不同地区粉煤灰合成防渗材料的渗透性能分析

马喆，方樟，孙晓庆，郝洋

（1.吉林大学 地下水资源与环境教育部重点实验室，吉林 长春 130021；2.吉林大学 新能源与环境学院，吉林 长春 130021）

0 引言

目前对粉煤灰的综合利用有很多途径，例如在传统途径中用作水泥的原料配料和水泥的合成材料、制砖、合成相关矿物材料等，对合成材料的渗透性能也进行过研究改良以达到良好防渗能力。基于不同地区粉煤灰的特性不同，研究防渗材料的选取和配比的差异性具有一定的意义。

1 粉煤灰合成防渗材料的渗透性能研究现状

1.1 国内外研究现状

国外在20 世纪80 年代中期就开始进行利用粉煤灰合成沸石型矿物材料的研究，并以不同反应物质及反应条件得到不同合成产物[1]。KALKAN[2]研究表明粉煤灰的加入会改变防渗层的压实参数，降低表面开裂速度，可以作为防渗层的材料。

国内在20 世纪90 年代，杨昊等[3]、王海等[4]通过控制粉煤灰掺量改变其抗渗性，实现露头矿绿色开采（保水采煤），有粉煤灰掺量的材料的强度及抗渗能力有所提高。范冠宇等[5]以粉煤灰为添加剂对砂土抗渗能力进行改良，其结果表明，在相同养护时间下，砂土的渗透系数随固化剂浓度以及粉煤灰含量的增加而减小，增加土壤添加剂达到了很好的防渗效果。

1.2 研究内容

通过分析不同地区粉煤灰理化特征对粉煤灰进行分类分级，研究不同地区粉煤灰不同掺和料配比下的防渗性能，选出粉煤灰的最佳掺量，使材料防渗能力达到最优，并分析不同水力除灰方式等影响因素，为实际生产防渗材料提供理论依据。

2 粉煤灰的理化性质

2.1 样品采集

粉煤灰是燃煤电厂排出的主要固体废物，本试验的粉煤灰分别取自白城热电厂和吉林热电厂，如图1 所示，不同地区采取的水力除灰方式存在一定差异，采取土样如图2 所示。

图1 白城热电厂和吉林热电厂位置图

2.2 粉煤灰密度及含水率分析

通过铝盒称重法和比重瓶法分别对白城热电厂和吉林热电厂的粉煤灰土样进行测试，获得土样含水率和20 ℃下的土样密度[6-7]，如表1 所示。

表1 土样含水率和密度参数

2.3 粉煤灰化学性质

粉煤灰的活性是在一定碱性条件下，活性Al2O3（玻璃体Al2O3）和活性SiO2（玻璃体SiO2）的水化作用。对白城和吉林市热电厂粉煤灰样品进行测验，得到粉煤灰成分如表2 所示。依据表2 分析，可知该粉煤灰样品均以二氧化硅为主要成分，属于F 类粉煤灰。

表2 粉煤灰化学成分表

3 粉煤灰合成防渗材料优选试验

从防治地下水污染和经济角度考虑，以达到粉煤灰良好的防渗能力为目的，进行粉煤灰合成材料的防渗性能改良。本次实验筛选经济成本较低和无污染的氯化钠作为粉煤灰合成掺和料进行研究。

3.1 实验材料及仪器

实验材料：粉煤灰、水、水泥、氯化钠。

主要实验仪器：多功能土壤渗透仪、真空泵、土壤快速渗透系统、分析天平。

3.2 实验方法

（1）制样。先在环刀内壁均匀涂抹一层凡士林，将配比好的合成材料倒入环刀中，放入恒温箱中干燥24 h，用刮刀削去多余土样，使制得的材料与环刀内部贴合无缝隙，环刀直径为6.18 cm，材料高度与环刀高度相同，为2 cm。

（2）装样。先从恒温箱中将合成材料取出，在环刀顶、底面贴上滤纸，滤纸大小与环刀刀口大小相同，将环刀刀口向上放在渗压容器底座上的一块透水石上部，在环刀外套上橡胶止水圈和定向环，定向环要求凸口向下，再按顺时针方向拧紧压紧圈，然后放上透水石。

