路基用煤矸石pH 与电导率变化特征分析

崔言继，冉德钦，宋光远，李轶然，樊祥喜

（1.中建八局第一建设有限公司，山东 济南 250100 ；2.山东省交通科学研究院，山东 济南 250031；3.中建山东投资有限公司，山东 济南 250101）

引言

煤炭是我国的主要能源储[1]，煤炭开采过程中产生的煤矸石的量在逐年增长。目前我国的煤矸石利用率很低，很多煤矸石未经任何处理就倾倒在矿区附近，形成了很多煤矸石山，占用土地并造成环境污染[2]。煤矸石因自燃产生SO2等有害气体，污染空气；若经过淋溶，还会污染土壤和地下水。公路修建过程中填筑路基需要大量土石资源，把煤矸石作为路基填充材料能够减少取土，消耗煤矸石，减少占地数量，是一举多得的方法[3]，是一种适合我国国情的综合利用途径。

但是，用煤矸石代替土壤作为路基填料，着眼到相关路段沿线的绿化（如边坡绿化、中间隔离带绿化）工作，应该注意到煤矸石的pH 不是偏高就是偏低，保水能力较差，其中微生物的活动性较差，极度贫瘠，这些特征都极不适宜植物的生长[4]，这里面影响最大就是酸碱度，不仅高低不定，而且变化幅度较大，满足不了植物的基本需求。电导率（Electrical Conductance, EC）是用来描述物质中电荷流动难易程度的参数。土壤学中，EC 会对土壤养分及其中污染物的转化产生影响，能反映土壤的电化学特性和肥力特性。通过测量EC，能及时有效地掌握土壤的盐分浓度和水分条件等，对于土壤的合理利用具有理论意义[5]。

1 材料与方法

试验材料取自于某高速公路试验路段所用煤矸石，利用直接浸泡这一自然淋溶的极限情况[6]来考察煤矸石pH 和EC 的状况。选取浸泡时间为1 d、3 d、6 d、10 d、20 d、40 d。试验路段所在地区降水平均pH 为5.2，最低pH 为4.1，施工现场附近水体的平均pH 为6.5。分别以去离子水作为母液，用稀硝酸来调节pH。取煤矸石样品置于容器中，按固液比l ∶5 加入不同pH 溶液让煤矸石静态浸泡一定时间后，测定浸出液的pH 和EC。样品pH 用PHS-828-S 酸度计测定，EC 由DDS-307A 型电导率仪测定。

2 煤矸石pH 与电导率分析

2.1 煤矸石pH 的变化

溶出液pH 随时间变化见图1，可知，无论最初溶出液pH 是4.1、5.2 还是6.5，在整个试验过程中，溶出液pH 都在上升，40 d 后的溶出液pH 稳定在7.3左右。试验所用煤矸石无论溶出液的初始pH 为何值，对溶出液的最终pH 并无较大影响。煤矸石淋溶液的pH 由其物质组成所决定，受雨水pH 的影响不大。

图1 不同pH 初始溶液浸泡pH 值随时间变化趋势

煤矸石中的FeS2是造成淋溶液pH 低的重要原因，这是因为其在浸泡过程中氧化会产生硫酸，增加溶液的酸度，化学反应式为4FeS2+15O2+14H2O=16H++8SO42-+4Fe(OH)3。另外煤矸石中所含的硫酸盐和有机硫也会降低浸出液的pH。试验所用煤矸石为已燃煤矸石，经过长期风化，基质成分已经稳定，其中硫化物已氧化产生二氧化硫逸出，已燃煤矸石中的金属硫化物的含量已经很低，产生的H+能力有限，因此淋溶液的pH 升高。煤矸石里的碱金属化合物会和H+下产生反应，使浸出液显碱性。另外，煤矸石中的含氮物质溶解电离生成NH4+，造成碱性环境。已燃煤矸石中碱性反应占主导因素，所以即使初始溶出液是酸液，最终的溶出液也会回到弱碱性。浸泡的前10 d，pH 值上升速度较快，说明碱性物质在这段时间内的反应速度较快，然后达到相对平稳的状态，在历时40 d 的浸泡时间内，最后整体都未见下降。研究认为[7]这主要是因为在浸出过程中，碳酸系统起到了一定的缓冲作用，使溶液酸碱性维持在一定范围内。经历风化的煤矸石的pH 比较稳定，更容易被合理治理和利用[8]。

