。

[1]李鋼,樊守彬,田剛,等．應用于瀝青路面的化學抑塵劑效果試驗[J]．城市管理與科技，2005,7(4)：152-154．

[2]張 強,陳秋生,劉燁潼,等.地溝油識別與檢測方法研究現狀[J]． 糧食與油脂，2010,(9):39-40.

[3]王磊,趙仕華,劉澤常,李敏. 化學抑塵劑進展研究[J]．有色礦冶,2006,22(8):119-120.

[4]楊志強,郭見揚. 石灰處理土的物理力學性質及其微觀機理的研究[J]． 巖土力學1991,12(3):11-22.

[5]陳佩杭,徐炯明,鬼緣克忠. 桐油與石灰加固吉野里墳丘墓土的實驗研究[J]． 文物保護與考古科學 SCIENCES OF CONSERVATION AND ARCHAEOLOGY 2009,21(4):59-65.

[6]日本油化學協會.油脂化學便覽(改訂二版)[M].丸善株式會社,1971.

孫旻晙(1989-)，男，學士，主要從事土木工程專業巖土方面的研究。

顧歡達(1958-)，男，博士，教授，主要從事軟土地基處理技術及原理方面的工作。

Study on Applicability of Lime Soil mixing Processed Ash based on Applicability of Hogwash Oil Comprehensive Utilization

SUNMinjunGUHuanda

(Department of Civil Engineering, Suzhou university of Science and Technology, Suzhou 215011)

Our country is currently suffering serious dust-emission problem from unpaved roads and road construction sites. There comes conclusion. The existence of hogwash oil particles has obvious effect on the dust-emission characteristic of the lime soil.and it could become a feasible way to alleviate the atmosphere and waste dust pollution.

Lime soil for the road construction; Oil blending ratio; Anti dust-emission property; Mechanical properties

孫旻晙(1989-)，男。

E-mail:2564449895@qq.com

2015-10-27

TU4

A

1004-6135(2016)02-0073-07