添加粉煤灰对煤矸石基质有效水和持水性能的影响.pdf
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1、第5 1卷 第1 0期2 0 2 3年1 0月西北农林科技大学学报(自然科学版)J o u r n a l o f N o r t h w e s t A&F U n i v e r s i t y(N a t.S c i.E d.)V o l.5 1 N o.1 0O c t.2 0 2 3网络出版时间:2 0 2 3-0 4-1 0 1 6:5 6 D O I:1 0.1 3 2 0 7/j.c n k i.j n w a f u.2 0 2 3.1 0.0 1 0网络出版地址:h t t p s:/k n s.c n k i.n e t/k c m s/d e t a i l/6 1.1
2、 3 9 0.s.2 0 2 3 0 4 0 7.1 7 1 4.0 0 8.h t m l添加粉煤灰对煤矸石基质有效水和持水性能的影响 收稿日期 2 0 2 2-0 6-1 7 基金项目 国家重点研发计划项目“西北干旱荒漠区煤炭基地生态安全保障技术”(2 0 1 7 Y F C 0 5 0 4 4 0 0)和“采煤迹地地形与新土体近自然构建技术研究”(2 0 1 7 Y F C 0 5 0 4 4 0 4)作者简介 韩 湘(1 9 9 7-),女,河北沧州人,在读硕士,主要从事土壤生态研究。E-m a i l:1 8 3 6 6 4 0 5 3 6q q.c o m 通信作者 耿玉清(1 9
3、 6 5-),女,河北衡水人,副教授,主要从事土壤生态及管理研究。E-m a i l:g e n g y u q i n g b j f u.e d u.c n韩 湘,张超英,耿玉清,韩秀娜,陈 琳(北京林业大学 林学院,森林培育与保护教育部重点实验室,北京 1 0 0 0 8 3)摘 要【目的】探索添加粉煤灰对煤矸石基质有效水分和持水能力的影响,为推进矿区生态修复和废弃物的资源化利用提供理论依据。【方法】以煤矸石和生土按照11质量比混匀的煤矸石基质为研究对象,分别添加不同质量分数(0%(C K)、1 0%(F 1)、2 0%(F 2)和5 0%(F 5)粉煤灰,经浇水处理后,取一部分煤矸石基
4、质测定其颗粒组成,同时用环刀取不同处理的煤矸石基质测定其水分特征曲线,计算不同处理煤矸石基质的体积含水率()和水吸力(S),用G a n d n e r幂函数经验公式(=a S-b)对参数a(表征持水能力)和b(表征体积含水率变化的快慢)进行拟合。在此基础上,计算不同处理煤矸石基质的比水容量、大中小孔隙占比、田间持水量、萎蔫系数及速效水、缓效水和有效水含量。【结果】与C K相比,添加粉煤灰使煤矸石基质的粉粒含量显著增加了3.8 11 5.6 2个百分点,砂粒和黏粒含量显著减少了3.8 79.8 7个百分点和0.1 06.0 1个百分点。不同处理煤矸石基质的G a r d n e r幂函数方程拟
5、合系数(R2)在0.9 5 3 80.9 9 4 7。随着粉煤灰添加量的增加,方程拟合参数a呈增加趋势,b呈减小趋势,煤矸石基质的水分特征曲线也逐渐升高。煤矸石基质的比水容量随水吸力的增大呈现出先增大后减小的趋势。在任一水平的水吸力状态下,添加了粉煤灰的煤矸石基质的比水容量均大于C K,并且随着粉煤灰添加量的增加而增大。添加粉煤灰可以减少煤矸石基质的大孔隙比例,增加中小孔隙比例,其中F 1、F 2、F 5的中、小孔隙比例分别较C K上升1.8 2 0,3.2 2 3,4.1 8 0个百分点和4.2 5 6,6.8 9 0,1 2.0 8 3个百分点。随着粉煤灰添加量的增加,煤矸石基质的田间持水
6、量及速效水、缓效水和有效水含量显著增加,但萎蔫系数无显著变化。【结论】添加粉煤灰可以改善煤矸石基质的颗粒组成和孔隙状况,提高其有效水含量和持水能力。关键词 煤矸石;粉煤灰;水分特征曲线;有效水分;持水性能 中图分类号 S 1 5 6.9 9;X 7 5 2 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 1-9 3 8 7(2 0 2 3)1 0-0 0 8 9-0 8E f f e c t o f a d d i n g f l y a s h o n w a t e r a v a i l a b i l i t y a n d h o l d i n g c a p a c i t y o f c
7、 o a l g a n g u e m a t r i x HAN X i a n g,Z HA GN C h a o y i n g,G E N G Y u q i n g,HAN X i u n a,CHE N L i n(C o l l e g e o f F o r e s t r y,T h e K e y L a b o r a t o r y f o r S i l v i c u l t u r e a n d C o n s e r v a t i o n o f M i n i s t r y o f E d u c a t i o n,B e i j i n g F o
8、 r e s t r y U n i v e r s i t y,B e i j i n g 1 0 0 0 8 3,C h i n a)A b s t r a c t:【O b j e c t i v e】T h i s s t u d y e x p l o r e d t h e e f f e c t s o f f l y a s h a d d i t i o n o n a v a i l a b l e w a t e r a n d w a t e r h o l d i n g c a p a c i t y o f c o a l g a n g u e m a t r
