泡沫混凝土作为原位土壤热修复隔热层的研究

沈诣 胡鹏 张乙 葛传芹 葛秀秀

（1 大地益源环境修复有限公司 江苏南京 210012 2 中国联合工程有限公司 浙江杭州 310052）

0 引言

随着“退二进三”和“产业转移”等产业政策的实施，我国各大中城市出现了大量因工厂搬迁导致的有机污染物场地，引发了一系列环境污染和社会安全问题［1-3］。原位热修复技术因其在修复低渗透性土壤、污染深度较深且有机物污染严重的场地中的独特优势，而被广泛应用于有机污染场地修复［4-8］。

无论是燃气热修复技术还是电热修复技术［9-11］都属于热传导［12-13］式热修复技术。热传导式热修复主要是通过热传导的方式，将有机污染场地中的土壤升温，促使有机污染物挥发，由固相、液相向气相转化，对其进一步收集并去除［14-15］。为达到较好的去除效率，土壤需加热到较高温度［16］，达到或接近污染物的沸点［17-18］，因此原位热修复技术能源消耗较大。若热修复场地不采取相应的隔热措施，不但会造成场地表面温度过高，导致后续运营工作无法开展，而且会因场地表明散热而浪费大量能量。因此，表面阻隔工艺的使用在热修复工程应用中是一个不可或缺的组成部分。

目前，岩棉板、加气砖是常用的热修复场地表面阻隔材料［19-20］，但隔热性能一般，无法完全满足现场需求。其中，岩棉板在施工过程中拼接缝难于平整对齐，同时施工人员需要穿防护服，而且岩棉板敷设后的封面层也不易施工；加气砖很难将热修复场区敷设平整，热修复场区存在凹处，易积聚雨水，影响隔热效果。而泡沫混凝土因其整体浇筑的特点，具有良好的工程应用前景。

本文采用泡沫混凝土作为原位热修复技术的表面阻隔材料，通过计算敷设的泡沫混凝土在不同环境条件下的材料散热损失，分析、讨论其隔热性能和特点，并对后续实验和工程的表层阻隔结构提出改进建议。

1 实验设计

1.1 实验目的

实验是在原位热修复场地使用泡沫混凝土作为表层隔热材料，通过计算敷设的泡沫混凝土在不同环境条件下的材料散热损失，从而探明泡沫混凝土的隔热性能。

1.2 实验材料

泡沫混凝土是通过气泡机的发泡系统将发泡剂用机械方式充分发泡，并将泡沫与水泥浆均匀混合，然后经过发泡机的泵送系统进行现浇施工或模具成型，经自然养护所形成的一种含有大量封闭气孔的新型轻质保温材料。泡沫混凝土是一种轻质、保温、隔热耐火、隔音和抗冻的混凝土材料，料浆可以自流平、自密实，施工和易性好，便于泵送及整平，与所有其它建材几乎都有较好的相容性，且强度可调整。泡沫混凝土的实验室测量的导热系数约为0.080 W/（m·K）～0.135 W/（m·K）［21］，工程上一般选择在0.19 W/（m·K）～0.22 W/（m·K）之间［22］。

1.3 实验区域

该实验位于某原位燃气热修复场地。修复场地泡沫混凝土厚度0.15 m，混凝土封面层厚度0.1 m，加热井采用间距2.2 m的三角形网格布置。实验区域划分在修复场地中间区域，以避免场地边界效应对实验结果的影响。实验区域内布置4 个测温点束，实验测温点束与周边加热井位置如图1 所示。在各测温点束位置，分别在如图2 所示的泡沫混凝土层两侧布置测温点。

图1 测温点束布置图

图2 实验区域表面阻隔层结构与测温点束各层分布示意图

1.4 实验阶段

实验需要分析环境条件对泡沫混凝土的影响，因此需先验证环境条件是影响隔热性能的主导因素。

在原位热修复过程中，当最不利加热位置的深层土壤维持在100 ℃左右时，加热过程会出现温升平台现象。在温升平台阶段，加热区域内的加热井附近土壤由于已经干燥，该部分土壤温度会高于水的沸点。但其余绝大部分土壤仍处于含水状态，从而其温度会维持在100 ℃左右，因此土壤内部温度在此阶段内变化较小。在此阶段，处于相近的环境条件下表层土壤会呈现相近的温度梯度。

实验时，在温升平台阶段测量连续数个晴天气温最高时刻各测温点的温度。如果各测点温度相近，可以判定加热场地的土壤整体处于相对平稳的状态。此时，影响表层阻隔层性能的主导因素为环境条件。因此，可选择此阶段作为实验阶段。

2 实验过程与实验数据

在温升平台阶段的连续5 个晴天气温最高时刻（实验阶段的日平均最高气温为30 ℃），记录各测温点温度，温度数据详见表1、图3。由于各测点温度连续5 天测量的温度相近，可以判定此时加热场地的土壤整体处于一个相对平稳的状态。因此，在此阶段测量不同环境条件下各测点温度数据可以判断不同环境条件对隔热材料保温性能的影响。

