泡沫混凝土作為原位土壤熱修復(fù)隔熱層的研究

沈詣 胡鵬 張乙 葛傳芹 葛秀秀

（1 大地益源環(huán)境修復(fù)有限公司 江蘇南京 210012 2 中國聯(lián)合工程有限公司 浙江杭州 310052）

0 引言

隨著“退二進(jìn)三”和“產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移”等產(chǎn)業(yè)政策的實施，我國各大中城市出現(xiàn)了大量因工廠搬遷導(dǎo)致的有機(jī)污染物場地，引發(fā)了一系列環(huán)境污染和社會安全問題［1-3］。原位熱修復(fù)技術(shù)因其在修復(fù)低滲透性土壤、污染深度較深且有機(jī)物污染嚴(yán)重的場地中的獨特優(yōu)勢，而被廣泛應(yīng)用于有機(jī)污染場地修復(fù)［4-8］。

無論是燃?xì)鉄嵝迯?fù)技術(shù)還是電熱修復(fù)技術(shù)［9-11］都屬于熱傳導(dǎo)［12-13］式熱修復(fù)技術(shù)。熱傳導(dǎo)式熱修復(fù)主要是通過熱傳導(dǎo)的方式，將有機(jī)污染場地中的土壤升溫，促使有機(jī)污染物揮發(fā)，由固相、液相向氣相轉(zhuǎn)化，對其進(jìn)一步收集并去除［14-15］。為達(dá)到較好的去除效率，土壤需加熱到較高溫度［16］，達(dá)到或接近污染物的沸點［17-18］，因此原位熱修復(fù)技術(shù)能源消耗較大。若熱修復(fù)場地不采取相應(yīng)的隔熱措施，不但會造成場地表面溫度過高，導(dǎo)致后續(xù)運營工作無法開展，而且會因場地表明散熱而浪費大量能量。因此，表面阻隔工藝的使用在熱修復(fù)工程應(yīng)用中是一個不可或缺的組成部分。

目前，巖棉板、加氣磚是常用的熱修復(fù)場地表面阻隔材料［19-20］，但隔熱性能一般，無法完全滿足現(xiàn)場需求。其中，巖棉板在施工過程中拼接縫難于平整對齊，同時施工人員需要穿防護(hù)服，而且?guī)r棉板敷設(shè)后的封面層也不易施工；加氣磚很難將熱修復(fù)場區(qū)敷設(shè)平整，熱修復(fù)場區(qū)存在凹處，易積聚雨水，影響隔熱效果。而泡沫混凝土因其整體澆筑的特點，具有良好的工程應(yīng)用前景。

本文采用泡沫混凝土作為原位熱修復(fù)技術(shù)的表面阻隔材料，通過計算敷設(shè)的泡沫混凝土在不同環(huán)境條件下的材料散熱損失，分析、討論其隔熱性能和特點，并對后續(xù)實驗和工程的表層阻隔結(jié)構(gòu)提出改進(jìn)建議。

1 實驗設(shè)計

1.1 實驗?zāi)康?/h3>

實驗是在原位熱修復(fù)場地使用泡沫混凝土作為表層隔熱材料，通過計算敷設(shè)的泡沫混凝土在不同環(huán)境條件下的材料散熱損失，從而探明泡沫混凝土的隔熱性能。

1.2 實驗材料

泡沫混凝土是通過氣泡機(jī)的發(fā)泡系統(tǒng)將發(fā)泡劑用機(jī)械方式充分發(fā)泡，并將泡沫與水泥漿均勻混合，然后經(jīng)過發(fā)泡機(jī)的泵送系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)澆施工或模具成型，經(jīng)自然養(yǎng)護(hù)所形成的一種含有大量封閉氣孔的新型輕質(zhì)保溫材料。泡沫混凝土是一種輕質(zhì)、保溫、隔熱耐火、隔音和抗凍的混凝土材料，料漿可以自流平、自密實，施工和易性好，便于泵送及整平，與所有其它建材幾乎都有較好的相容性，且強(qiáng)度可調(diào)整。泡沫混凝土的實驗室測量的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.080 W/（m·K）～0.135 W/（m·K）［21］，工程上一般選擇在0.19 W/（m·K）～0.22 W/（m·K）之間［22］。

