白酒泥基窖池建造壓實的工程應用研究

付智勇，李 浩，高 強，陳 仙，孫 毅

(四川水井坊股份有限公司，四川成都 610036)

中國白酒具有數千年的悠久歷史，是典型的民族傳統工業，是中華民族的瑰寶。作為世界著名的六大蒸餾酒之一，中國白酒因其獨特的釀造環境、酒曲種類、發酵設備和生產工藝等的區別形成了以醬香、濃香、清香、米香為主，多種衍生香型并存的白酒格局[1]。泥基窖池（分為全泥基窖池與部分泥基窖泥）作為多種香型白酒生產的關鍵發酵設備，如全泥基建造的濃香、鳳香、藥香型白酒窖池，部分泥基建造的醬、兼香型白酒窖池，窖池建造所選黏土質量與窖底與（或）窖墻壓實效果直接關系所建窖池質量與使用壽命，進而影響白酒生產質量，以濃香型白酒的全泥基窖池為典型代表[2]。

濃香型白酒窖池的窖底與窖墻等主體結構多采用優質黏土夯筑而成，具有保水防漏等功能，如果所用泥土含沙量高、毛細作用強、保水能力差，隨著生產的進行以及發酵過程中產生的黃漿水持續浸泡，可能發生窖池坍塌、崩解、沉降、穿孔等質量缺陷問題，嚴重影響白酒的正常發酵，甚至對釀酒工人造成人身傷害[3-4]。目前，各酒廠（尤其是中小型酒廠）對泥基窖池的建造選土標準與夯筑質量多依據傳統經驗判斷，對影響泥土壓實效果的因素尚無深入的探究，本研究將從實際的工程應用角度，對建窖用土的質量標準、壓實方法與效果進行研究，以期為泥基窖池的高質量建造提供科學、實用的應用依據。

1 泥基窖池建造用土選擇與壓實機理

1.1 感官質量標準

濃香型白酒全泥基窖池的窖底、窖墻不僅需要保證較強的承載強度，更要具備保水防漏的容器功能，故建造所選用的土壤質量直接影響窖池的建造質量和使用壽命。楊官榮[5]、何宏魁[6]所述傳統經驗要求所選土壤為距表層30 cm 以下，無砂石并具有良好黏性；楊軍山等[7]從建窖用土的各項理化指標入手，對所選土壤的黏性、含水率、液塑限等理化指標進行了深入研究。對上述感官經驗或指標的實際應用，或易受主觀判別能力影響，或跨學科專業知識不易理解，或受委托外檢周期長、成本高等因素制約，不利于規模化建窖工程應用時用土質量的過程監管與質量控制。

我司契合行業傳統經驗并參考土壤環境質量標準[8]，將優質建窖用土內控質量標準定義為“土黃色，無臭味，無砂石、樹葉、草根、垃圾等雜質，土質細膩、黏性好（持水能力等級達到1 級），重金屬與農殘指標符合農用地土壤污染風險管控標準”。基于現有專業研究，土壤黏性與其持水能力呈正相關性，即黏性越大的土，持水性能越好[7]，對內控質量標準中關鍵的性能指標、主觀性較強的感官描述性標準——黏性好，通過定義土壤持水能力等級的方法進行標準量化與判定程序固化，可有效規避感官識別困難或錯誤，同時，此檢定方法具有操作便捷，重現性與再現性較好的優點，已由我司申請提交國家發明專利并已進入實質審核程序。

1.2 泥基壓實機理

土是三相體，土粒為骨架，顆粒之間的孔隙被水分和空氣所占據，土壤在壓實功的作用下使土粒重新排列，彼此擠緊，形成密實整體[9]。當土的實際含水量小于其特征最佳含水量時，水起潤滑作用，土粒間摩阻力減小，施加壓實功后，孔隙被擠緊減小，單位體積內絕對土粒含量隨含水量的增加而增大，即干密度逐漸增大；當土的實際含水量大于特征最佳含水量時，土的內摩阻力在減小，但單位體積內空氣體積（孔隙）已減到最小限度，水的體積卻在不斷增加，由于水是不可壓縮的，且水比土粒輕，在同樣壓實功作用下，單位體積內絕對土粒含量隨含水量的增加而減少，即其干密度逐漸減小。理論上，不同土樣在其特征最佳含水量時，皆可獲得特征最大干密度，即壓實系數在理論上能夠達到1（壓實系數=土樣的實際干密度/特征最大干密度，是土壤密實程度的指標反映）。

1.3 1級持水等級黏土的最佳含水量測定

參考GB/T 50123《土工試驗方法標準》對我司選用的1 級持水等級黏土的最佳含水量進行實驗測定，測定方法包括密度試驗、擊實試驗以及含水量試驗（標準中為含水率試驗，兩者區別在于計算基準不同，含水量值以土樣濕重為計算基準，而含水率值以土樣干重為計算基準），以壓實系數表征黏土密實度[10]。

如圖1 所示，在同等擊實試驗條件下，1 級持水等級黏土在不同含水量水平上可以獲得不同的壓實系數，在含水量19 %時達到最大壓實系數，即1級持水等級黏土最優含水量為19 %，對應干密度最大。

