粉煤灰掺量对土壤混合材料空气阻隔性影响的试验

陈胜华,胡振琪

(1.太原理工大学阳泉学院,山西阳泉 045000;2.中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所,北京 100083)

粉煤灰掺量对土壤混合材料空气阻隔性影响的试验

陈胜华1,胡振琪2

(1.太原理工大学阳泉学院,山西阳泉 045000;2.中国矿业大学(北京)土地复垦与生态重建研究所,北京 100083)

治理自燃煤矸石山需要覆盖大量惰性材料,为节约土源、废物利用和保障环境效益,研究粉煤灰代替部分土壤做自燃煤矸石山覆盖材料的最佳配比。将粉煤灰分别与粉土、粉质黏土按照不同体积比均匀混合,通过室内模拟实验,测定不同配比混合材料的空气阻隔效果,分析不同粉煤灰掺量对混合材料空气阻隔性的影响规律。结果表明:在粉质黏土、粉土中掺入粉煤灰,混合材料的空气阻隔性随粉煤灰掺量增加而衰减,不同压差下测定其渗透率与粉煤灰掺量呈近似的指数函数关系;粉煤灰含量50%和30%分别是决定粉土、粉质黏土空气阻隔性变化的一个重要特征。建议在粉土中掺入粉煤灰的比例小于50%,在粉质黏土中掺入粉煤灰的比例小于30%。

粉煤灰;混合材料;空气阻隔性;自燃煤矸石山;渗透率

治理自燃煤矸石山,覆盖碾压法一直是国内外采用的主要方法,即将黄土等惰性物质覆盖在煤矸石山表面,以隔绝空气防止自燃[1－4]。实践中,煤矸石山治理面积大,覆盖阻燃需要大量惰性材料,传统方法一般取当地土壤覆盖然后碾压[4－5],如阳泉,治理煤矸石山用于征地取土的费用约占工程总投入的1/3,且征地费用逐年提高,征地大多为矿区农村废弃地甚至耕地,取土导致一系列环境问题如植被破坏、土地减产、水土流失等,与保护环境治理煤矸石山的目标相违背,而国家有关保护耕地及土地资源的政策,也不允许大量取土治理煤矸石山。因此,土源问题在很大程度上限制了煤矸石山大量覆盖土壤的治理实践。

粉煤灰是燃煤电厂从烟道气体中收集的细灰,是中国当前排量较大的工业废渣之一,粒径小,以粉土粒为主要组成,其工程性质可表现出与粉土相近的一些特性[6－8]。

另外有研究表明,粉煤灰覆盖可以明显地抑制煤矸石中微生物(硫杆菌)对黄铁矿氧化的催化作用并提高煤矸石淋溶液的pH值[9－10],这对煤矸石山防止自燃及减少环境危害有积极作用。而目前关于粉煤灰在煤矸石山综合治理中的应用,一些矿区自发性地进行了实践[5,11],但没有深入理论研究。

本文基于节约土源、废物利用、环境效益与经济效益并存的目标,在满足自燃煤矸石山封闭目标的前提下,研究在土壤中掺入粉煤灰,通过室内模拟实验,分析不同配比对混合土空气阻隔性的影响规律,给出具有参考意义的配比方案。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

外加水分通常以游离水的形式存在，水分活度高，在后续的饲料加工如加热、挤压制粒、冷却、输送、储存中容易挥发损失，同时也容易引起饲料霉变。因此通过添加水分活度降低剂（保湿剂）来降低水分活度，有利于改善调质效果，减少水分在后续加工过程的损失，同时有利于提高生产效率，获得高质量的颗粒饲料，还有利于颗粒成品的储存。然而，有关水分活度降低剂在食品加工中应用研究较多，而在饲料加工中的应用国内研究报道甚少。国外有一定数量的在宠物饲料生产中应用的研究文献。

表1 试验样品的矿物组成Table 1 Mineral composition of test sample%

表2 试验材料的粒径分析Table 2 Particle-size analysis of test material

1.2 试验方法

试验为室内试验,通过模拟现场施工条件,利用自制设备(用于自燃煤矸石山隔离层透气性测试的设备,专利号ZL200820123452.9)[12]直接测试不同配比覆盖材料的空气渗透性,以此表征覆盖材料的空气阻隔效果。

1.2.1 试样制备

试验材料采集后,取样测试其天然含水率,并将试验材料用干法处理。粉煤灰风干,不用过筛,拌匀后取样测定其风干含水率;粉土和粉黏经风干碾碎,过5 mm筛,将过筛的土样拌匀,取样测其风干含水率。综合分析试验材料的天然含水率、风干含水率及其轻型击实条件下的最优含水率,确定试样制备的掺水比[13－14]。