9、i x t o p r o v i d e b a s i s f o r p r o m o t i n g e c o l o g i c a l r e s t o r a t i o n a n d w a s t e r e-s o u r c e u t i l i z a t i o n i n m i n i n g a r e a s.【M e t h o d】T h e c o a l g a n g u e m a t r i x m i x e d w i t h c o a l g a n g u e a n d r a w s o i l a t a m a s s
10、 r a t i o o f 11 w a s t e s t e d w i t h a d d i t i o n o f f l y a s h a t d i f f e r e n t m a s s f r a c t i o n s(0%(C K),1 0%(F 1),2 0%(F 2)a n d 5 0%(F 5).A f t e r w a t e r i n g t r e a t m e n t,p a r t i a l c o a l g a n g u e m a t r i x w a s t a k e n t o d e t e r-m i n e p a r
11、 t i c l e c o m p o s i t i o n,v o l u m e w a t e r c o n t e n t()a n d w a t e r s u c t i o n(S).T h e G a n d n e r p o w e r f u n c t i o n e m p i r i c a l f o r m u l a(=a S-b)w a s u s e d t o f i t t h e p a r a m e t e r s o f a(r e p r e s e n t i n g t h e w a t e r h o l d i n g c
12、a p a c i t y)a n d b(r e p r e s e n t i n g t h e c h a n g i n g r a t e o f v o l u m e t r i c w a t e r c o n t e n t).T h e n,t h e s p e c i f i c w a t e r c a p a c i t y,p r o-p o r t i o n s o f l a r g e,m e d i u m a n d s m a l l p o r e s,f i e l d w a t e r h o l d i n g c a p a c i
13、 t y,w i l t i n g c o e f f i c i e n t,r a p i d a v a i l a b l e w a t e r,s l o w a v a i l a b l e w a t e r a n d a v a i l a b l e w a t e r w e r e c a l c u l a t e d.【R e s u l t】C o m p a r e d w i t h C K,t h e a d d i-t i o n o f f l y a s h s i g n i f i c a n t l y i n c r e a s e d
14、s i l t c o n t e n t o f c o a l g a n g u e m a t r i x b y 3.8 1%-1 5.6 2%,w h i l e r e d u c e d s a n d a n d c l a y c o n t e n t s s i g n i f i c a n t l y b y 3.8 7%-9.8 7%a n d 0.1 0%-6.0 1%,r e s p e c t i v e l y.T h e f i t t i n g c o e f f i c i e n t s(R2)o f t h e G a r d n e r p
15、o w e r f u n c t i o n e q u a t i o n o f t h e c o a l g a n g u e m a t r i x w i t h d i f f e r e n t t r e a t-m e n t s w e r e 0.9 5 3 8-0.9 9 4 7.W i t h t h e i n c r e a s e o f f l y a s h a m o u n t,t h e e q u a t i o n f i t t i n g p a r a m e t e r a s h o w e d a n i n c r e a s
16、i n g t r e n d,b s h o w e d a d e c r e a s i n g t r e n d,a n d t h e w a t e r c h a r a c t e r i s t i c o f t h e c o a l g a n g u e m a t r i x g r a d u a l l y i n c r e a s e d.T h e s p e c i f i c w a t e r c a p a c i t y o f t h e c o a l g a n g u e m a t r i x s h o w e d a t r e
17、n d o f f i r s t i n-c r e a s i n g a n d t h e n d e c r e a s i n g w i t h t h e i n c r e a s e o f w a t e r s u c t i o n.A t a n y l e v e l o f w a t e r s u c t i o n,t h e s p e c i f i c w a t e r c a p a c i t y o f t h e g a n g u e m a t r i x w i t h f l y a s h w a s g r e a t e r
