煤矸石多孔土壤與天然土壤特性對比研究

蘇迪，高宏宇，廖洪強，程芳琴

山西大學 資源與環境工程研究所，山西 太原 030006

礦山開發對礦區的生態系統造成了嚴重的破壞，如果不加以修復會加速環境荒漠化進程，同時也是對土地資源的一種嚴重浪費[1]。現今治理一般先采取將煤矸石直接回填壓實[2]和煤矸石粉碎后與其他固體廢棄物和膠結材料混合后注漿的方式[3]，再在填埋層表面直接覆蓋300～500 mm的新土并結合當地實際情況種植合適的綠植來進行生態修復[4]。根據礦區生態修復的實際情況和需求，直接選擇用礦區大量堆積的固廢來進行原位生態修復，既可以解決固廢堆存的問題又可以解決由于挖掘、運輸客土所產生的一系列問題，同時獲得良好的生態修復效果，是礦區生態修復研究的一條重要路線。

煤矸石是煤礦在建井、開拓掘進、采煤和煤炭洗選過程中排出的含炭巖石及巖石，是煤礦建設、生產過程中的廢棄物[5]，含碳量約為20%～30%，其它主要成分是Al2O3、SiO2以及少量的MgO、Na2O、Fe2O3、CaO、K2O、SO3、P2O5和稀有元素等微量成分[6]。現有大量的煤矸石堆存而沒有得到有效的資源化利用，全國總累計量為70多億t[7]，煤矸石堆存不僅會占用大量土地，還會引起火災、污染環境和崩塌等問題[8]。孔濤等[9]研究表明一定用量的煤矸石可以改善鹽堿土壤的生態質量，煤矸石在土壤中既可以改善土壤容重、孔隙度等物理性質，又因為自身含有一定的氮磷鉀元素還可以提高土壤中的養分含量，所以選擇煤矸石作為修復礦區生態的主要原材料。杜韜等[10]將煤矸石、天然土壤、玉米秸稈、粉煤灰和保水劑按一定比例混合研究其保水性能，試驗表明可以提高保水性能，使植物在干旱條件下正常生長。但是直接將煤矸石與天然土壤混合使用的方式存在很多問題，由于直接混用并不能使土壤形成穩定的土體結構所以保水、抗流失等效果欠佳。現存的問題是采用直接覆蓋客土的修復方式產生的水土流失問題比較嚴重，而采用直接簡單混合使用煤矸石恢復生態的方式效果并不優異。

為此，本文提出以煤矸石為主要原料，以水泥為膠凝劑，以鋁粉為發泡劑制作一種煤矸石多孔土壤的技術路線。由于該土壤具有多孔結構和不規則外觀形態，可以形成一定的土體結構，在保溫、透氣、保水、抗流失等方面的效果良好，解決了直接使用煤矸石所產生的保水性能等土壤特性不好導致復植效果不好的問題，又解決了運輸、覆蓋大量客土產生的過高成本和天然土壤保水、抗流失等性能不好的問題。試驗均與天然土壤的各種特性進行對比，以期為煤矸石在土壤改良方面的應用提供基礎數據。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

試驗使用煤矸石取自山西襄垣縣某煤礦。水泥為市售P.O 42.5普通硅酸鹽水泥。鋁粉為市售工業鋁粉。天然土壤、煤矸石及水泥的化學組成如表1所示。

表1 天然土壤、水泥、煤矸石化學組成 /%

1.2 試驗方法

1.2.1 煤矸石多孔土壤的制備方法

首先將煤矸石進行破碎、磨粉和篩分，取小于 0.15 mm的煤矸石粉作為試驗原料；然后，分別稱取煤矸石粉950 g、P.O 42.5水泥50 g、鋁粉0.7 g和水620 g；再先將煤矸石粉與水泥充分混合均勻，再將混合好的粉料置于分散機中加水攪拌制漿，以800 r/min的攪拌速度攪拌5 min，再加入鋁粉，并以1 200 r/min的攪拌速度繼續攪拌30 s進行發泡；最后將制備好的發泡漿體注入模具中，并放入恒溫箱中在50 ℃溫度下養護12 h固化成型，養護完成后將固化成型的試塊放入鼓風干燥箱中在105 ℃下烘干24 h，將烘干后試塊用顎式破碎機進行破碎并篩分，制成粒徑小于5 mm的煤矸石多孔土壤樣品，用于性能分析測試。

