白酒泥基窖池建造压实的工程应用研究

付智勇，李 浩，高 强，陈 仙，孙 毅

(四川水井坊股份有限公司，四川成都 610036)

中国白酒具有数千年的悠久历史，是典型的民族传统工业，是中华民族的瑰宝。作为世界著名的六大蒸馏酒之一，中国白酒因其独特的酿造环境、酒曲种类、发酵设备和生产工艺等的区别形成了以酱香、浓香、清香、米香为主，多种衍生香型并存的白酒格局[1]。泥基窖池（分为全泥基窖池与部分泥基窖泥）作为多种香型白酒生产的关键发酵设备，如全泥基建造的浓香、凤香、药香型白酒窖池，部分泥基建造的酱、兼香型白酒窖池，窖池建造所选黏土质量与窖底与（或）窖墙压实效果直接关系所建窖池质量与使用寿命，进而影响白酒生产质量，以浓香型白酒的全泥基窖池为典型代表[2]。

浓香型白酒窖池的窖底与窖墙等主体结构多采用优质黏土夯筑而成，具有保水防漏等功能，如果所用泥土含沙量高、毛细作用强、保水能力差，随着生产的进行以及发酵过程中产生的黄浆水持续浸泡，可能发生窖池坍塌、崩解、沉降、穿孔等质量缺陷问题，严重影响白酒的正常发酵，甚至对酿酒工人造成人身伤害[3-4]。目前，各酒厂（尤其是中小型酒厂）对泥基窖池的建造选土标准与夯筑质量多依据传统经验判断，对影响泥土压实效果的因素尚无深入的探究，本研究将从实际的工程应用角度，对建窖用土的质量标准、压实方法与效果进行研究，以期为泥基窖池的高质量建造提供科学、实用的应用依据。

1 泥基窖池建造用土选择与压实机理

1.1 感官质量标准

浓香型白酒全泥基窖池的窖底、窖墙不仅需要保证较强的承载强度，更要具备保水防漏的容器功能，故建造所选用的土壤质量直接影响窖池的建造质量和使用寿命。杨官荣[5]、何宏魁[6]所述传统经验要求所选土壤为距表层30 cm 以下，无砂石并具有良好黏性；杨军山等[7]从建窖用土的各项理化指标入手，对所选土壤的黏性、含水率、液塑限等理化指标进行了深入研究。对上述感官经验或指标的实际应用，或易受主观判别能力影响，或跨学科专业知识不易理解，或受委托外检周期长、成本高等因素制约，不利于规模化建窖工程应用时用土质量的过程监管与质量控制。

我司契合行业传统经验并参考土壤环境质量标准[8]，将优质建窖用土内控质量标准定义为“土黄色，无臭味，无砂石、树叶、草根、垃圾等杂质，土质细腻、黏性好（持水能力等级达到1 级），重金属与农残指标符合农用地土壤污染风险管控标准”。基于现有专业研究，土壤黏性与其持水能力呈正相关性，即黏性越大的土，持水性能越好[7]，对内控质量标准中关键的性能指标、主观性较强的感官描述性标准——黏性好，通过定义土壤持水能力等级的方法进行标准量化与判定程序固化，可有效规避感官识别困难或错误，同时，此检定方法具有操作便捷，重现性与再现性较好的优点，已由我司申请提交国家发明专利并已进入实质审核程序。

1.2 泥基压实机理

土是三相体，土粒为骨架，颗粒之间的孔隙被水分和空气所占据，土壤在压实功的作用下使土粒重新排列，彼此挤紧，形成密实整体[9]。当土的实际含水量小于其特征最佳含水量时，水起润滑作用，土粒间摩阻力减小，施加压实功后，孔隙被挤紧减小，单位体积内绝对土粒含量随含水量的增加而增大，即干密度逐渐增大；当土的实际含水量大于特征最佳含水量时，土的内摩阻力在减小，但单位体积内空气体积（孔隙）已减到最小限度，水的体积却在不断增加，由于水是不可压缩的，且水比土粒轻，在同样压实功作用下，单位体积内绝对土粒含量随含水量的增加而减少，即其干密度逐渐减小。理论上，不同土样在其特征最佳含水量时，皆可获得特征最大干密度，即压实系数在理论上能够达到1（压实系数=土样的实际干密度/特征最大干密度，是土壤密实程度的指标反映）。

1.3 1级持水等级黏土的最佳含水量测定

参考GB/T 50123《土工试验方法标准》对我司选用的1 级持水等级黏土的最佳含水量进行实验测定，测定方法包括密度试验、击实试验以及含水量试验（标准中为含水率试验，两者区别在于计算基准不同，含水量值以土样湿重为计算基准，而含水率值以土样干重为计算基准），以压实系数表征黏土密实度[10]。

如图1 所示，在同等击实试验条件下，1 级持水等级黏土在不同含水量水平上可以获得不同的压实系数，在含水量19 %时达到最大压实系数，即1级持水等级黏土最优含水量为19 %，对应干密度最大。

