白酒泥基窖池建造壓實(shí)的工程應(yīng)用研究

付智勇，李 浩，高 強(qiáng)，陳 仙，孫 毅

(四川水井坊股份有限公司，四川成都 610036)

中國(guó)白酒具有數(shù)千年的悠久歷史，是典型的民族傳統(tǒng)工業(yè)，是中華民族的瑰寶。作為世界著名的六大蒸餾酒之一，中國(guó)白酒因其獨(dú)特的釀造環(huán)境、酒曲種類、發(fā)酵設(shè)備和生產(chǎn)工藝等的區(qū)別形成了以醬香、濃香、清香、米香為主，多種衍生香型并存的白酒格局[1]。泥基窖池（分為全泥基窖池與部分泥基窖泥）作為多種香型白酒生產(chǎn)的關(guān)鍵發(fā)酵設(shè)備，如全泥基建造的濃香、鳳香、藥香型白酒窖池，部分泥基建造的醬、兼香型白酒窖池，窖池建造所選黏土質(zhì)量與窖底與（或）窖墻壓實(shí)效果直接關(guān)系所建窖池質(zhì)量與使用壽命，進(jìn)而影響白酒生產(chǎn)質(zhì)量，以濃香型白酒的全泥基窖池為典型代表[2]。

濃香型白酒窖池的窖底與窖墻等主體結(jié)構(gòu)多采用優(yōu)質(zhì)黏土夯筑而成，具有保水防漏等功能，如果所用泥土含沙量高、毛細(xì)作用強(qiáng)、保水能力差，隨著生產(chǎn)的進(jìn)行以及發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的黃漿水持續(xù)浸泡，可能發(fā)生窖池坍塌、崩解、沉降、穿孔等質(zhì)量缺陷問(wèn)題，嚴(yán)重影響白酒的正常發(fā)酵，甚至對(duì)釀酒工人造成人身傷害[3-4]。目前，各酒廠（尤其是中小型酒廠）對(duì)泥基窖池的建造選土標(biāo)準(zhǔn)與夯筑質(zhì)量多依據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)判斷，對(duì)影響泥土壓實(shí)效果的因素尚無(wú)深入的探究，本研究將從實(shí)際的工程應(yīng)用角度，對(duì)建窖用土的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、壓實(shí)方法與效果進(jìn)行研究，以期為泥基窖池的高質(zhì)量建造提供科學(xué)、實(shí)用的應(yīng)用依據(jù)。

1 泥基窖池建造用土選擇與壓實(shí)機(jī)理

1.1 感官質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)

濃香型白酒全泥基窖池的窖底、窖墻不僅需要保證較強(qiáng)的承載強(qiáng)度，更要具備保水防漏的容器功能，故建造所選用的土壤質(zhì)量直接影響窖池的建造質(zhì)量和使用壽命。楊官榮[5]、何宏魁[6]所述傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)要求所選土壤為距表層30 cm 以下，無(wú)砂石并具有良好黏性；楊軍山等[7]從建窖用土的各項(xiàng)理化指標(biāo)入手，對(duì)所選土壤的黏性、含水率、液塑限等理化指標(biāo)進(jìn)行了深入研究。對(duì)上述感官經(jīng)驗(yàn)或指標(biāo)的實(shí)際應(yīng)用，或易受主觀判別能力影響，或跨學(xué)科專業(yè)知識(shí)不易理解，或受委托外檢周期長(zhǎng)、成本高等因素制約，不利于規(guī)?；ń压こ虘?yīng)用時(shí)用土質(zhì)量的過(guò)程監(jiān)管與質(zhì)量控制。

我司契合行業(yè)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)并參考土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[8]，將優(yōu)質(zhì)建窖用土內(nèi)控質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)定義為“土黃色，無(wú)臭味，無(wú)砂石、樹葉、草根、垃圾等雜質(zhì)，土質(zhì)細(xì)膩、黏性好（持水能力等級(jí)達(dá)到1 級(jí)），重金屬與農(nóng)殘指標(biāo)符合農(nóng)用地土壤污染風(fēng)險(xiǎn)管控標(biāo)準(zhǔn)”。基于現(xiàn)有專業(yè)研究，土壤黏性與其持水能力呈正相關(guān)性，即黏性越大的土，持水性能越好[7]，對(duì)內(nèi)控質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)鍵的性能指標(biāo)、主觀性較強(qiáng)的感官描述性標(biāo)準(zhǔn)——黏性好，通過(guò)定義土壤持水能力等級(jí)的方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)量化與判定程序固化，可有效規(guī)避感官識(shí)別困難或錯(cuò)誤，同時(shí)，此檢定方法具有操作便捷，重現(xiàn)性與再現(xiàn)性較好的優(yōu)點(diǎn)，已由我司申請(qǐng)?zhí)峤粐?guó)家發(fā)明專利并已進(jìn)入實(shí)質(zhì)審核程序。

