路基用煤矸石pH 與電導(dǎo)率變化特征分析

崔言繼，冉德欽，宋光遠(yuǎn)，李軼然，樊祥喜

（1.中建八局第一建設(shè)有限公司，山東 濟(jì)南 250100 ；2.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031；3.中建山東投資有限公司，山東 濟(jì)南 250101）

引言

煤炭是我國的主要能源儲(chǔ)[1]，煤炭開采過程中產(chǎn)生的煤矸石的量在逐年增長。目前我國的煤矸石利用率很低，很多煤矸石未經(jīng)任何處理就傾倒在礦區(qū)附近，形成了很多煤矸石山，占用土地并造成環(huán)境污染[2]。煤矸石因自燃產(chǎn)生SO2等有害氣體，污染空氣；若經(jīng)過淋溶，還會(huì)污染土壤和地下水。公路修建過程中填筑路基需要大量土石資源，把煤矸石作為路基填充材料能夠減少取土，消耗煤矸石，減少占地?cái)?shù)量，是一舉多得的方法[3]，是一種適合我國國情的綜合利用途徑。

但是，用煤矸石代替土壤作為路基填料，著眼到相關(guān)路段沿線的綠化（如邊坡綠化、中間隔離帶綠化）工作，應(yīng)該注意到煤矸石的pH 不是偏高就是偏低，保水能力較差，其中微生物的活動(dòng)性較差，極度貧瘠，這些特征都極不適宜植物的生長[4]，這里面影響最大就是酸堿度，不僅高低不定，而且變化幅度較大，滿足不了植物的基本需求。電導(dǎo)率（Electrical Conductance, EC）是用來描述物質(zhì)中電荷流動(dòng)難易程度的參數(shù)。土壤學(xué)中，EC 會(huì)對土壤養(yǎng)分及其中污染物的轉(zhuǎn)化產(chǎn)生影響，能反映土壤的電化學(xué)特性和肥力特性。通過測量EC，能及時(shí)有效地掌握土壤的鹽分濃度和水分條件等，對于土壤的合理利用具有理論意義[5]。

1 材料與方法

試驗(yàn)材料取自于某高速公路試驗(yàn)路段所用煤矸石，利用直接浸泡這一自然淋溶的極限情況[6]來考察煤矸石pH 和EC 的狀況。選取浸泡時(shí)間為1 d、3 d、6 d、10 d、20 d、40 d。試驗(yàn)路段所在地區(qū)降水平均pH 為5.2，最低pH 為4.1，施工現(xiàn)場附近水體的平均pH 為6.5。分別以去離子水作為母液，用稀硝酸來調(diào)節(jié)pH。取煤矸石樣品置于容器中，按固液比l ∶5 加入不同pH 溶液讓煤矸石靜態(tài)浸泡一定時(shí)間后，測定浸出液的pH 和EC。樣品pH 用PHS-828-S 酸度計(jì)測定，EC 由DDS-307A 型電導(dǎo)率儀測定。

2 煤矸石pH 與電導(dǎo)率分析

2.1 煤矸石pH 的變化

溶出液pH 隨時(shí)間變化見圖1，可知，無論最初溶出液pH 是4.1、5.2 還是6.5，在整個(gè)試驗(yàn)過程中，溶出液pH 都在上升，40 d 后的溶出液pH 穩(wěn)定在7.3左右。試驗(yàn)所用煤矸石無論溶出液的初始pH 為何值，對溶出液的最終pH 并無較大影響。煤矸石淋溶液的pH 由其物質(zhì)組成所決定，受雨水pH 的影響不大。

圖1 不同pH 初始溶液浸泡pH 值隨時(shí)間變化趨勢

煤矸石中的FeS2是造成淋溶液pH 低的重要原因，這是因?yàn)槠湓诮葸^程中氧化會(huì)產(chǎn)生硫酸，增加溶液的酸度，化學(xué)反應(yīng)式為4FeS2+15O2+14H2O=16H++8SO42-+4Fe(OH)3。另外煤矸石中所含的硫酸鹽和有機(jī)硫也會(huì)降低浸出液的pH。試驗(yàn)所用煤矸石為已燃煤矸石，經(jīng)過長期風(fēng)化，基質(zhì)成分已經(jīng)穩(wěn)定，其中硫化物已氧化產(chǎn)生二氧化硫逸出，已燃煤矸石中的金屬硫化物的含量已經(jīng)很低，產(chǎn)生的H+能力有限，因此淋溶液的pH 升高。煤矸石里的堿金屬化合物會(huì)和H+下產(chǎn)生反應(yīng)，使浸出液顯堿性。另外，煤矸石中的含氮物質(zhì)溶解電離生成NH4+，造成堿性環(huán)境。已燃煤矸石中堿性反應(yīng)占主導(dǎo)因素，所以即使初始溶出液是酸液，最終的溶出液也會(huì)回到弱堿性。浸泡的前10 d，pH 值上升速度較快，說明堿性物質(zhì)在這段時(shí)間內(nèi)的反應(yīng)速度較快，然后達(dá)到相對平穩(wěn)的狀態(tài)，在歷時(shí)40 d 的浸泡時(shí)間內(nèi)，最后整體都未見下降。研究認(rèn)為[7]這主要是因?yàn)樵诮鲞^程中，碳酸系統(tǒng)起到了一定的緩沖作用，使溶液酸堿性維持在一定范圍內(nèi)。經(jīng)歷風(fēng)化的煤矸石的pH 比較穩(wěn)定，更容易被合理治理和利用[8]。

