不同地區(qū)濃香型白酒窖池筑窖用土特性研究

黃裕隆，李彥中，李 覓，6，吳 玲，常少健，王超凱，6，彭 奎，劉 念，6，蔣奇男*，彭 松*

（1.四川省食品發(fā)酵工業(yè)研究設(shè)計院有限公司，四川成都 611130；2.四川江口醇酒業(yè)（集團）有限公司，四川巴中 636400；3.四川江口醇隆鼎酒業(yè)有限公司，四川巴中 636400；4.中國輕工業(yè)釀酒工程及應(yīng)用重點實驗室，四川成都 611130；5.劉念釀酒師技能大師工作室，四川成都 611130；6.釀酒生物技術(shù)及應(yīng)用四川省重點實驗室，四川宜賓 644000）

濃香型白酒生產(chǎn)以全泥窖池為發(fā)酵容器，傳統(tǒng)方法修建窖池時往往不添加其他粘結(jié)劑，僅僅依靠原料土自身的機械物理特性維持整個窖池的剛性[1]。目前大多數(shù)企業(yè)選擇原料土?xí)r并沒有科學(xué)的數(shù)據(jù)作為參考，只是靠感官特征選擇原料土。生產(chǎn)過程中，窖池容易出現(xiàn)滲漏、垮塌等事故，嚴(yán)重影響企業(yè)的正常生產(chǎn)。

以我國4 個地區(qū)部分正常生產(chǎn)的濃香型白酒企業(yè)筑窖原料土為研究對象，對原料土滲透系數(shù)、pH 值、含砂率、塑性指數(shù)、自由膨脹率、有機質(zhì)含量、干密度等7 個指標(biāo)進行分析，對比各地區(qū)筑窖原料土特性，并對其數(shù)據(jù)分布區(qū)間進行總結(jié)歸納，為指導(dǎo)濃香型白酒生產(chǎn)企業(yè)科學(xué)選土提供數(shù)據(jù)參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑及儀器

樣品：采集自我國四個地區(qū)分別為S、H、X、D，每個地區(qū)選擇八家企業(yè)，每家企業(yè)隨機選取三口正常生產(chǎn)窖池采集土樣，采集后混合均勻。

試劑及耗材：硫酸、重鉻酸鉀、七水合硫酸亞鐵、鄰菲啰啉，均為分析純，成都市科隆化學(xué)品有限公司。

儀器設(shè)備：DHG-9140 電熱烘箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；PHS-25 pH 計，上海雷磁儀電科學(xué)儀器股份有限公司；環(huán)刀、試驗篩、TST-55 滲透儀、LP-100D 液塑限聯(lián)合測定儀、WX-2000 自由膨脹率測定儀，北京中交建儀科技發(fā)展有限公司；DF1015 油浴鍋、YP6002Β 電子天平，上海力辰儀器科技有限公司；酸式滴定管、防爆試管、干燥皿，四川蜀玻(集團)有限責(zé)任公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 滲透系數(shù)測定

滲透測定參考GΒ/T 50123《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》變水頭滲透試驗方法。

1.2.2 pH值測定

pH 值測定參考GΒ/T 50123《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》酸堿度試驗方法。

1.2.3 含砂率測定

含砂率測定測定參考GΒ/T 50123《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》顆粒分析試驗的篩析法。

1.2.4 塑性指數(shù)測定

塑性指數(shù)測定參考GΒ/T 50123《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》界限含水率試驗的液、塑限聯(lián)合測定法。

1.2.5 自由膨脹率測定

自由膨脹率測定參考GΒ/T 50123《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》自由膨脹率試驗方法。

1.2.6 干密度測定

干密度測定參考GΒ/T 50123《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》密度試驗的環(huán)刀法。

1.2.7 有機質(zhì)測定[2-3]

準(zhǔn)確稱取5 g（精確至0.0001 g）風(fēng)干土樣于干燥的硬質(zhì)試管中，用吸管準(zhǔn)確加入0.8 mol/L 重鉻酸鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液5 mL，然后緩慢加入5 mL 濃硫酸，并小心旋轉(zhuǎn)搖勻。

