粉煤灰摻量對(duì)土壤混合材料空氣阻隔性影響的試驗(yàn)

陳勝華,胡振琪

(1.太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院,山西陽泉 045000;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所,北京 100083)

粉煤灰摻量對(duì)土壤混合材料空氣阻隔性影響的試驗(yàn)

陳勝華1,胡振琪2

(1.太原理工大學(xué)陽泉學(xué)院,山西陽泉 045000;2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)土地復(fù)墾與生態(tài)重建研究所,北京 100083)

治理自燃煤矸石山需要覆蓋大量惰性材料,為節(jié)約土源、廢物利用和保障環(huán)境效益,研究粉煤灰代替部分土壤做自燃煤矸石山覆蓋材料的最佳配比。將粉煤灰分別與粉土、粉質(zhì)黏土按照不同體積比均勻混合,通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn),測定不同配比混合材料的空氣阻隔效果,分析不同粉煤灰摻量對(duì)混合材料空氣阻隔性的影響規(guī)律。結(jié)果表明:在粉質(zhì)黏土、粉土中摻入粉煤灰,混合材料的空氣阻隔性隨粉煤灰摻量增加而衰減,不同壓差下測定其滲透率與粉煤灰摻量呈近似的指數(shù)函數(shù)關(guān)系;粉煤灰含量50%和30%分別是決定粉土、粉質(zhì)黏土空氣阻隔性變化的一個(gè)重要特征。建議在粉土中摻入粉煤灰的比例小于50%,在粉質(zhì)黏土中摻入粉煤灰的比例小于30%。

粉煤灰;混合材料;空氣阻隔性;自燃煤矸石山;滲透率

治理自燃煤矸石山,覆蓋碾壓法一直是國內(nèi)外采用的主要方法,即將黃土等惰性物質(zhì)覆蓋在煤矸石山表面,以隔絕空氣防止自燃[1－4]。實(shí)踐中,煤矸石山治理面積大,覆蓋阻燃需要大量惰性材料,傳統(tǒng)方法一般取當(dāng)?shù)赝寥栏采w然后碾壓[4－5],如陽泉,治理煤矸石山用于征地取土的費(fèi)用約占工程總投入的1/3,且征地費(fèi)用逐年提高,征地大多為礦區(qū)農(nóng)村廢棄地甚至耕地,取土導(dǎo)致一系列環(huán)境問題如植被破壞、土地減產(chǎn)、水土流失等,與保護(hù)環(huán)境治理煤矸石山的目標(biāo)相違背,而國家有關(guān)保護(hù)耕地及土地資源的政策,也不允許大量取土治理煤矸石山。因此,土源問題在很大程度上限制了煤矸石山大量覆蓋土壤的治理實(shí)踐。

粉煤灰是燃煤電廠從煙道氣體中收集的細(xì)灰,是中國當(dāng)前排量較大的工業(yè)廢渣之一,粒徑小,以粉土粒為主要組成,其工程性質(zhì)可表現(xiàn)出與粉土相近的一些特性[6－8]。

另外有研究表明,粉煤灰覆蓋可以明顯地抑制煤矸石中微生物(硫桿菌)對(duì)黃鐵礦氧化的催化作用并提高煤矸石淋溶液的pH值[9－10],這對(duì)煤矸石山防止自燃及減少環(huán)境危害有積極作用。而目前關(guān)于粉煤灰在煤矸石山綜合治理中的應(yīng)用,一些礦區(qū)自發(fā)性地進(jìn)行了實(shí)踐[5,11],但沒有深入理論研究。

本文基于節(jié)約土源、廢物利用、環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益并存的目標(biāo),在滿足自燃煤矸石山封閉目標(biāo)的前提下,研究在土壤中摻入粉煤灰,通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn),分析不同配比對(duì)混合土空氣阻隔性的影響規(guī)律,給出具有參考意義的配比方案。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