1.2 泥基壓實(shí)機(jī)理

土是三相體，土粒為骨架，顆粒之間的孔隙被水分和空氣所占據(jù)，土壤在壓實(shí)功的作用下使土粒重新排列，彼此擠緊，形成密實(shí)整體[9]。當(dāng)土的實(shí)際含水量小于其特征最佳含水量時(shí)，水起潤(rùn)滑作用，土粒間摩阻力減小，施加壓實(shí)功后，孔隙被擠緊減小，單位體積內(nèi)絕對(duì)土粒含量隨含水量的增加而增大，即干密度逐漸增大；當(dāng)土的實(shí)際含水量大于特征最佳含水量時(shí)，土的內(nèi)摩阻力在減小，但單位體積內(nèi)空氣體積（孔隙）已減到最小限度，水的體積卻在不斷增加，由于水是不可壓縮的，且水比土粒輕，在同樣壓實(shí)功作用下，單位體積內(nèi)絕對(duì)土粒含量隨含水量的增加而減少，即其干密度逐漸減小。理論上，不同土樣在其特征最佳含水量時(shí)，皆可獲得特征最大干密度，即壓實(shí)系數(shù)在理論上能夠達(dá)到1（壓實(shí)系數(shù)=土樣的實(shí)際干密度/特征最大干密度，是土壤密實(shí)程度的指標(biāo)反映）。

1.3 1級(jí)持水等級(jí)黏土的最佳含水量測(cè)定

參考GB/T 50123《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)我司選用的1 級(jí)持水等級(jí)黏土的最佳含水量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定，測(cè)定方法包括密度試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)以及含水量試驗(yàn)（標(biāo)準(zhǔn)中為含水率試驗(yàn)，兩者區(qū)別在于計(jì)算基準(zhǔn)不同，含水量值以土樣濕重為計(jì)算基準(zhǔn)，而含水率值以土樣干重為計(jì)算基準(zhǔn)），以壓實(shí)系數(shù)表征黏土密實(shí)度[10]。

如圖1 所示，在同等擊實(shí)試驗(yàn)條件下，1 級(jí)持水等級(jí)黏土在不同含水量水平上可以獲得不同的壓實(shí)系數(shù)，在含水量19 %時(shí)達(dá)到最大壓實(shí)系數(shù)，即1級(jí)持水等級(jí)黏土最優(yōu)含水量為19 %，對(duì)應(yīng)干密度最大。

圖1 1級(jí)持水等級(jí)黏土的擊實(shí)曲線

1.4 工程應(yīng)用指標(biāo)

理論上，欲使泥基窖池建造壓實(shí)系數(shù)達(dá)到或接近1，需保證建造用土達(dá)到最優(yōu)含水量水平并按照最接近擊實(shí)試驗(yàn)的方法進(jìn)行壓實(shí)，但在規(guī)?；ń压こ讨袑?duì)黏土的需求巨大，實(shí)際含水量難以精細(xì)調(diào)控至最優(yōu)含水量水平，同時(shí)考慮壓實(shí)成本與效率（如壓實(shí)機(jī)械的選擇、壓實(shí)的方法等），以及壓實(shí)過(guò)程對(duì)窖池車間建筑物結(jié)構(gòu)安全等的影響，我司參照道路工程施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[9，11]，經(jīng)充分研判，將1 級(jí)持水等級(jí)黏土壓實(shí)工程應(yīng)用含水量確定在17 %～21 %范圍（最優(yōu)含水量±2 %），且泥基壓實(shí)系數(shù)的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)確定為≥0.92，以此作為窖池建造用土與工程質(zhì)量的控制指標(biāo)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

取自本地的1 級(jí)持水等級(jí)黏土，洛陽(yáng)路通LT626SD 型壓路機(jī)（工作質(zhì)量25.5 t，振動(dòng)頻率28/35 Hz，激振力460/360 KN），滄州億軒YDZ-II 型多功能電動(dòng)擊實(shí)儀，Mettler-Toledo HE53 型鹵素水分儀，環(huán)刀取樣設(shè)備，自制噴水設(shè)備等。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

以黏土持水等級(jí)、含水量、壓路機(jī)工作質(zhì)量、壓路機(jī)行進(jìn)速度為固定因子，開展全因子實(shí)驗(yàn)考察碾壓方法(A)，黏土壓實(shí)前平鋪厚度(B)對(duì)壓實(shí)系數(shù)的影響，各因子參數(shù)與水平見(jiàn)表1。

表1 影響因子與因子水平

2.3 統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)各實(shí)驗(yàn)處理及驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)?zāi)雺簩訙y(cè)定6 個(gè)不同位點(diǎn)壓實(shí)系數(shù)，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用Minitab 15 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，在0.05 水平進(jìn)行最小顯著差數(shù)法（least significant difference，LSD）測(cè)驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 因子分析

