基于废油综合利用的微尘灰土适用性研究

孙旻晙　顾欢达

(苏州科技学院土木工程学院　江苏苏州　215011)



基于废油综合利用的微尘灰土适用性研究

孙旻晙顾欢达

(苏州科技学院土木工程学院江苏苏州215011)

分析了目前已经应用的煤炭抑灰剂配方在道路灰土应用的效果与力学性质变化，并基此采用地沟油脂混入石灰土中，研究其抑尘能力以及应用价值与前景。研究结果表明：地沟油微粒的存在对于石灰土抑灰效果明显且物理性质变化不大，对土体的力学性质与抗渗透均有增益作用，将有可能变废为宝且缓解大气粉尘污染的可行途径。

道路灰土；掺油配比；抑灰性能；力学性质

0　引言

目前道路扬尘问题非常突出，其产生的主要原因是：在修筑道路过程中行车路面多为松软裸露泥土层。其道路修筑标准偏低，工程质量差，日常维护不够，一吹风时就如同刮沙尘暴，空气中粉尘浓度可高达几十到几百毫克每立方米。不但会形成雾霾影响视线，使行车间距被迫增大，迫使车速降低并让人呼吸困难，还大量含有PM2.5， PM10等微粒，距离路边5m处，空气含尘浓度可高达750～800mg/m3，为通常卫生标准的数百倍[1]，会引发各种呼吸道疾病。路面扬尘的特点属于开放性产尘，产尘点多，位置不固定并且涉及面大，而且还有阵发产尘的性质。其粉尘散发到大气中，故不能用通常的通风防尘方法和除尘设备来控制，于是在实际工作中，道路抑尘工作主要靠人工洒水与天然降水，效果非常有限。因而，道路扬尘的防尘任务艰巨。

另一方面，餐厨废油的处理与回收再利用也是当前热门课题。餐厨废油即俗称的地沟油主要系指从餐饮业油水分离系统或下水道中捞取油腻漂浮物，一部分酸败煎炸老油、劣质动物油脂等，是人们对废弃各类劣质油脂统称。目前已经有将其再生循环利用为生物柴油与沼气的相关技术，并且已经在部分代替航空煤油的实验中取得成功。但在另一方面，因为其分布零散，尤其是在城乡结合部地区，地沟油回收成本大，监管难度大，故多被直接丢弃，甚至仅仅通过简单过滤提炼就回到餐桌上。据不完全统计，每年返回餐桌地沟油约有200～300万吨之多[2]，这对社会与食品安全都造成非常大的危害。

而在同样受粉尘问题影响严重的煤炭行业，对于化学抑尘剂的研究已经比较成熟，其中一种粘结型抑尘剂配制方法是在传统洒水抑灰方法基础上，在水中掺入5%的渣油与1%的月桂醇乳化剂形成均匀的乳状液体喷洒在煤堆表面形成抑尘壳，成本低廉却效果明显。该配方中起主要作用的是油微粒，在其乳化之后外相水首先与粉尘接触使其湿润凝结，同时乳化液中游离的少量表面活性剂分子在水面的疏水基能冲破尘粒表面的空气膜，促进凝结湿润作用，防止底层粉尘在没有湿润的条件下被翻起与飘散。乳化液破乳后其表面活性剂分子可以在微粒表面形成定向排列的吸附膜与油膜，抑制水分蒸发，因此增大了其作用时效，并且增强了微粒之间的结合力，能粘结粉尘成粒成块[3]。基于此理论，本文将餐厨废油油脂混入石灰土中，研究其抑尘能力，以及应用价值与前景。

1　配合设计与试验方法

1.1实验材料

试验原料土取自苏州市某闲置土地的粘性土，原料土为普通黄粘土，比重度2.718，晒干后天然含水率4.2%， 按现行国家标准《土工试验方法标准》(GB/T50123—1999)，《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)和《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)，根据颗粒组成及塑性指数确定该土的类别。在该状态下塑性指数Ip为17.4%，液限ωL为37.2%，属于低液限粘性土CL，液性指数IL在-0.6～-0.4之间，处于坚硬状态，颗粒分析后结果是不均匀系数Cu为8.67，曲率系数Cc为2.89，级配较好。最优含水率11.4%，对应最大干密度2.1g/cm3。