（3）真空饱和试验。打开计算机，打开天平开关，打开土壤快速渗透系统并选择恒流模式，之后打开仪器软件，输入基本参数，并选择抽空时间和饱和时间，输入采集周期，选择初始固结压力，缓慢旋转固结调压阀，使试样与活塞刚好接触，此时固结压力为初始压力，即气缸与试样刚好接触时的压力，并确认开始，在多功能土壤渗透仪中自动进行真空饱和。

（4）数据测定。真空饱和完成后，在此压力下增加固结压力，并设定恒流模式流量，待固结位移显示数据基本稳定后，观察夹持器出口管线，出口管线在恒温箱外右侧，为透明的塑料管线，管口有气泡产生至连续出液，且天平示数均匀增大。

（5）数据处理。根据实验要求，连续观察压力、流量及渗透系数等参数变化，待数据稳定后，选择实验结束，记录实验数据。

3.3 粉煤灰防渗聚合物渗透性能测定分析

3.3.1 粉煤灰与氯化钠聚合物配比关系

通过氯化钠溶解度计算确定粉煤灰与氯化钠的水固比为50%，水泥含量为5%，按照参数配比，如表3所示，称量粉煤灰质量，并配制不同浓度的氯化钠溶液，二者混匀后加入水泥，边加入边搅拌，直至完全混合后，将合成材料置于环刀中备用待测[8-9]。

表3 粉煤灰-NaCl 材料配比表

3.3.2 白城地区不同比例粉煤灰和NaCl 渗透系数测定

在一定范围内，粉煤灰与氯化钠合成材料的渗透系数随粉煤灰所占比例的增大而减小，当粉煤灰与氯化钠质量比为35∶1 时，渗透系数最小，此时渗透系数为24.7×10-3μm/s，粉煤灰所占比例继续增大时，渗透系数也逐渐增大，当粉煤灰与氯化钠质量比为45∶1 时，渗透系数为157.25×10-3μm/s，当粉煤灰与氯化钠质量比为50∶1 时，渗透系数为152.37×10-3μm/s，在这一范围内渗透系数基本稳定，变化较小。通过渗透系数测定结果可得，白城地区粉煤灰与氯化钠质量比为35∶1 时得到的合成材料为最优选择。

3.3.3 吉林地区不同比例粉煤灰和NaCl 渗透系数测定

吉林地区粉煤灰-氯化钠配比关系与白城地区粉煤灰-氯化钠配比关系一致，但渗透系数随质量比变化关系不同。当粉煤灰与氯化钠质量比为20∶1 时，渗透系数最大，为564.77×10-3μm/s，当粉煤灰与氯化钠质量比为25∶1 时，渗透系数最小，为112.60×10-3μm/s，随粉煤灰所占比例增大，渗透系数逐渐增大，但整体趋势过程变化较小。通过渗透系数测定结果可得，吉林地区粉煤灰与氯化钠质量比为25∶1 时得到的合成材料为最优选择。

3.3.4 不同地区粉煤灰聚合物渗透系数变化差异

白城市和吉林市热电厂粉煤灰化学组成基本一致，粉煤灰的骨架较大，当粉煤灰含量较大时，体系的孔隙率随之增大，渗透系数也会增大。由于两个地区热电厂水力除灰方式的差异，吉林市热电厂粉煤灰的含水率较高，相对密度较小，其防渗聚合物中粉煤灰所占比例越小，渗透系数越小，防渗性能越好。

4 结语

（1）根据渗透系数测量结果可得，白城地区粉煤灰与氯化钠质量比为35∶1 时得到的合成材料为最优选择，吉林地区粉煤灰与氯化钠质量比为25∶1 时得到的合成材料为最优选择。

（2）不同地区水力除灰方式不同，当粉煤灰的含水率越高，相对密度越小，渗透系数越小，防渗性能越好。

综上所述，建议根据粉煤灰水力除灰方式差异性确定粉煤灰自身理化性质，选择合适的粉煤灰掺和物配比，从而合成最为经济环保的防渗材料。