不同地區(qū)粉煤灰合成防滲材料的滲透性能分析

馬喆，方樟，孫曉慶，郝洋

（1.吉林大學 地下水資源與環(huán)境教育部重點實驗室，吉林 長春 130021；2.吉林大學 新能源與環(huán)境學院，吉林 長春 130021）

0 引言

目前對粉煤灰的綜合利用有很多途徑，例如在傳統(tǒng)途徑中用作水泥的原料配料和水泥的合成材料、制磚、合成相關礦物材料等，對合成材料的滲透性能也進行過研究改良以達到良好防滲能力。基于不同地區(qū)粉煤灰的特性不同，研究防滲材料的選取和配比的差異性具有一定的意義。

1 粉煤灰合成防滲材料的滲透性能研究現(xiàn)狀

1.1 國內外研究現(xiàn)狀

國外在20 世紀80 年代中期就開始進行利用粉煤灰合成沸石型礦物材料的研究，并以不同反應物質及反應條件得到不同合成產(chǎn)物[1]。KALKAN[2]研究表明粉煤灰的加入會改變防滲層的壓實參數(shù)，降低表面開裂速度，可以作為防滲層的材料。

國內在20 世紀90 年代，楊昊等[3]、王海等[4]通過控制粉煤灰摻量改變其抗?jié)B性，實現(xiàn)露頭礦綠色開采（保水采煤），有粉煤灰摻量的材料的強度及抗?jié)B能力有所提高。范冠宇等[5]以粉煤灰為添加劑對砂土抗?jié)B能力進行改良，其結果表明，在相同養(yǎng)護時間下，砂土的滲透系數(shù)隨固化劑濃度以及粉煤灰含量的增加而減小，增加土壤添加劑達到了很好的防滲效果。

1.2 研究內容

通過分析不同地區(qū)粉煤灰理化特征對粉煤灰進行分類分級，研究不同地區(qū)粉煤灰不同摻和料配比下的防滲性能，選出粉煤灰的最佳摻量，使材料防滲能力達到最優(yōu)，并分析不同水力除灰方式等影響因素，為實際生產(chǎn)防滲材料提供理論依據(jù)。

2 粉煤灰的理化性質

2.1 樣品采集

粉煤灰是燃煤電廠排出的主要固體廢物，本試驗的粉煤灰分別取自白城熱電廠和吉林熱電廠，如圖1 所示，不同地區(qū)采取的水力除灰方式存在一定差異，采取土樣如圖2 所示。

圖1 白城熱電廠和吉林熱電廠位置圖

2.2 粉煤灰密度及含水率分析

通過鋁盒稱重法和比重瓶法分別對白城熱電廠和吉林熱電廠的粉煤灰土樣進行測試，獲得土樣含水率和20 ℃下的土樣密度[6-7]，如表1 所示。

表1 土樣含水率和密度參數(shù)

2.3 粉煤灰化學性質

粉煤灰的活性是在一定堿性條件下，活性Al2O3（玻璃體Al2O3）和活性SiO2（玻璃體SiO2）的水化作用。對白城和吉林市熱電廠粉煤灰樣品進行測驗，得到粉煤灰成分如表2 所示。依據(jù)表2 分析，可知該粉煤灰樣品均以二氧化硅為主要成分，屬于F 類粉煤灰。

表2 粉煤灰化學成分表

3 粉煤灰合成防滲材料優(yōu)選試驗

從防治地下水污染和經(jīng)濟角度考慮，以達到粉煤灰良好的防滲能力為目的，進行粉煤灰合成材料的防滲性能改良。本次實驗篩選經(jīng)濟成本較低和無污染的氯化鈉作為粉煤灰合成摻和料進行研究。

3.1 實驗材料及儀器

實驗材料：粉煤灰、水、水泥、氯化鈉。

主要實驗儀器：多功能土壤滲透儀、真空泵、土壤快速滲透系統(tǒng)、分析天平。

3.2 實驗方法

（1）制樣。先在環(huán)刀內壁均勻涂抹一層凡士林，將配比好的合成材料倒入環(huán)刀中，放入恒溫箱中干燥24 h，用刮刀削去多余土樣，使制得的材料與環(huán)刀內部貼合無縫隙，環(huán)刀直徑為6.18 cm，材料高度與環(huán)刀高度相同，為2 cm。

（2）裝樣。先從恒溫箱中將合成材料取出，在環(huán)刀頂、底面貼上濾紙，濾紙大小與環(huán)刀刀口大小相同，將環(huán)刀刀口向上放在滲壓容器底座上的一塊透水石上部，在環(huán)刀外套上橡膠止水圈和定向環(huán)，定向環(huán)要求凸口向下，再按順時針方向擰緊壓緊圈，然后放上透水石。