18、t h a n t h a t o f C K,a n d i t i n c r e a s e d w i t h t h e i n-c r e a s e o f f l y a s h a d d i t i o n a m o u n t.T h e a d d i t i o n o f f l y a s h r e d u c e d t h e p r o p o r t i o n o f l a r g e p o r e s o f c o a l g a n g u e m a t r i x a n d i n c r e a s e d t h e p r o
19、p o r t i o n s o f m e d i u m a n d s m a l l p o r e s.C o m p a r e d w i t h C K,t h e p r o p o r t i o n s o f m e d i u m a n d s m a l l p o r e s o f F 1,F 2 a n d F 5 w e r e i n c r e a s e d b y 1.8 2 0%,3.2 2 3%,4.1 8 0%a n d 4.2 5 6%,6.8 9 0%,1 2.0 8 3%,r e s p e c t i v e l y.W i t h
20、 t h e i n c r e a s e o f f l y a s h a d d i t i o n,t h e f i e l d c a p a c i t y,a v a i l a b l e w a t e r,r a p i d a v a i l a b l e w a t e r,s l o w a v a i l a b l e w a t e r a n d a v a i l a b l e w a t e r i n c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y,w h e r e a s w i l t i n g c o e
21、 f f i c i e n t s h o w e d n o s i g n i f i c a n t c h a n g e s.【C o n c l u s i o n】A d d i n g f l y a s h c a n i m p r o v e t h e p a r t i c l e c o m p o s i t i o n a n d p o r o s i t y c h a r a c t e r i s t i c s o f c o a l g a n g u e m a t r i x a n d i n c r e a s e i t s a v a
22、i l a b l e w a t e r c o n t e n t a n d w a t e r h o l d i n g c a p a c i t y.K e y w o r d s:c o a l g a n g u e;f l y a s h;w a t e r r e t e n t i o n c u r v e;a v a i l a b l e w a t e r;w a t e r h o l d i n g c a p a c i t y 煤矸石是成煤过程中与煤共生的含碳量低的岩石,也是矿区排放的主要废弃物之一1。煤矸石含有丰富的有机质和微量元素2-3,所以常常将煤
23、矸石与生土混匀来改善土壤的养分状况,作为植物生长的基质4-5。但是煤矸石与生土简单掺混成的煤矸石基质孔隙大、结构性差且保水能力低,从而限制了植物生长。因此,加入外源物质改善煤矸石基质的持水性能,对推进矿区生态修复十分必要。粉煤灰是燃煤过程中产生的固体废弃物,其颗粒细小、质量轻、疏松多孔、比表面积大、活性基团多、吸附能力强,并且富含微量元素6-7。研究发现,将粉煤灰添加到土壤中,不仅可以改善土壤的颗粒组成和孔隙状况,还能促进土壤团粒结构的形成,有效抑制水分蒸发8-9。此外,添加粉煤灰还可阻挡土壤水分下渗,提高土壤的含水率和有效水分滞留时间,增强土壤的持水能力1 0-1 1。在矿区生态修复进程中,
24、已有研究表明使用粉煤灰可改善煤矸石的持水能力。例如秦倩等1 2研究发现,添加粉煤灰可以提高煤矸石的田间持水量,降低其水分扩散率;W a n g等1 3研究发现,粉煤灰-煤矸石的混合充填模式较煤矸石单一充填模式具有更高的保水性和渗透性;邱俊杰等1 4发现,不同比例的煤矸石与粉煤灰混合后均可显著影响煤矸石的饱和含水量。前人的研究主要集中在添加粉煤灰对煤矸石持水性能的影响方面,但粉煤灰是否提高了煤矸石水分的有效性尚不明确。本试验以煤矸石和生土混匀的煤矸石基质为研究对象,分析添加粉煤灰对煤矸石基质有效水分和持水能力的影响,旨在为推进矿区生态环境修复与废弃物资源化利用提供理论依据。1 材料与方法1.1
25、试验材料试验采用的煤矸石源自神华宁夏煤业集团有限责任公司羊场湾煤矿的排矸场;供试生土采自排矸场附近的自然土体,砂粒含量6 5.8%,粉粒含量2 7.5%,黏粒含量6.7%,体积质量1.3 5 g/c m3。基于取材方便,供试粉煤灰采自内蒙古自治区乌海市海南区西来峰发电厂,其砂粒、粉粒和黏粒含量分别为7 1.5 2%,2 4.2 6%和4.5 0%。所采集的煤矸石、生土和粉煤灰均磨碎过2 mm筛后备用。1.2 试验设计将煤矸石和生土按11的质量比混匀成煤矸石基质,然后分别在煤矸石基质中添加质量分数为09西北农林科技大学学报(自然科学版)第5 1卷0%(C K)、1 0%(F 1)、2 0%(F
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