根據(jù)各實(shí)驗(yàn)處理?xiàng)l件下所測(cè)壓實(shí)系數(shù)，分析可變因子對(duì)泥基窖池建造壓實(shí)質(zhì)量的影響，全因子實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 全因子實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于黏土的壓實(shí)系數(shù)（“望大型”指標(biāo)），比較各可變因子的極差，可見(jiàn)因子B（平鋪厚度）的變化對(duì)壓實(shí)系數(shù)具有主效應(yīng)（效應(yīng)值為0.019），因子A（碾壓方法）相較于B，其變化對(duì)壓實(shí)系數(shù)的影響較弱（效應(yīng)值為0.005）。比較同一因子不同水平，因子A 使用碾壓方法1 進(jìn)行碾壓時(shí)，壓實(shí)系數(shù)為0.922，略高于碾壓方法2（壓實(shí)系數(shù)為0.917），說(shuō)明碾壓方法1 有利于提升黏土壓實(shí)效果；因子B 平鋪厚度為0.4 m時(shí)，壓實(shí)系數(shù)為0.930，優(yōu)于平鋪厚度為0.2 m、0.3 m 水平的壓實(shí)系數(shù)（分別為0.917、0.912），與填土厚度太薄產(chǎn)生“疊皮”現(xiàn)象有關(guān)。

3.3 最佳工程應(yīng)用方案確定

本研究以1.4 中工程應(yīng)用階段泥基壓實(shí)系數(shù)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)≥0.92 為目標(biāo)評(píng)估壓實(shí)條件是否充分，使用Minitab 15 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)各實(shí)驗(yàn)處理響應(yīng)變量——壓實(shí)系數(shù)的渴求函數(shù)進(jìn)行合意性分析，合意性d 值越接近1，說(shuō)明越接近目標(biāo)。由圖2 可知，在黏土持水等級(jí)、含水量等固定因子相對(duì)穩(wěn)定的前提下，控制黏土壓實(shí)前平鋪厚度為0.4 m左右，采用碾壓方法1“靜壓-強(qiáng)振-強(qiáng)振-弱振-弱振-靜壓”的順序，可以達(dá)到最優(yōu)壓實(shí)系數(shù)值0.9422，合意性d值為1，完全符合內(nèi)控壓實(shí)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 響應(yīng)變量?jī)?yōu)化器輸出結(jié)果圖

綜上，確定泥基窖池建造壓實(shí)的最佳工程應(yīng)用方案：黏土持水等級(jí)為1 級(jí)，含水量控制在17%～21 %范圍內(nèi)，壓路機(jī)工作質(zhì)量約為26 t，行進(jìn)速度2.5 km/h（壓路機(jī)最低行進(jìn)速度），壓實(shí)前黏土平鋪厚度為0.4 m 左右，碾壓方法采用“靜壓-強(qiáng)振-強(qiáng)振-弱振-弱振-靜壓”順序，在工程應(yīng)用中泥基壓實(shí)系數(shù)可滿足內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 最佳工程應(yīng)用方案驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

考慮到泥基窖池都是以窖底為夯筑基礎(chǔ)面，并按逐層疊加的方式進(jìn)行夯筑，本次驗(yàn)證分三層進(jìn)行逐層碾壓，每層測(cè)定6 個(gè)不同位點(diǎn)壓實(shí)系數(shù)，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)所用1 級(jí)持水等級(jí)黏土含水量為20.94 %，壓路機(jī)及其他碾壓條件按照最佳工程應(yīng)用方案布置，如圖3 所示，第1 層基礎(chǔ)面平均壓實(shí)系數(shù)為0.952，疊加的第2 層、第3 層平均壓實(shí)系數(shù)分別為0.935、0.938，皆顯著高于內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)0.92(P＜0.05)，說(shuō)明采用最佳工程應(yīng)用方案，各層黏土皆可達(dá)到預(yù)期壓實(shí)效果。

圖3 三層碾壓壓實(shí)系數(shù)箱線圖

4 結(jié)論

本研究從滿足泥基窖池保水防漏基本功能的角度，首先確認(rèn)建造用土質(zhì)量要求需達(dá)到1 級(jí)持水等級(jí)，通過(guò)解析泥基壓實(shí)機(jī)理、評(píng)估規(guī)模化用土水分控制實(shí)際難度，確定所用黏土含水量應(yīng)維持在17%～21%范圍，同時(shí)考慮壓實(shí)工程成本、施工效率、碾壓過(guò)程對(duì)窖池車間建筑物結(jié)構(gòu)安全等的影響，通過(guò)全因子實(shí)驗(yàn)對(duì)影響壓實(shí)效果的可變因子（碾壓方法與平鋪厚度）及其水平進(jìn)行了分析，最終確定最佳工程應(yīng)用方案，即控制黏土壓實(shí)前平鋪厚度為0.4 m 左右，采用“靜壓-強(qiáng)振-強(qiáng)振-弱振-弱振-靜壓”的碾壓順序，可使泥基窖池各層黏土達(dá)到內(nèi)控壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)0.92 以上。通過(guò)本文的研究，可為白酒生產(chǎn)企業(yè)提供建窖工程方案參考與質(zhì)量控制思路，以期建造牢固耐用的泥基窖池。