外加水分通常以游離水的形式存在，水分活度高，在后續(xù)的飼料加工如加熱、擠壓制粒、冷卻、輸送、儲(chǔ)存中容易揮發(fā)損失，同時(shí)也容易引起飼料霉變。因此通過添加水分活度降低劑（保濕劑）來降低水分活度，有利于改善調(diào)質(zhì)效果，減少水分在后續(xù)加工過程的損失，同時(shí)有利于提高生產(chǎn)效率，獲得高質(zhì)量的顆粒飼料，還有利于顆粒成品的儲(chǔ)存。然而，有關(guān)水分活度降低劑在食品加工中應(yīng)用研究較多，而在飼料加工中的應(yīng)用國內(nèi)研究報(bào)道甚少。國外有一定數(shù)量的在寵物飼料生產(chǎn)中應(yīng)用的研究文獻(xiàn)。

表1 試驗(yàn)樣品的礦物組成Table 1 Mineral composition of test sample%

表2 試驗(yàn)材料的粒徑分析Table 2 Particle-size analysis of test material

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)為室內(nèi)試驗(yàn),通過模擬現(xiàn)場施工條件,利用自制設(shè)備(用于自燃煤矸石山隔離層透氣性測試的設(shè)備,專利號(hào)ZL200820123452.9)[12]直接測試不同配比覆蓋材料的空氣滲透性,以此表征覆蓋材料的空氣阻隔效果。

1.2.1 試樣制備

試驗(yàn)材料采集后,取樣測試其天然含水率,并將試驗(yàn)材料用干法處理。粉煤灰風(fēng)干,不用過篩,拌勻后取樣測定其風(fēng)干含水率;粉土和粉黏經(jīng)風(fēng)干碾碎,過5 mm篩,將過篩的土樣拌勻,取樣測其風(fēng)干含水率。綜合分析試驗(yàn)材料的天然含水率、風(fēng)干含水率及其輕型擊實(shí)條件下的最優(yōu)含水率,確定試樣制備的摻水比[13－14]。

式中,KN為粉煤灰－粉黏的空氣滲透率,m2;aN,bN為擬合線性系數(shù),根據(jù)該試驗(yàn)結(jié)果,不同壓差下得到的擬合曲線中,系數(shù)aN的取值在1×10－15～2×10－15,bN的取值約為0.04,說明擬合模型受壓差影響較小,可取平均值,近似表達(dá)式為

模擬現(xiàn)場施工條件,將混合土樣裝入覆壓效果測試設(shè)備的試樣管中,并采用分層裝填、分層擊實(shí)的方法,施以一定的擊實(shí)功,使管中試樣達(dá)到一定的密實(shí)度。為了研究和比較不同覆蓋材料的隔氧阻燃性能,各試樣在相同單位擊實(shí)功條件下進(jìn)行測試。試驗(yàn)中,單位擊實(shí)功為

式中,W為擊錘質(zhì)量,該實(shí)驗(yàn)用重型擊實(shí)錘,質(zhì)量為4.5 kg;d為落距,重型擊實(shí)錘落距為0.457 m;N為每層土的擊實(shí)次數(shù),該試驗(yàn)中為15次;n為填土層數(shù),該試驗(yàn)中,厚度為30 cm的試樣分3層;V為試樣體積。

陽泉煤矸石山治理現(xiàn)場使用自制碾磙(截面直徑1.58 m,寬1.1 m,單位質(zhì)量3 800 kg),由機(jī)動(dòng)車牽引,在煤矸石山平面或坡面實(shí)施碾壓作業(yè)。經(jīng)試驗(yàn),設(shè)備在傾角30°的坡面上往返碾壓3遍,覆蓋土的壓實(shí)度可達(dá)0.85～0.92。本試驗(yàn)聯(lián)系實(shí)際工程條件,采用壓實(shí)度作為碾壓質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn),測試各個(gè)試樣壓實(shí)度在0.85左右時(shí)的空氣阻隔性,以此為實(shí)踐提供較可靠的理論依據(jù)。

關(guān)于粉煤灰的摻量,從節(jié)約土源、廢物利用、降低成本的角度來說,粉煤灰摻入比例越高越好;而從煤矸石山覆蓋層隔離空氣角度來講,粉煤灰摻量少一些為宜。本次試驗(yàn)將粉煤灰分別與粉土、粉黏以不同體積比均勻混合,按照粉煤灰的摻入量不同,粉煤灰與粉土、粉黏的配比方案有2∶8,3∶7,5∶5,7∶3和8∶2。