1.3 實驗區(qū)域

該實驗位于某原位燃?xì)鉄嵝迯?fù)場地。修復(fù)場地泡沫混凝土厚度0.15 m，混凝土封面層厚度0.1 m，加熱井采用間距2.2 m的三角形網(wǎng)格布置。實驗區(qū)域劃分在修復(fù)場地中間區(qū)域，以避免場地邊界效應(yīng)對實驗結(jié)果的影響。實驗區(qū)域內(nèi)布置4 個測溫點束，實驗測溫點束與周邊加熱井位置如圖1 所示。在各測溫點束位置，分別在如圖2 所示的泡沫混凝土層兩側(cè)布置測溫點。

圖1 測溫點束布置圖

圖2 實驗區(qū)域表面阻隔層結(jié)構(gòu)與測溫點束各層分布示意圖

1.4 實驗階段

實驗需要分析環(huán)境條件對泡沫混凝土的影響，因此需先驗證環(huán)境條件是影響隔熱性能的主導(dǎo)因素。

在原位熱修復(fù)過程中，當(dāng)最不利加熱位置的深層土壤維持在100 ℃左右時，加熱過程會出現(xiàn)溫升平臺現(xiàn)象。在溫升平臺階段，加熱區(qū)域內(nèi)的加熱井附近土壤由于已經(jīng)干燥，該部分土壤溫度會高于水的沸點。但其余絕大部分土壤仍處于含水狀態(tài)，從而其溫度會維持在100 ℃左右，因此土壤內(nèi)部溫度在此階段內(nèi)變化較小。在此階段，處于相近的環(huán)境條件下表層土壤會呈現(xiàn)相近的溫度梯度。

實驗時，在溫升平臺階段測量連續(xù)數(shù)個晴天氣溫最高時刻各測溫點的溫度。如果各測點溫度相近，可以判定加熱場地的土壤整體處于相對平穩(wěn)的狀態(tài)。此時，影響表層阻隔層性能的主導(dǎo)因素為環(huán)境條件。因此，可選擇此階段作為實驗階段。

2 實驗過程與實驗數(shù)據(jù)

在溫升平臺階段的連續(xù)5 個晴天氣溫最高時刻（實驗階段的日平均最高氣溫為30 ℃），記錄各測溫點溫度，溫度數(shù)據(jù)詳見表1、圖3。由于各測點溫度連續(xù)5 天測量的溫度相近，可以判定此時加熱場地的土壤整體處于一個相對平穩(wěn)的狀態(tài)。因此，在此階段測量不同環(huán)境條件下各測點溫度數(shù)據(jù)可以判斷不同環(huán)境條件對隔熱材料保溫性能的影響。

圖3 晴天環(huán)境平均溫度曲線圖

表1 晴天環(huán)境溫度數(shù)據(jù)表

為了分析晝夜環(huán)境、降雨對泡沫混凝土的性能影響，在實驗階段對夜間、降雨階段各點溫度也進(jìn)行了記錄。實驗階段的環(huán)境氣溫為15 ℃，夜間環(huán)境下各測溫點溫度見表2、圖4。在實驗階段后2 天，有一次較大的降雨過程。為探討降雨階段對表層阻隔層的性能影響，也對降雨時各測溫點溫度進(jìn)行了記錄，記錄時環(huán)境氣溫約為22 ℃。降雨過程的測量數(shù)據(jù)詳見表3、圖5。

圖4 夜間環(huán)境平均溫度曲線圖

圖5 降雨階段環(huán)境平均溫度曲線圖

表2 夜間各測溫點束各層溫度數(shù)據(jù)表 單位：℃

表3 降雨階段各測溫點束各層溫度數(shù)據(jù)表 單位：℃

3 結(jié)果與討論

3.1 泡沫混凝土隔熱性能與特征

根據(jù)表1～表3 的溫度數(shù)據(jù)，計算出不同條件下泡沫混凝土各測溫點位置的散熱損失。計算時，泡沫混凝土厚度取0.15 m，導(dǎo)熱系數(shù)取0.22 W/（m·K），散熱損失計算結(jié)果詳見表4。雨天環(huán)境最大散熱損失為33.7 W/m2。夜間環(huán)境最大散熱損失為29.3 W/m2。晴天條件最高散熱損失為19.7W/m2。采用泡沫混凝土作為原位熱修復(fù)表層阻隔材料時，最大散熱損失一般不超過35 W/m2。

表4 不同條件下泡沫混凝土的散熱損失 單位：W／m2

不同環(huán)境條件時，泡沫混凝土在各處表現(xiàn)出的隔熱特征也不同。

（2）對獎學(xué)金評定持不同看法的大學(xué)生，在求知興趣、利他取向維度上得分存在差異，在聲譽(yù)獲取維度上存在極其顯著的差異。

泡沫混凝土晴天環(huán)境的隔熱特征表現(xiàn)為：①隨著測溫點束與加熱井距離增加，泡沫混凝土上、下側(cè)溫度均呈現(xiàn)下降趨勢；②3# 位置上、下兩側(cè)溫度均為該層的最低溫度；③距離加熱井最近的1# 位置散熱損失較小；④泡沫混凝土最大散熱損失出現(xiàn)在2# 位置附近；⑤3# 和4# 位置散熱損失差異較小。