1.2.2 測試方法

煤矸石多孔土壤樣品的測試指標主要包括松裝密度、粒級分布、保水量、流失率和保溫性5個指標。

(1)松裝密度測試方法

稱取100 g的煤矸石多孔土壤，將稱好的煤矸石多孔土壤倒入量筒中測出其體積記為V0。按公式(1)計算：

S=100/V0

(1)

式中，S為松裝密度，g/cm3；V0為體積，cm3。

(2)粒級分布測試方法

將煤矸石多孔土壤稱重記為G，將篩子按照孔徑1 mm、2 mm、3 mm、4 mm的順序放置在電動篩上，以相同的功率將煤矸石多孔土壤震動篩分5 min后，稱取各層質量，其中5～4 mm記為g1、4～3 mm記為g2、3～2 mm記為g3、2～1 mm記為g4、<1 mm記為g5，按公式(2)計算不同粒徑范圍所占質量分數：

Y=g/G×100%

(2)

式中，Y為質量分數，%；g為不同粒徑范圍中煤矸石多孔土壤質量，g；G為煤矸石多孔土壤總質量，g。

(3)保水率和流失率指標的測試方法：

在直徑為100 mm的漏斗(G1)中均勻鋪上100 g的煤矸石多孔土壤并稱重記為G2。稱取水量300 g，通過設計的測量裝置向漏斗中的土層緩慢均勻地倒入，靜置放至漏斗無水滴下，并稱重記為G3，靜置至無水滴后再將漏斗及過濾物在105 ℃烘干至恒重，并稱重記為G4。測試裝置如圖1所示。按公式(3)、(4)計算保水率和流失率：

G=(G3-G2)/(100+G4-G2)

(3)

L=(G2-G4)/(G2-G1)

(4)

式中，G為保水率，%；L為流失率，%。

(4)土壤保溫性能測試方法：

選用兩個優利德UT321型數字式測溫儀，可實時記錄環境與土壤的溫度值。將煤矸石多孔土壤裝入500 mL的燒杯中使土柱高度為8 cm，再將其中一個測溫儀測量溫度的熱電偶置于土柱的正中央，此時熱電偶距土柱邊界均為4 cm則其受外界各方向溫度變化影響相同，再將另一個測溫儀的熱電偶放置在燒杯旁測量環境溫度，設定測溫儀每1 h自動記錄實時的環境與土壤溫度，最后根據土壤與環境在同一時間的不同溫度及測量時間內的溫度變化體現土壤的保溫效果。

圖1 土壤保水率和流失率測試裝置圖

2 結果與分析

2.1 松裝密度、粒度分布及pH比較

按照前述方法進行試驗和測試，得到天然土壤與煤矸石多孔土壤的松裝密度和粒級分布。天然土壤松裝密度為1.05 g/cm3，小于煤矸石多孔土壤的松裝密度0.67 g/cm3，松裝密度降低約36%，松裝密度越小則孔隙率越大；由表2可以看出，煤矸石多孔土壤的粒徑分布較天然土壤集中，因為粒徑大小越相近所產生的孔隙率越大，所以煤矸石多孔土壤的孔隙率大于天然土壤。孔隙率對保水率和保溫性都有影響，一般而言，土壤的孔隙率越大，其孔洞可儲存更多水分和空氣，導致保水性能和保溫性能更優。

天然土壤的pH值為8.15，小于煤矸石多孔土壤的pH值11.25，由于使用原料中水泥為堿性物質，所以制作出的煤矸石多孔土壤呈現堿性。顯堿性的煤矸石多孔土壤可以種植耐堿性植物，也可與酸性土壤進行混合使用來改良酸性土壤。

表2 天然土壤與煤矸石多孔土壤的粒級分布

2.2 保水性與流失率比較

經測試，天然土壤保水率為57%，小于煤矸石多孔土壤保水率86%，保水率增加約51%。試驗結果證明，煤矸石多孔土壤的保水性優于天然土壤。其原因可能是天然土壤質地疏松不能形成穩定的土體結構，而制作煤矸石多孔土壤時使用了發泡工藝，形成了多孔的穩定的土體結構，有利于吸收和儲存更多水分，所以增加了保水效果。

經測試，天然土壤流失率為2.52%，而煤矸石多孔土壤流失率為0.93%，流失率降低約63.1%。試驗結果證明，煤矸石多孔土壤的抗流失性能遠優于天然土壤。其原因可能是天然土壤中含有較多易溶于水的物質，一般而言，含有更多易溶解于水的物質，更易造成土壤流失；而煤矸石多孔土壤使用水泥作為膠凝物質具有較穩定的結構，且煤矸石和水泥的膠凝組分均難溶于水，遇水不易流失。