將試管放入已加熱至185～190 ℃的油浴中。從試管內(nèi)液面開始滾動或有大氣泡發(fā)生起計時，煮沸5 min，取出冷卻后將試管內(nèi)容物全部轉(zhuǎn)移至250 mL 三角瓶中，用水反復(fù)沖洗試管和小漏斗，洗液一并倒入三角瓶中，使溶液總體積為60～80 mL。滴入3～4 滴鄰菲啰啉指示劑，用0.2 mol/L硫酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，由橙黃經(jīng)藍綠到棕紅色為終點。記錄硫酸亞鐵用量（V）。

空白標(biāo)定不加樣品，加入5 g 石英砂，其他步驟與測定樣品時完全相同，記錄硫酸亞鐵用量（V0）。

式中：V0——空白試驗耗硫酸亞鐵液，mL；

V——樣品測定時耗硫酸亞鐵液，mL；

0.003——碳的毫克當(dāng)量；

1.724——土樣有機質(zhì)含碳量以58%計，將有機碳換算成腐殖質(zhì)需乘以系數(shù)（100/58）；

m——風(fēng)干試樣重量，g；

1.1——氧化校正系數(shù)；

K——水分換算系數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)經(jīng)Graphpad Prism 8.0、spss 22.0、Origin 2022軟件進行分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 滲透系數(shù)分析

滲透系數(shù)是原料土防水性的重要指標(biāo)，滲透系數(shù)越低，說明土體防水效果越好[4]。當(dāng)滲透系數(shù)低于1×10-7cm/s 時，防水抗?jié)B性能優(yōu)異[5]。如圖1 所示，4 個地區(qū)筑窖用土的滲透系數(shù)均低于1×10-7cm/s，除H 和X 地區(qū)外，其他地區(qū)土樣滲透系數(shù)差異顯著。S 地區(qū)土樣顯著低于其他三個地區(qū)，D地區(qū)土樣滲透系數(shù)最高。

2.2 pH值分析

我國把土按酸堿度分為五級：強酸性土（pH＜5）、酸性土（pH5.0～6.5）、中性土（pH6.5～7.5）、堿性土（pH7.5～8.5）、強堿性土（pH＞8.5）[6]。不同地區(qū)筑窖原料土pH 如圖2 所示，S 地區(qū)為pH6.08～7.07，以中性土為主，有個別酸性土；H 地區(qū)為pH 6.49～7.42，以中性土為主，有個別酸性土；D 地區(qū)為7.13～7.70，以中性土為主，有個別堿性土；X 地區(qū)為pH 7.49～9.11，pH 顯著高于其他3 個地區(qū)，為堿性土和強堿性土。

圖2 pH值分析結(jié)果

2.3 含砂率分析

筑窖用土要求含砂率低，否則容易引起滲漏等事故。文獻報道[7]，土樣含砂率高于20 %時，開始體現(xiàn)出砂感；當(dāng)土樣含砂率高于24%時，砂感較明顯；當(dāng)土樣含砂率高于30%時，砂感明顯。各地區(qū)筑窖原料土含砂率如圖3 所示，所有采集土樣含砂率均低于20 %。不同地區(qū)土樣含砂率差異顯著。S 地區(qū)含砂率為3.9 %～7.8 %，H 地區(qū)含砂率為5.6 %～10.6 %，X 地區(qū)含砂率為9.7 %～15.6 %，D地區(qū)為12.1%～17.8%。

圖3 含砂率分析結(jié)果

2.4 塑性指數(shù)分析

根據(jù)塑性指數(shù)（Ip）可以將細(xì)粒土分為：粉土（Ip＜10）、粉質(zhì)黏土（Ip10～Ip17）、黏土（Ip＞17）。如圖4 所示，采集原料土樣品Ip＞17，均為黏土。黏土在公路工程上可以用作防水層[8]，黏土用于筑窖，抗?jié)B漏性明顯優(yōu)于粉土和粉質(zhì)黏土[9]。S 地區(qū)土樣Ip 為26.1～32.0，顯著高于其他三個地區(qū)，X 地區(qū)Ip 為23.6～26.7，顯著高于H 地區(qū)（Ip 為18.3～22.0）和D地區(qū)（Ip為17.3～22.8）。