泡沫混凝土夜間和降雨環(huán)境的隔熱特征表現(xiàn)為：①隨著測溫點束與加熱井距離增加，泡沫混凝土上側(cè)溫度呈現(xiàn)下降趨勢；②各測溫點束位置泡沫混凝土下側(cè)溫度差異較小；③3#位置上、下兩側(cè)溫度均為該層的最低溫度；④距離加熱井最近的1# 位置散熱損失較小，其余位置散熱損失較大，但之間差異較小。

3.2 影響隔熱性能的因素

加熱井是原位熱修復(fù)工程的熱源。泡沫混凝土層的主要作用是在豎直方向上阻隔熱量損失。但由于受加熱井的影響，在不同位置的各測溫點束區(qū)域，泡沫混凝土表現(xiàn)出的隔熱性能和特征不同。3# 點位處于周邊3 口加熱井的幾何中心位置，是加熱最不利點位，因此該點位上、下兩側(cè)溫度均為該層的最低溫度。

（1）影響泡沫混凝土下側(cè)溫度的原因。該實驗場地加熱井附近的泡沫混凝土下側(cè)設(shè)置了水平抽提管。由于水平抽提管的抽提作用，使得在靠近加熱井附近的土壤與泡沫混凝土的間隙內(nèi)有大量流動氣流。同時，設(shè)計抽提風(fēng)量應(yīng)大于場地污染蒸汽的生成量以確保加熱過程中所有污染蒸汽均可以被抽提系統(tǒng)收集。過余風(fēng)量主要由場地空氣經(jīng)加熱井與表層阻隔層之間、表層阻隔邊界等薄弱部位補(bǔ)充進(jìn)入。因此水平抽提管增加了周圍環(huán)境條件（特別是周圍環(huán)境溫度）對加熱井附近區(qū)域土壤與泡沫混凝土之間溫度的影響。因此，泡沫混凝土下側(cè)溫度各處溫度由本應(yīng)呈現(xiàn)對數(shù)形式分布變?yōu)榍缣飙h(huán)境的階梯型分布。而夜間環(huán)境、降雨環(huán)境的氣溫比晴天環(huán)境低很多，此時水平抽提管的影響范圍進(jìn)一步擴(kuò)大至2# 點位附近，使得泡沫混凝土下側(cè)溫度各處溫度差異不大。

（2）影響泡沫混凝土上側(cè)溫度的原因。泡沫混凝土上側(cè)的混凝土封面層溫度主要受加熱井距離和表層散熱的影響。不同環(huán)境條件下，距離加熱井最近的1# 點位泡沫混凝土上側(cè)的溫度差異不大，因此認(rèn)為此處上側(cè)溫度主要受加熱井影響。主要受加熱井影響區(qū)域表層阻隔的溫度受環(huán)境條件影響較少，且溫度較高，需要重點關(guān)注。本實驗中，加熱井影響區(qū)域的半徑至少為0.4m。在加熱井影響區(qū)域內(nèi)，豎直方向上泡沫混凝土的散熱損失很低，但這并不意味著熱影響區(qū)域散熱損失小。因為混凝土封面層的散熱損失是由混凝土封面層溫度決定的，溫度越高，散熱損失越大。

4 結(jié)論

（1）泡沫混凝土作為原位熱修復(fù)工程場地表層阻隔材料，在不同環(huán)境條件下，均可起到較好的隔熱保溫作用。

（2）原位熱修復(fù)工程場地表層阻隔材料的散熱損失主要取決于環(huán)境溫度。采用泡沫混凝土?xí)r，散熱損失一般不超過35 W/m2。

（3）加熱井影響區(qū)域的半徑至少為0.4 m。

（4）后續(xù)實驗和工程應(yīng)該在重視豎直方向阻隔的同時，考慮在加熱井管設(shè)置水平方向的隔熱層，以減小加熱井熱影響區(qū)域范圍，并減少修復(fù)區(qū)域的表層散熱損失。

（5）抽提風(fēng)量是否合適可以通過檢測土壤表層溫度進(jìn)行判斷。風(fēng)量調(diào)節(jié)量可以根據(jù)環(huán)境條件進(jìn)行調(diào)整。