2.3 保溫性比較

所測溫度為土壤中植物根系生長所處的環境溫度，保溫性旨在保持植物生長溫度位于相對較高的水平，防止環境溫度過低對植物的生長產生不利影響。在相同條件下對天然土壤和煤矸石多孔土壤進行對比試驗，試驗結果如圖2所示，在相同的升溫過程中，天然土壤和煤矸石多孔土壤的起始溫度和后續溫度均明顯高于環境溫度，這說明土壤具有保溫性；與天然土壤相比，煤矸石多孔土壤的升溫段初期與天然土壤溫度接近，但在升溫段后期和高溫段以及降溫段的溫度均高于天然土壤；從10 h內的平均溫度來看，煤矸石多孔土壤、天然土壤和環境溫度的平均溫度分別為18.36 ℃、16.74 ℃和7.7 ℃，煤矸石多孔土壤和天然土壤的平均溫度明顯高于環境溫度，說明土壤具有保溫效果；相比天然土壤而言，煤矸石多孔土壤較天然土壤具有更好的保溫性，其原因可能是煤矸石本身的導熱性與儲熱性能優于天然土壤，更主要的是煤矸石多孔土壤在制作的過程中形成了豐富的多孔結構，其中含有大量空氣，且空氣的導熱性弱于土壤顆粒，所以具有更好的保溫性。

圖2 煤矸石多孔土壤與天然土壤保溫性對比

2.4 礦物組成比較

如圖3所示，煤矸石與煤矸石多孔土壤的組成礦相基本相同，證明在制作過程中并沒有破壞煤矸石穩定的礦相形態。天然土壤與煤矸石多孔土壤的主要組成都是石英，而相比于天然土壤的單一組成，煤矸石多孔土壤還具有一定量的其他硅酸鹽類礦物，如鋯石、高嶺石、絲光沸石和錳鈣輝石。不同的礦物組成也將帶來不同的性能特性。高嶺石屬于黏土礦物，吸水性強，和水結合后具有良好的可塑性，性質穩定，含有高嶺石可以起到增強結構的穩定性和增加吸水性的作用[11]。絲光沸石是沸石礦的主要礦物組分之一，由于硅鋁比高，五元環多，故耐酸性及熱穩定性特別高，同時絲光沸石還具有良好的吸附性能[12]。所以煤矸石多孔土壤的組成中含有絲光沸石可以使自身具有一定的吸附性能，對本身多孔結構產生的特性起到正向的促進增強作用。

2.5 微觀結構比較

從圖4(a)可以看出，煤矸石多孔土壤具有明顯的膠凝成團結構，且該結構中含有豐富的孔洞；從圖4(b)可以看出，煤矸石多孔土壤顆粒內部具十分豐富的孔洞和裂隙，且孔洞和裂隙中含有許多膠凝礦物和針狀纖維礦物；從圖4(c)可以看出，天然土壤的表面則顯現出許多細小顆粒堆積結構，顆粒之間存在堆積孔隙；從圖4(d)可以看出，天然土壤顆粒內部呈現較為致密的礦物結構，未見多孔結構。從煤矸石多孔土壤與天然土壤的表觀及顆粒內部結構可以看出，煤矸石多孔土壤整體上呈現多孔的膠凝成團結構，使其結構穩定且富有孔洞，這樣的結構賦予了煤矸石多孔土壤更優的保水性、抗流失和保溫性能；而天然土壤則整體上呈現出相對松散而內部致密的顆粒堆積結構，這樣的結構則顯現出較低的保水性、較高的流失率和較低的保溫性。

圖4 煤矸石多孔土壤與天然土壤SEM圖

3 結論

研究表明，采用發泡工藝裝備的煤矸石多孔土壤較天然土壤具有更高的保水性，更優的保溫性和更低的流失率，顯示出更優的土壤特性。這兩種土壤結構上差異較大，煤矸石多孔土壤整體上呈現多孔的膠凝成團結構，使其結構穩定且富有孔洞，這樣的結構賦予了煤矸石多孔土壤更優的保水性、抗流失和保溫性能；而天然土壤則整體上呈現出相對松散而內部致密的顆粒堆積結構，這樣的結構則顯現出較低的保水性、較高的流失率和較低的保溫性。所以使用煤矸石多孔土壤替代天然土壤或與天然土壤按一定比例混合用于礦區生態修復可以使其修復后具有更良好的土壤特性，更有利于生態恢復。但是，煤矸石多孔土壤在制備工藝中人為添加了無機膠凝材料(水泥)，其水介質中呈現更高的pH，不利于大宗植物生長，需要進行后續加工處理。