按目前一般容易扬灰的低等级道路用的石灰土采用的标准路基改善土施工工艺，固化剂采用磨细消石灰氢氧化钙Ca(OH)2，以土质量8%比例掺入并混合均匀。

实验用废油脂来自食堂的餐饮剩余油料，其经过长时间煎炸已经高度氧化，符合餐厨废油标准。

1.2配合设计

实验配合比采用以0%，1%，3%，5%质量的废油脂掺入石灰之中并混合均匀，与土体结合并按实验需求制作成式样养护7d，28d，90d不等，每组实验2到3个平行样进行比较并取平均值。

1.3试验方法

1.3.1物理性试验

物理性试验包含含水率实验、比重度实验、颗粒分析实验、最大干密度实验与界限含水率实验。

天然含水率，对经太阳充分暴晒之后原状土本身按照国标GB/T50123-1999土工试验方法标准第4条进行。

比重度实验，对原状土本身按照国标GB/T50123-1999土工试验方法标准第6条进行。

颗粒分析实验，对原状土本身按照国标GB/T50123-1999土工试验方法标准第7条进行。对于大于0.075mm颗粒采用筛分法进行，而小于0.075mm颗粒采用甲种密度计法进行实验。

最大干密度实验，对原状土与掺油脂含量0%与3%的石灰土按照国标GB/T50123-1999土工试验方法标准第10条进行重型击实实验，分5层击实，每层56击。

界限含水率实验对原状土与掺油脂含量0%、1%、3%、5%的石灰土按照国标GB/T50123-1999土工试验方法标准第8条进行液塑限联合测定法实验。

1.3.2抑尘效果试验

抑尘效果采用风道实验，以易于扬灰的纯消石灰颗粒为研究对象，研究不同掺油脂含量比例之下对于石灰微粒飘散的抑制能力。风道在室内自行完成，主体为开口平底U形，长约385cm，取自漏斗口竖直投影点后350cm为研究的有效长度，每50cm划分一个区段，高46cm，宽23cm(如图1)。进行实验时候加盖，实验完成后取下盖子并进行数据采集与研究。风源为普通家用闲置电风扇，并使用标智GM8902型手持式数字风速风量仪来确定预定风速。风速选择为常见的二级风标准的1.6m/s至3.3m/s。

(1)落距实验

在风道起点处安装漏斗，用风速仪确定漏斗口处的风速并加以调整至设计风速(如图2)。将过2mm筛的石灰称重400g石灰并掺入质量比为1%，3%，5%的废油脂，用加盖的电动搅拌机充分搅拌混合均匀。并取未掺油脂含量石灰400g作为原状对照组。实验风速设计为两组，分别为1m/s和2m/s，每组实验均为两个平行样即2×100g。

实验时从每组试样中取100g，用调羹少量多次的倒入漏斗之中，使石灰颗粒均可以受风吹动，当100g试样倒完后，停止吹风。用毛刷仔细回收各区段内堆积的石灰并逐一用精密台秤称重，记录数据。将回收的石灰装入密封袋中并对剩下的试样进行相同条件的平行实验，同样要回收各区段内堆积的石灰并逐一称重，记录数据，回收的石灰装入前次实验回收石灰的密封袋中并标注掺油脂含量量与风速条件，然后用同样方法测定不同掺油脂含量量的石灰在2种风速条件之下的落距情况。

(2)吹失实验

落距实验完成后拆下漏斗并把漏斗口封住，用一35cm×23cm×15cm的纸盒子放在风道入口处，并用风速仪确定盒子上部的风速加以调整至设计风速3～3.2m/s(如图3)。将各组试样称30g出来均匀布撒在23cm×15cm的塑料片上，与塑料片一起称重读数后放在纸盒上面，吹风并分别计时1min、5min、10min与30min，对各时间段内的剩余石灰与塑料片称重及计算相比吹失前一共损失质量多少，并加以记录。一组试样完成后用另外一个塑料片装上30g的同组试样并做相同条件的平行试验，共计3组平行试验。回收剩余试样并对其他配合比的试样进行同条件的实验。

1.3.3物理力学性质试验

物理力学性质试验由无侧限抗压强度实验、三轴压缩实验，固结实验，膨胀实验以及渗透试验组成。以上实验均针对不同比例掺油脂含量的石灰土按实验要求以16%含水率下充分压实制样，进行一定龄期养护后进行。

无侧限抗压强度实验按照国标GB/T50123- 1999土工试验方法标准第17条进行。针对掺油脂含量0%、1%、3%、5%的石灰土，分3层压实成高8cm、直径3.9cm的试样，标准养护7d与28d以后进行，并额外针对掺油脂含量0%与3%的石灰土试样进行90d的养护，每组实验2个平行样。