煤矸石一般都是較大的石塊, 經(jīng)多年風(fēng)化顆粒變小。團(tuán)粒結(jié)構(gòu)是決定土壤肥力水平的基礎(chǔ), 盡管煤矸石風(fēng)化程度較好, 但較大粒徑的石礫或石塊仍占有較大的比例, 這有利有弊，這樣的狀況導(dǎo)致煤矸石保水肥能力較差，不容易耕作，但其良好的通氣透水性利于植物根系的生長和擴(kuò)展[9]。

2.2 煤矸石EC 的變化

浸出液EC 值隨時(shí)間的變化趨勢見圖2，可以看出，浸泡初期，不同煤矸石EC 的差異不大，在2.2 ～2.58 ms/cm。隨著浸泡時(shí)間延長，三種不同初始pH 值浸泡液下的煤矸石的EC 值均呈現(xiàn)出顯著的增加趨勢，當(dāng)煤矸石浸泡40 d 后，煤矸石的EC 值仍在上升。煤矸石EC 變化曲線與pH 變化曲線有相似的趨勢，是EC 的變化趨勢更為劇烈。EC 值越高，表明溶液導(dǎo)電性越好,鹽基離子濃度越大[10]。

圖2 不同pH 初始溶液浸泡EC 值隨時(shí)間的變化趨勢

2.3 煤矸石pH 和EC 相關(guān)性分析

為了評價(jià)煤矸石pH 和EC 的相關(guān)性關(guān)系，對不同初始pH 溶液浸泡條件下的pH 與EC 進(jìn)行相關(guān)性分析，見圖3 ～圖5。

圖3 pH 為4.1 初始溶液浸泡條件下煤矸石pH 和EC 的相關(guān)性分析

圖4 pH 為5.2 初始溶液浸泡條件下煤矸石pH 和EC 的相關(guān)性分析

圖5 pH 為6.5 初始溶液浸泡條件下煤矸石pH 和EC 的相關(guān)性分析

從圖3 ～圖5 可以看出，在浸泡液初始pH 值為4.1 條件下，煤矸石pH 和EC 值呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R=0.794 1，線性相關(guān)方程為y=2.043 1x-9.396 5；在浸泡液初始pH 值為5.2 條件下，煤矸石pH 和EC 值呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R=0.819 8，線性相關(guān)方程為y=2.502 3x-13.044；在浸泡液初始pH 值為6.5 條件下，煤矸石pH 和EC 值呈顯著正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R=0.863 9，線性相關(guān)方程為y=4.118x-25.117。隨著初始pH 的升高，pH 和EC 值的相關(guān)系數(shù)也在增大，二者正相關(guān)性更加明顯。表明煤矸石pH 與EC 相關(guān)程度的差異，在一定程度上反映出其淋溶環(huán)境的不同，整體上pH 與EC 呈正比特征。有研究表明[8]煤矸石pH 與EC 值相關(guān)與否，與煤矸石的風(fēng)化程度有著密切的關(guān)系，風(fēng)化程度越高，正相關(guān)性越好，這與試驗(yàn)所用已燃煤矸石風(fēng)化程度高的實(shí)際情況是吻合的。

3 結(jié)語

無論最初溶出液的pH 是4.1、5.2 還是6.5，溶出液的pH 都在上升，40 d 后的溶出液pH 都穩(wěn)定在7.3 左右，呈現(xiàn)弱堿性。路基試驗(yàn)段用煤矸石淋溶液的pH 值取決于其自身物質(zhì)組成，受雨水pH 值或其他外界環(huán)境的影響不大。煤矸石EC 變化曲線與pH變化曲線有相似的趨勢，但是EC 變化趨勢更劇烈。本試驗(yàn)通過對高速公路路基用煤矸石在不同初始pH溶液浸泡的條件下測定EC 與pH 的測定值，并對二者進(jìn)行相關(guān)性分析，得出在初始pH 值為4.1、5.2 和6.5 的條件下煤矸石pH 與EC 與pH 的相關(guān)系數(shù)R分別為0.794 1、0.819 8 和0.863 9，說明整體上煤矸石pH 值與EC 成正相關(guān)關(guān)系，煤矸石的風(fēng)化程度較高。