图1 1级持水等级黏土的击实曲线

1.4 工程应用指标

理论上，欲使泥基窖池建造压实系数达到或接近1，需保证建造用土达到最优含水量水平并按照最接近击实试验的方法进行压实，但在规模化建窖工程中对黏土的需求巨大，实际含水量难以精细调控至最优含水量水平，同时考虑压实成本与效率（如压实机械的选择、压实的方法等），以及压实过程对窖池车间建筑物结构安全等的影响，我司参照道路工程施工与质量验收规范[9，11]，经充分研判，将1 级持水等级黏土压实工程应用含水量确定在17 %～21 %范围（最优含水量±2 %），且泥基压实系数的内控标准确定为≥0.92，以此作为窖池建造用土与工程质量的控制指标。

2 材料与方法

2.1 试验材料与设备

取自本地的1 级持水等级黏土，洛阳路通LT626SD 型压路机（工作质量25.5 t，振动频率28/35 Hz，激振力460/360 KN），沧州亿轩YDZ-II 型多功能电动击实仪，Mettler-Toledo HE53 型卤素水分仪，环刀取样设备，自制喷水设备等。

2.2 实验方法

以黏土持水等级、含水量、压路机工作质量、压路机行进速度为固定因子，开展全因子实验考察碾压方法(A)，黏土压实前平铺厚度(B)对压实系数的影响，各因子参数与水平见表1。

表1 影响因子与因子水平

2.3 统计分析

对各实验处理及验证实验碾压层测定6 个不同位点压实系数，数据统计分析采用Minitab 15 数据处理系统，在0.05 水平进行最小显著差数法（least significant difference，LSD）测验。

3 结果与分析

3.1 因子分析

根据各实验处理条件下所测压实系数，分析可变因子对泥基窖池建造压实质量的影响，全因子实验结果见表2。

表2 全因子实验结果

对于黏土的压实系数（“望大型”指标），比较各可变因子的极差，可见因子B（平铺厚度）的变化对压实系数具有主效应（效应值为0.019），因子A（碾压方法）相较于B，其变化对压实系数的影响较弱（效应值为0.005）。比较同一因子不同水平，因子A 使用碾压方法1 进行碾压时，压实系数为0.922，略高于碾压方法2（压实系数为0.917），说明碾压方法1 有利于提升黏土压实效果；因子B 平铺厚度为0.4 m时，压实系数为0.930，优于平铺厚度为0.2 m、0.3 m 水平的压实系数（分别为0.917、0.912），与填土厚度太薄产生“叠皮”现象有关。

3.3 最佳工程应用方案确定

本研究以1.4 中工程应用阶段泥基压实系数内控标准≥0.92 为目标评估压实条件是否充分，使用Minitab 15 数据处理系统对各实验处理响应变量——压实系数的渴求函数进行合意性分析，合意性d 值越接近1，说明越接近目标。由图2 可知，在黏土持水等级、含水量等固定因子相对稳定的前提下，控制黏土压实前平铺厚度为0.4 m左右，采用碾压方法1“静压-强振-强振-弱振-弱振-静压”的顺序，可以达到最优压实系数值0.9422，合意性d值为1，完全符合内控压实系数标准。

图2 响应变量优化器输出结果图

综上，确定泥基窖池建造压实的最佳工程应用方案：黏土持水等级为1 级，含水量控制在17%～21 %范围内，压路机工作质量约为26 t，行进速度2.5 km/h（压路机最低行进速度），压实前黏土平铺厚度为0.4 m 左右，碾压方法采用“静压-强振-强振-弱振-弱振-静压”顺序，在工程应用中泥基压实系数可满足内控标准。

3.4 最佳工程应用方案验证实验

考虑到泥基窖池都是以窖底为夯筑基础面，并按逐层叠加的方式进行夯筑，本次验证分三层进行逐层碾压，每层测定6 个不同位点压实系数，验证实验所用1 级持水等级黏土含水量为20.94 %，压路机及其他碾压条件按照最佳工程应用方案布置，如图3 所示，第1 层基础面平均压实系数为0.952，叠加的第2 层、第3 层平均压实系数分别为0.935、0.938，皆显著高于内控标准0.92(P＜0.05)，说明采用最佳工程应用方案，各层黏土皆可达到预期压实效果。

图3 三层碾压压实系数箱线图

4 结论

本研究从满足泥基窖池保水防漏基本功能的角度，首先确认建造用土质量要求需达到1 级持水等级，通过解析泥基压实机理、评估规模化用土水分控制实际难度，确定所用黏土含水量应维持在17%～21%范围，同时考虑压实工程成本、施工效率、碾压过程对窖池车间建筑物结构安全等的影响，通过全因子实验对影响压实效果的可变因子（碾压方法与平铺厚度）及其水平进行了分析，最终确定最佳工程应用方案，即控制黏土压实前平铺厚度为0.4 m 左右，采用“静压-强振-强振-弱振-弱振-静压”的碾压顺序，可使泥基窖池各层黏土达到内控压实标准0.92 以上。通过本文的研究，可为白酒生产企业提供建窖工程方案参考与质量控制思路，以期建造牢固耐用的泥基窖池。