三轴压缩实验按照国标GB/T50123-1999土工试验方法标准第16条进行，采用不固结不排水剪三轴压缩实验UU进行，针对掺油脂含量0%、1%、3%、5%的石灰土，分3层压实成高8cm、直径3.9cm的试样，标准养护28d以后进行，在50kPa，150kPa，300kPa3个围压条件进行试验，每组实验2个平行样。

固结实验按照国标GB/T50123-1999土工试验方法标准第14条进行。本实验采用标准固结实验进行。针对掺油脂含量0%、1%、3%、5%的石灰土，不分层直接压入成高2cm、内直径6.18cm的环刀里面，标准养护28d以后进行，采用50kPa、100kPa、200kPa、300kPa、400kPa、800kPa的6级施加压力，每组实验2个平行样。

膨胀实验验按照国标GB/T50123-1999土工试验方法标准第21条进行。本实验采用无荷膨胀率实验进行。针对掺油脂含量0%、1%、3%、5%的石灰土，不分层直接压入成高2cm、内直径6.18cm的环刀里面，标准养护28d以后进行，采用无荷载膨胀率实验方法，每组实验2个平行样。

渗透试验按照国标GB/T50123-1999土工试验方法标准第13条进行。针对掺油脂含量0%、3%的石灰土，分两层压入成高4cm、内直径6.18cm的专用环刀里面，标准养护28d以后进行，采用变水头渗透试验实验方法，每组实验2个平行样。

2　试验结果与分析

2.1物性变化规律

2.1.1最大干密度实验的变化规律

最大干密度实验用某电动击实桶完成(如图4)，得到不同配合比的土样的最大干密度与相对应的最佳含水率数据如表1与图5～7所示。

表1　不同配合比的土在不同含水率下的干密度

研究发现，掺入石灰使土体最大干密度有所下降，对应的最优含水率提高。这在前人的相似研究中亦有该方面研究结果，混合料中最大干密度随着石灰含量变化而变化，混合料中最大干密度随石灰含量增多而减小，而最佳含水量随着石灰增大而增加，呈规律性变化[4]。掺油与否，对于最大干密度与相应最佳含水率变化影响甚微。

2.1.2界限含水率实验的变化规律

界限含水率实验，采用某液塑限联合测定仪完成(如图8)，得到不同配合比土样的17mm液限，塑性指数与液性指数的数据如表2与图9～11所示。

表2　不同配合比的土的17mm液限，塑性指数与液性指数

研究发现，油的含量对液塑限性质变化比较明显，液限、塑性指数、液性指数均层增加趋势。这说明油脂的加入使得土体微粒之间一方面变得润滑，在更加宽泛的含水率之下土体拥有可塑性，方便了土方施工。另一方面加强了土微粒之间聚合力，使得土体在更高含水率条件下液化并丧失承载能力，同样方便施工与维护工作。