图3 晴天环境平均温度曲线图

表1 晴天环境温度数据表

为了分析昼夜环境、降雨对泡沫混凝土的性能影响，在实验阶段对夜间、降雨阶段各点温度也进行了记录。实验阶段的环境气温为15 ℃，夜间环境下各测温点温度见表2、图4。在实验阶段后2 天，有一次较大的降雨过程。为探讨降雨阶段对表层阻隔层的性能影响，也对降雨时各测温点温度进行了记录，记录时环境气温约为22 ℃。降雨过程的测量数据详见表3、图5。

图4 夜间环境平均温度曲线图

图5 降雨阶段环境平均温度曲线图

表2 夜间各测温点束各层温度数据表 单位：℃

表3 降雨阶段各测温点束各层温度数据表 单位：℃

3 结果与讨论

3.1 泡沫混凝土隔热性能与特征

根据表1～表3 的温度数据，计算出不同条件下泡沫混凝土各测温点位置的散热损失。计算时，泡沫混凝土厚度取0.15 m，导热系数取0.22 W/（m·K），散热损失计算结果详见表4。雨天环境最大散热损失为33.7 W/m2。夜间环境最大散热损失为29.3 W/m2。晴天条件最高散热损失为19.7W/m2。采用泡沫混凝土作为原位热修复表层阻隔材料时，最大散热损失一般不超过35 W/m2。

表4 不同条件下泡沫混凝土的散热损失 单位：W／m2

不同环境条件时，泡沫混凝土在各处表现出的隔热特征也不同。

（2）对奖学金评定持不同看法的大学生，在求知兴趣、利他取向维度上得分存在差异，在声誉获取维度上存在极其显著的差异。

泡沫混凝土晴天环境的隔热特征表现为：①随着测温点束与加热井距离增加，泡沫混凝土上、下侧温度均呈现下降趋势；②3# 位置上、下两侧温度均为该层的最低温度；③距离加热井最近的1# 位置散热损失较小；④泡沫混凝土最大散热损失出现在2# 位置附近；⑤3# 和4# 位置散热损失差异较小。

泡沫混凝土夜间和降雨环境的隔热特征表现为：①随着测温点束与加热井距离增加，泡沫混凝土上侧温度呈现下降趋势；②各测温点束位置泡沫混凝土下侧温度差异较小；③3#位置上、下两侧温度均为该层的最低温度；④距离加热井最近的1# 位置散热损失较小，其余位置散热损失较大，但之间差异较小。

3.2 影响隔热性能的因素

加热井是原位热修复工程的热源。泡沫混凝土层的主要作用是在竖直方向上阻隔热量损失。但由于受加热井的影响，在不同位置的各测温点束区域，泡沫混凝土表现出的隔热性能和特征不同。3# 点位处于周边3 口加热井的几何中心位置，是加热最不利点位，因此该点位上、下两侧温度均为该层的最低温度。

（1）影响泡沫混凝土下侧温度的原因。该实验场地加热井附近的泡沫混凝土下侧设置了水平抽提管。由于水平抽提管的抽提作用，使得在靠近加热井附近的土壤与泡沫混凝土的间隙内有大量流动气流。同时，设计抽提风量应大于场地污染蒸汽的生成量以确保加热过程中所有污染蒸汽均可以被抽提系统收集。过余风量主要由场地空气经加热井与表层阻隔层之间、表层阻隔边界等薄弱部位补充进入。因此水平抽提管增加了周围环境条件（特别是周围环境温度）对加热井附近区域土壤与泡沫混凝土之间温度的影响。因此，泡沫混凝土下侧温度各处温度由本应呈现对数形式分布变为晴天环境的阶梯型分布。而夜间环境、降雨环境的气温比晴天环境低很多，此时水平抽提管的影响范围进一步扩大至2# 点位附近，使得泡沫混凝土下侧温度各处温度差异不大。

（2）影响泡沫混凝土上侧温度的原因。泡沫混凝土上侧的混凝土封面层温度主要受加热井距离和表层散热的影响。不同环境条件下，距离加热井最近的1# 点位泡沫混凝土上侧的温度差异不大，因此认为此处上侧温度主要受加热井影响。主要受加热井影响区域表层阻隔的温度受环境条件影响较少，且温度较高，需要重点关注。本实验中，加热井影响区域的半径至少为0.4m。在加热井影响区域内，竖直方向上泡沫混凝土的散热损失很低，但这并不意味着热影响区域散热损失小。因为混凝土封面层的散热损失是由混凝土封面层温度决定的，温度越高，散热损失越大。

4 结论

（1）泡沫混凝土作为原位热修复工程场地表层阻隔材料，在不同环境条件下，均可起到较好的隔热保温作用。

（2）原位热修复工程场地表层阻隔材料的散热损失主要取决于环境温度。采用泡沫混凝土时，散热损失一般不超过35 W/m2。

（3）加热井影响区域的半径至少为0.4 m。

（4）后续实验和工程应该在重视竖直方向阻隔的同时，考虑在加热井管设置水平方向的隔热层，以减小加热井热影响区域范围，并减少修复区域的表层散热损失。

（5）抽提风量是否合适可以通过检测土壤表层温度进行判断。风量调节量可以根据环境条件进行调整。