（3）真空飽和試驗。打開計算機，打開天平開關，打開土壤快速滲透系統(tǒng)并選擇恒流模式，之后打開儀器軟件，輸入基本參數(shù)，并選擇抽空時間和飽和時間，輸入采集周期，選擇初始固結壓力，緩慢旋轉固結調壓閥，使試樣與活塞剛好接觸，此時固結壓力為初始壓力，即氣缸與試樣剛好接觸時的壓力，并確認開始，在多功能土壤滲透儀中自動進行真空飽和。

（4）數(shù)據(jù)測定。真空飽和完成后，在此壓力下增加固結壓力，并設定恒流模式流量，待固結位移顯示數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定后，觀察夾持器出口管線，出口管線在恒溫箱外右側，為透明的塑料管線，管口有氣泡產(chǎn)生至連續(xù)出液，且天平示數(shù)均勻增大。

（5）數(shù)據(jù)處理。根據(jù)實驗要求，連續(xù)觀察壓力、流量及滲透系數(shù)等參數(shù)變化，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，選擇實驗結束，記錄實驗數(shù)據(jù)。

3.3 粉煤灰防滲聚合物滲透性能測定分析

3.3.1 粉煤灰與氯化鈉聚合物配比關系

通過氯化鈉溶解度計算確定粉煤灰與氯化鈉的水固比為50%，水泥含量為5%，按照參數(shù)配比，如表3所示，稱量粉煤灰質量，并配制不同濃度的氯化鈉溶液，二者混勻后加入水泥，邊加入邊攪拌，直至完全混合后，將合成材料置于環(huán)刀中備用待測[8-9]。

表3 粉煤灰-NaCl 材料配比表

3.3.2 白城地區(qū)不同比例粉煤灰和NaCl 滲透系數(shù)測定

在一定范圍內，粉煤灰與氯化鈉合成材料的滲透系數(shù)隨粉煤灰所占比例的增大而減小，當粉煤灰與氯化鈉質量比為35∶1 時，滲透系數(shù)最小，此時滲透系數(shù)為24.7×10-3μm/s，粉煤灰所占比例繼續(xù)增大時，滲透系數(shù)也逐漸增大，當粉煤灰與氯化鈉質量比為45∶1 時，滲透系數(shù)為157.25×10-3μm/s，當粉煤灰與氯化鈉質量比為50∶1 時，滲透系數(shù)為152.37×10-3μm/s，在這一范圍內滲透系數(shù)基本穩(wěn)定，變化較小。通過滲透系數(shù)測定結果可得，白城地區(qū)粉煤灰與氯化鈉質量比為35∶1 時得到的合成材料為最優(yōu)選擇。

3.3.3 吉林地區(qū)不同比例粉煤灰和NaCl 滲透系數(shù)測定

吉林地區(qū)粉煤灰-氯化鈉配比關系與白城地區(qū)粉煤灰-氯化鈉配比關系一致，但滲透系數(shù)隨質量比變化關系不同。當粉煤灰與氯化鈉質量比為20∶1 時，滲透系數(shù)最大，為564.77×10-3μm/s，當粉煤灰與氯化鈉質量比為25∶1 時，滲透系數(shù)最小，為112.60×10-3μm/s，隨粉煤灰所占比例增大，滲透系數(shù)逐漸增大，但整體趨勢過程變化較小。通過滲透系數(shù)測定結果可得，吉林地區(qū)粉煤灰與氯化鈉質量比為25∶1 時得到的合成材料為最優(yōu)選擇。

3.3.4 不同地區(qū)粉煤灰聚合物滲透系數(shù)變化差異

白城市和吉林市熱電廠粉煤灰化學組成基本一致，粉煤灰的骨架較大，當粉煤灰含量較大時，體系的孔隙率隨之增大，滲透系數(shù)也會增大。由于兩個地區(qū)熱電廠水力除灰方式的差異，吉林市熱電廠粉煤灰的含水率較高，相對密度較小，其防滲聚合物中粉煤灰所占比例越小，滲透系數(shù)越小，防滲性能越好。

4 結語

（1）根據(jù)滲透系數(shù)測量結果可得，白城地區(qū)粉煤灰與氯化鈉質量比為35∶1 時得到的合成材料為最優(yōu)選擇，吉林地區(qū)粉煤灰與氯化鈉質量比為25∶1 時得到的合成材料為最優(yōu)選擇。

（2）不同地區(qū)水力除灰方式不同，當粉煤灰的含水率越高，相對密度越小，滲透系數(shù)越小，防滲性能越好。

綜上所述，建議根據(jù)粉煤灰水力除灰方式差異性確定粉煤灰自身理化性質，選擇合適的粉煤灰摻和物配比，從而合成最為經(jīng)濟環(huán)保的防滲材料。