2.2抑尘效果分析

2.2.1落距实验的结果

落距实验采集得到的不同掺油脂含量的配合比之下的微尘颗粒在不同风速条件之下的质量分布数据如表3、表4与图(12-14)所示。

表4　落距实验于2m/s风速条件下各各区间石灰回收量　g

由此可见，尤其在2m/s大风速条件之下，掺油脂含量越高，粉尘吹落距离越短，抑灰效果越明显。

2.2.2吹失实验的结果

吹失实验采集得到的不同掺油脂含量配合比之下的微尘颗粒在固定风速条件之下，相应时间段之内损失的质量分布数据如表5与图15所示。

表5　吹失实验在3-3.2m/s风速条件下石灰总损失量　g

由此可见，在3m/s较大风速条件之下，掺油脂含量越高，吹失量越少，抑灰效果越明显。

综上所述，结合前人实验结果，石灰粉尘在餐厨废油作用之下其散布得到有效的抑制。

2.3力学性质变化

2.3.1无侧限强度实验结果

无侧限强度实验用某无侧限压缩仪完成，并补充进行三轴实验的不固结不排水剪实验以测定抗剪强度(如图16)，得到不同配合比试样的相应力学参数数据如表6所示。

由此可见，龄期越长，土颗粒与石灰石反应生成具有凝胶性质的产物——水化硅(铝)酸钙(CSH)微晶体。随着时间的增长,石灰与土的生成物在数量上不断增加,其孔径减小。CSH 的产生和结晶使得土的微结构更加牢固[5]，而植物油的加入使试样强度进一步增强。根据前人在石灰土加入桐油得出的实验结果，桐油与石灰混合后无侧限抗压强度增大，其原因在桐油主要成分桐油酸的一个分子中有3个双键互成共扼体系，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与这种酸的结构和性质密切有关。具有上述化学性质的桐油与石灰进行化学反应的时候，能够产生强大的化学胶结力。因此，试样的无侧限抗压强度进一步增加。桐油是一种很早运用于建筑工程的植物油，而餐厨废油亦大部分来自植物油且其主要成分各型亚麻酸为桐油酸的同分异构体，化学成分有相似之处，并且已经经过高度氧化。而E50即50%强度压缩模量由于内部复杂结构与潜在瑕疵空隙等因素，其同一配比的不同平行样前期强度发展偏差非常大，而后期均处于差不多强度水平。三轴实验亦得出几乎相似的结论。

2.3.2固结实验结果

固结实验用某固结仪完成(如图17)，得到的不同配合比的试样的不同围压条件下的孔隙比，压缩模量，压缩系数与回弹指数的数据如表7～10所示。

表7　不同配合比的土在不同围压下的孔隙比ei　MPa

表8　不同配合比的土在不同围压下的压缩模量Es　MPa

表9　不同配合比的土在不同围压下的压缩系数av　MPa

表10　不同配合比的土在不同围压下的回弹指数Cc　MPa

因为试样本身已经经过充分压实，孔隙比随压力变化非常小，而油的存在使得试样孔隙比ei略微增大，压缩模量Es略微减小。这说明油颗粒占据土体空间同时是土体颗粒润滑而相对变软容易压缩。压缩系数av与回弹指数Cc没有明显变化，尤其在后期大压力作用下，说明高围压作用下，油微粒对土体的压缩性与回弹变形影响非常微弱。

2.3.3膨胀与渗透性

渗透实验用某渗透仪与搭建的带刻度的导管系统完成，膨胀实验由固结仪完成，得到的不同配合比的试样的渗透系数与膨胀率数据如表7～10所示。

表11　膨胀与渗透性实验结果

因为试样本身已经经过充分压实，孔隙比非常小，故渗透率非常低，膨胀变化非常微小，但仍然能看出油的存在能一定程度地抑制水的浸入。作为疏水物质，油微粒一方面填充土颗粒之间的孔隙抑制水的浸入，另一方面则在水与土颗粒之间形成隔绝，使土体在湿润状态下更加稳定。

3　结论

综上所述，微量的餐厨废油油脂微粒的存在，使得粉尘飘散得到抑制的同时，对于石灰土物理性质变化不大，而且对土体的力学性质与抗渗透均有着增益作用，说明餐厨废油有着显著的降尘抑灰效果，还能减少洒水的工作量。一方面缓解我国尤其西北部地区水资源稀缺与道路条件差易起尘的矛盾，也能节约洒水工作的成本与人工。餐厨废油对于石灰土体结构强度有着些许加强，不需要额外的补强措施，方便施工进行。并且其成本低廉，将其回收利用，减少囤积引发的环境污染与回流市场而造成的健康问题。混入餐厨废油的石灰土进一步深入研究并加以应用是一种变废为宝且缓解大气粉尘污染的优良途径，完全大有作为之地，值得我们实践思考。

[1]李钢,樊守彬,田刚,等．应用于沥青路面的化学抑尘剂效果试验[J]．城市管理与科技，2005,7(4)：152-154．

[2]张 强,陈秋生,刘烨潼,等.地沟油识别与检测方法研究现状[J]． 粮食与油脂，2010,(9):39-40.

[3]王磊,赵仕华,刘泽常,李敏. 化学抑尘剂进展研究[J]．有色矿冶,2006,22(8):119-120.

[4]杨志强,郭见扬. 石灰处理土的物理力学性质及其微观机理的研究[J]． 岩土力学1991,12(3):11-22.

[5]陈佩杭,徐炯明,鬼缘克忠. 桐油与石灰加固吉野里坟丘墓土的实验研究[J]． 文物保护与考古科学 SCIENCES OF CONSERVATION AND ARCHAEOLOGY 2009,21(4):59-65.

[6]日本油化学协会.油脂化学便览(改订二版)[M].丸善株式会社,1971.

孙旻晙(1989-)，男，学士，主要从事土木工程专业岩土方面的研究。

顾欢达(1958-)，男，博士，教授，主要从事软土地基处理技术及原理方面的工作。

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

孙旻晙(1989-)，男。

E-mail:2564449895@qq.com

2015-10-27

TU4

A

1004-6135(2016)02-0073-07