試樣制備的詳細(xì)描述見表3。將粉土、粉黏搗碎過5 mm篩,拌濕的土樣攪拌均勻,密閉靜置24 h后按不同體積比充分混合,分3層裝入試樣管并用重型擊實(shí)錘分層擊實(shí),每層擊實(shí)次數(shù)為15,每層厚度均等(擊實(shí)后控制在10 cm);試樣管內(nèi)徑16 cm,橫截面積200.96 cm2;試樣厚度30 cm,體積6 028.8 cm3;重型擊實(shí)錘質(zhì)量4.5 kg,落距45.7 cm;擊實(shí)總做功908 J,單位擊實(shí)功150.6 kJ/m3。經(jīng)計(jì)算試樣的壓實(shí)度均約為85%。

表3 不同比例混合材料試樣的制備條件Table 3 Preparation condition of mixed material sample by different proportion

1.2.2 試驗(yàn)測定項(xiàng)目與方法

(1)空氣阻隔性的測定。

所有患者的實(shí)際失血量（r＝0.245，P＜0.001）、顯性失血量 （r＝0.216，P＝0.002）、隱性失血量（r＝0.176，P＝0.013）均與手術(shù)時(shí)間存在著明顯的正相關(guān)性，其中實(shí)際失血量與手術(shù)時(shí)間的密切程度最高。而實(shí)際失血量（r＝0.107，P＝0.135）、顯性失血量 （r＝-0.008， P＝0.912）、 隱 性 失 血 量 （r＝0.099，P＝0.162）均與術(shù)后住院天數(shù)無明顯相關(guān)性。

試驗(yàn)用自制設(shè)備測定試樣的空氣阻隔性,用滲透率表征。所測量的參數(shù)主要是空氣滲透流量Qg,即氣體數(shù)量Jg(m3)和氣體流量變化時(shí)間t(s)的比值,滲透率K由達(dá)西方程計(jì)算[14－25]。相關(guān)測量數(shù)據(jù)及結(jié)果計(jì)算如下:

式中,Qg為氣體透過試樣段單位時(shí)間內(nèi)的流量,m3/ s;K為滲透率,m2;μg為試驗(yàn)中滲透氣體的動(dòng)力黏性系數(shù),Pa·s;L為氣體在試樣中水平滲透距離,m;ΔP為試驗(yàn)壓差,Pa;A為試樣橫截面積,m2;vg為氣體的流速,m/s。

(2)含水率及密度的測定。

試樣管中填裝土樣時(shí),同時(shí)用鋁盒取2個(gè)代表性土樣,以烘干法測定試樣的含水率ω,當(dāng)2個(gè)測值的差值小于1%時(shí),取平均值[14]。

韓國在2004年就先于發(fā)起了U-City計(jì)劃，希望能通過普及化的信息通信技術(shù)提高城市的綜合競爭力。并于2011年6月以首都首爾為試點(diǎn)，發(fā)起“智慧首爾2015”計(jì)劃，通過持續(xù)的發(fā)展投入在“2016智慧城市博覽會(huì)（Smart City Expo World Congress）”獲得了“全球智慧城市獎(jiǎng)”城市領(lǐng)域大獎(jiǎng)。

試驗(yàn)中,測定干密度用來檢測一定擊實(shí)功條件下試樣的密實(shí)度。實(shí)測干密度與該材料一定條件下的最大干密度相比較,判定試樣的壓實(shí)程度[14]。

式中,ρdy為壓實(shí)后實(shí)測干密度;ρmax為室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)功能擊實(shí)的最大干密度。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了檢測粉煤灰不同摻量對(duì)混合土空氣阻隔性能的影響,在不同壓差下對(duì)混合材料的空氣滲透性進(jìn)行了檢測,并根據(jù)測定的滲透率結(jié)果表征試樣的空氣阻隔性