圖4 塑性指數(shù)分析結(jié)果

2.5 自由膨脹率分析

自由膨脹率是反映黏土膨脹性的指標(biāo)，自由膨脹率＞40%時為膨脹土，膨脹土分布在我國很多地區(qū)，具有明顯漲縮性，施工難度較大，不易壓實，對工程的安全性和穩(wěn)定性有一定影響[10-11]。如圖5 所示，X 地區(qū)土樣自由膨脹率為21～40，顯著高于其他三個地區(qū)，其他地區(qū)土樣自由膨脹率分布在14～26[7]。

圖5 自由膨脹率分析結(jié)果

2.6 有機質(zhì)分析

當(dāng)黏土中有機質(zhì)含量超過50 ‰時，則稱為含有機質(zhì)土。有機質(zhì)土一般呈深褐色或黑色，含水量較高，壓縮性損大且不均勻，往往以夾層構(gòu)造形式存在于一般黏性土層中，因此影響窖池的穩(wěn)定性[12]。如圖6 所示，各個地區(qū)土樣有機質(zhì)含量差異不顯著，均在25‰以下，有機質(zhì)含量較低。

圖6 有機質(zhì)分析結(jié)果

2.7 干密度分析

干密度是衡量壓實度的一個重要指標(biāo)。黏土的最大干密度一般為2.0 g/cm3，工程上一般要求黏土壓實度在0.9以上，即土樣干密度應(yīng)該大于1.8 g/cm3，才能保證窖池的結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性[13-14]。如圖7所示，各地區(qū)土樣干密度無顯著差異，均大于1.8 g/cm3，絕大多數(shù)分布在1.85～1.95 g/cm3。

圖7 干密度分析結(jié)果

2.8 原料土特性主成分分析

根據(jù)表1 所示，選取特征值大于1 的主成分PC1 和PC2，兩個主成分累計貢獻率達63.122 %。由表2 可知，主成分PC1 主要綜合了滲透系數(shù)、塑性指數(shù)、有機質(zhì)、干密度4 個指標(biāo)的信息，主成分PC2 綜合了pH 值、含砂率和自由膨脹率三個指標(biāo)的信息。

表1 土樣特性主成分分析特征值及貢獻率表

表2 土樣特性主成分載荷表

對筑窖用土的7 個指標(biāo)進行線性判別分析，繪制二維得分散點圖，直觀分析土樣的特征信息。如圖8 所示，不同地區(qū)的樣品基本呈現(xiàn)出獨立的區(qū)域分布。X 和D 地區(qū)的樣本較為集中，S 和H 地區(qū)的樣品較為分散，總體來說不同地區(qū)土樣差異較為明顯。

圖8 土樣特性主成分得分散點圖

2.9 筑窖用土特征指標(biāo)相關(guān)性分析

防水抗?jié)B性能是原料土是否適合筑窖的關(guān)鍵指標(biāo)，通過皮爾森（Pearson）相關(guān)性分析，研究影響土樣滲透系數(shù)的關(guān)鍵因素。如表3 所示，滲透系數(shù)與含砂率呈顯著正相關(guān)，說明含砂率越高，越容易發(fā)生滲漏風(fēng)險；滲透系數(shù)與塑性指數(shù)、干密度呈顯著負(fù)相關(guān)，說明黏土塑性越高，壓實度越高，其防水性能越優(yōu)異。

表3 “滲透系數(shù)”皮爾森(Pearson)相關(guān)性分析表

3 結(jié)論

通過對我國S、H、X、D 4 個地區(qū)濃香型白酒窖池筑窖原料土相關(guān)指標(biāo)進行分析研究，表明不同地區(qū)筑窖土具有顯著差異，差異主要表現(xiàn)在滲透系數(shù)、pH 值、含砂率、塑性指數(shù)等方面。相關(guān)性分析表明，土樣的滲透系數(shù)與含砂率呈顯著正相關(guān)，與塑性指數(shù)、干密度呈顯著負(fù)相關(guān)。研究結(jié)果為指導(dǎo)科學(xué)選擇筑窖用土提供了數(shù)據(jù)參考。