煤矸石一般都是较大的石块, 经多年风化颗粒变小。团粒结构是决定土壤肥力水平的基础, 尽管煤矸石风化程度较好, 但较大粒径的石砾或石块仍占有较大的比例, 这有利有弊，这样的状况导致煤矸石保水肥能力较差，不容易耕作，但其良好的通气透水性利于植物根系的生长和扩展[9]。

2.2 煤矸石EC 的变化

浸出液EC 值随时间的变化趋势见图2，可以看出，浸泡初期，不同煤矸石EC 的差异不大，在2.2 ～2.58 ms/cm。随着浸泡时间延长，三种不同初始pH 值浸泡液下的煤矸石的EC 值均呈现出显著的增加趋势，当煤矸石浸泡40 d 后，煤矸石的EC 值仍在上升。煤矸石EC 变化曲线与pH 变化曲线有相似的趋势，是EC 的变化趋势更为剧烈。EC 值越高，表明溶液导电性越好,盐基离子浓度越大[10]。

图2 不同pH 初始溶液浸泡EC 值随时间的变化趋势

2.3 煤矸石pH 和EC 相关性分析

为了评价煤矸石pH 和EC 的相关性关系，对不同初始pH 溶液浸泡条件下的pH 与EC 进行相关性分析，见图3 ～图5。

图3 pH 为4.1 初始溶液浸泡条件下煤矸石pH 和EC 的相关性分析

图4 pH 为5.2 初始溶液浸泡条件下煤矸石pH 和EC 的相关性分析

图5 pH 为6.5 初始溶液浸泡条件下煤矸石pH 和EC 的相关性分析

从图3 ～图5 可以看出，在浸泡液初始pH 值为4.1 条件下，煤矸石pH 和EC 值呈显著的正相关关系，相关系数R=0.794 1，线性相关方程为y=2.043 1x-9.396 5；在浸泡液初始pH 值为5.2 条件下，煤矸石pH 和EC 值呈显著正相关关系，相关系数R=0.819 8，线性相关方程为y=2.502 3x-13.044；在浸泡液初始pH 值为6.5 条件下，煤矸石pH 和EC 值呈显著正相关关系，相关系数R=0.863 9，线性相关方程为y=4.118x-25.117。随着初始pH 的升高，pH 和EC 值的相关系数也在增大，二者正相关性更加明显。表明煤矸石pH 与EC 相关程度的差异，在一定程度上反映出其淋溶环境的不同，整体上pH 与EC 呈正比特征。有研究表明[8]煤矸石pH 与EC 值相关与否，与煤矸石的风化程度有着密切的关系，风化程度越高，正相关性越好，这与试验所用已燃煤矸石风化程度高的实际情况是吻合的。

3 结语

无论最初溶出液的pH 是4.1、5.2 还是6.5，溶出液的pH 都在上升，40 d 后的溶出液pH 都稳定在7.3 左右，呈现弱碱性。路基试验段用煤矸石淋溶液的pH 值取决于其自身物质组成，受雨水pH 值或其他外界环境的影响不大。煤矸石EC 变化曲线与pH变化曲线有相似的趋势，但是EC 变化趋势更剧烈。本试验通过对高速公路路基用煤矸石在不同初始pH溶液浸泡的条件下测定EC 与pH 的测定值，并对二者进行相关性分析，得出在初始pH 值为4.1、5.2 和6.5 的条件下煤矸石pH 与EC 与pH 的相关系数R分别为0.794 1、0.819 8 和0.863 9，说明整体上煤矸石pH 值与EC 成正相关关系，煤矸石的风化程度较高。