圖1 1級持水等級黏土的擊實曲線

1.4 工程應用指標

理論上，欲使泥基窖池建造壓實系數達到或接近1，需保證建造用土達到最優含水量水平并按照最接近擊實試驗的方法進行壓實，但在規模化建窖工程中對黏土的需求巨大，實際含水量難以精細調控至最優含水量水平，同時考慮壓實成本與效率（如壓實機械的選擇、壓實的方法等），以及壓實過程對窖池車間建筑物結構安全等的影響，我司參照道路工程施工與質量驗收規范[9，11]，經充分研判，將1 級持水等級黏土壓實工程應用含水量確定在17 %～21 %范圍（最優含水量±2 %），且泥基壓實系數的內控標準確定為≥0.92，以此作為窖池建造用土與工程質量的控制指標。

2 材料與方法

2.1 試驗材料與設備

取自本地的1 級持水等級黏土，洛陽路通LT626SD 型壓路機（工作質量25.5 t，振動頻率28/35 Hz，激振力460/360 KN），滄州億軒YDZ-II 型多功能電動擊實儀，Mettler-Toledo HE53 型鹵素水分儀，環刀取樣設備，自制噴水設備等。

2.2 實驗方法

以黏土持水等級、含水量、壓路機工作質量、壓路機行進速度為固定因子，開展全因子實驗考察碾壓方法(A)，黏土壓實前平鋪厚度(B)對壓實系數的影響，各因子參數與水平見表1。

表1 影響因子與因子水平

2.3 統計分析

對各實驗處理及驗證實驗碾壓層測定6 個不同位點壓實系數，數據統計分析采用Minitab 15 數據處理系統，在0.05 水平進行最小顯著差數法（least significant difference，LSD）測驗。

3 結果與分析

3.1 因子分析

根據各實驗處理條件下所測壓實系數，分析可變因子對泥基窖池建造壓實質量的影響，全因子實驗結果見表2。

表2 全因子實驗結果

對于黏土的壓實系數（“望大型”指標），比較各可變因子的極差，可見因子B（平鋪厚度）的變化對壓實系數具有主效應（效應值為0.019），因子A（碾壓方法）相較于B，其變化對壓實系數的影響較弱（效應值為0.005）。比較同一因子不同水平，因子A 使用碾壓方法1 進行碾壓時，壓實系數為0.922，略高于碾壓方法2（壓實系數為0.917），說明碾壓方法1 有利于提升黏土壓實效果；因子B 平鋪厚度為0.4 m時，壓實系數為0.930，優于平鋪厚度為0.2 m、0.3 m 水平的壓實系數（分別為0.917、0.912），與填土厚度太薄產生“疊皮”現象有關。

3.3 最佳工程應用方案確定

本研究以1.4 中工程應用階段泥基壓實系數內控標準≥0.92 為目標評估壓實條件是否充分，使用Minitab 15 數據處理系統對各實驗處理響應變量——壓實系數的渴求函數進行合意性分析，合意性d 值越接近1，說明越接近目標。由圖2 可知，在黏土持水等級、含水量等固定因子相對穩定的前提下，控制黏土壓實前平鋪厚度為0.4 m左右，采用碾壓方法1“靜壓-強振-強振-弱振-弱振-靜壓”的順序，可以達到最優壓實系數值0.9422，合意性d值為1，完全符合內控壓實系數標準。

圖2 響應變量優化器輸出結果圖

綜上，確定泥基窖池建造壓實的最佳工程應用方案：黏土持水等級為1 級，含水量控制在17%～21 %范圍內，壓路機工作質量約為26 t，行進速度2.5 km/h（壓路機最低行進速度），壓實前黏土平鋪厚度為0.4 m 左右，碾壓方法采用“靜壓-強振-強振-弱振-弱振-靜壓”順序，在工程應用中泥基壓實系數可滿足內控標準。

3.4 最佳工程應用方案驗證實驗

考慮到泥基窖池都是以窖底為夯筑基礎面，并按逐層疊加的方式進行夯筑，本次驗證分三層進行逐層碾壓，每層測定6 個不同位點壓實系數，驗證實驗所用1 級持水等級黏土含水量為20.94 %，壓路機及其他碾壓條件按照最佳工程應用方案布置，如圖3 所示，第1 層基礎面平均壓實系數為0.952，疊加的第2 層、第3 層平均壓實系數分別為0.935、0.938，皆顯著高于內控標準0.92(P＜0.05)，說明采用最佳工程應用方案，各層黏土皆可達到預期壓實效果。

圖3 三層碾壓壓實系數箱線圖

4 結論

本研究從滿足泥基窖池保水防漏基本功能的角度，首先確認建造用土質量要求需達到1 級持水等級，通過解析泥基壓實機理、評估規模化用土水分控制實際難度，確定所用黏土含水量應維持在17%～21%范圍，同時考慮壓實工程成本、施工效率、碾壓過程對窖池車間建筑物結構安全等的影響，通過全因子實驗對影響壓實效果的可變因子（碾壓方法與平鋪厚度）及其水平進行了分析，最終確定最佳工程應用方案，即控制黏土壓實前平鋪厚度為0.4 m 左右，采用“靜壓-強振-強振-弱振-弱振-靜壓”的碾壓順序，可使泥基窖池各層黏土達到內控壓實標準0.92 以上。通過本文的研究，可為白酒生產企業提供建窖工程方案參考與質量控制思路，以期建造牢固耐用的泥基窖池。