式中,KN为粉煤灰－粉黏的空气渗透率,m2;aN,bN为拟合线性系数,根据该试验结果,不同压差下得到的拟合曲线中,系数aN的取值在1×10－15～2×10－15,bN的取值约为0.04,说明拟合模型受压差影响较小,可取平均值,近似表达式为

模拟现场施工条件,将混合土样装入覆压效果测试设备的试样管中,并采用分层装填、分层击实的方法,施以一定的击实功,使管中试样达到一定的密实度。为了研究和比较不同覆盖材料的隔氧阻燃性能,各试样在相同单位击实功条件下进行测试。试验中,单位击实功为

式中,W为击锤质量,该实验用重型击实锤,质量为4.5 kg;d为落距,重型击实锤落距为0.457 m;N为每层土的击实次数,该试验中为15次;n为填土层数,该试验中,厚度为30 cm的试样分3层;V为试样体积。

阳泉煤矸石山治理现场使用自制碾磙(截面直径1.58 m,宽1.1 m,单位质量3 800 kg),由机动车牵引,在煤矸石山平面或坡面实施碾压作业。经试验,设备在倾角30°的坡面上往返碾压3遍,覆盖土的压实度可达0.85～0.92。本试验联系实际工程条件,采用压实度作为碾压质量控制标准,测试各个试样压实度在0.85左右时的空气阻隔性,以此为实践提供较可靠的理论依据。

关于粉煤灰的掺量,从节约土源、废物利用、降低成本的角度来说,粉煤灰掺入比例越高越好;而从煤矸石山覆盖层隔离空气角度来讲,粉煤灰掺量少一些为宜。本次试验将粉煤灰分别与粉土、粉黏以不同体积比均匀混合,按照粉煤灰的掺入量不同,粉煤灰与粉土、粉黏的配比方案有2∶8,3∶7,5∶5,7∶3和8∶2。

试样制备的详细描述见表3。将粉土、粉黏捣碎过5 mm筛,拌湿的土样搅拌均匀,密闭静置24 h后按不同体积比充分混合,分3层装入试样管并用重型击实锤分层击实,每层击实次数为15,每层厚度均等(击实后控制在10 cm);试样管内径16 cm,横截面积200.96 cm2;试样厚度30 cm,体积6 028.8 cm3;重型击实锤质量4.5 kg,落距45.7 cm;击实总做功908 J,单位击实功150.6 kJ/m3。经计算试样的压实度均约为85%。

表3 不同比例混合材料试样的制备条件Table 3 Preparation condition of mixed material sample by different proportion

1.2.2 试验测定项目与方法

(1)空气阻隔性的测定。

所有患者的实际失血量（r＝0.245，P＜0.001）、显性失血量 （r＝0.216，P＝0.002）、隐性失血量（r＝0.176，P＝0.013）均与手术时间存在着明显的正相关性，其中实际失血量与手术时间的密切程度最高。而实际失血量（r＝0.107，P＝0.135）、显性失血量 （r＝-0.008， P＝0.912）、 隐 性 失 血 量 （r＝0.099，P＝0.162）均与术后住院天数无明显相关性。

试验用自制设备测定试样的空气阻隔性,用渗透率表征。所测量的参数主要是空气渗透流量Qg,即气体数量Jg(m3)和气体流量变化时间t(s)的比值,渗透率K由达西方程计算[14－25]。相关测量数据及结果计算如下:

式中,Qg为气体透过试样段单位时间内的流量,m3/ s;K为渗透率,m2;μg为试验中渗透气体的动力黏性系数,Pa·s;L为气体在试样中水平渗透距离,m;ΔP为试验压差,Pa;A为试样横截面积,m2;vg为气体的流速,m/s。

(2)含水率及密度的测定。

试样管中填装土样时,同时用铝盒取2个代表性土样,以烘干法测定试样的含水率ω,当2个测值的差值小于1%时,取平均值[14]。

韩国在2004年就先于发起了U-City计划，希望能通过普及化的信息通信技术提高城市的综合竞争力。并于2011年6月以首都首尔为试点，发起“智慧首尔2015”计划，通过持续的发展投入在“2016智慧城市博览会（Smart City Expo World Congress）”获得了“全球智慧城市奖”城市领域大奖。

试验中,测定干密度用来检测一定击实功条件下试样的密实度。实测干密度与该材料一定条件下的最大干密度相比较,判定试样的压实程度[14]。

式中,ρdy为压实后实测干密度;ρmax为室内标准功能击实的最大干密度。

2 试验结果与分析

为了检测粉煤灰不同掺量对混合土空气阻隔性能的影响,在不同压差下对混合材料的空气渗透性进行了检测,并根据测定的渗透率结果表征试样的空气阻隔性