張智超,羅古全,宋 慶,龔德勝,范英儒,錢覺時(shí)

(1.重慶大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,重慶 400045; 2.重慶市源慶礦業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司,重慶 400045;3.重慶市二零五勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司,重慶 400045)

礦山開采會(huì)造成礦山及周邊區(qū)域生態(tài)環(huán)境的破壞,開采后產(chǎn)生的裸露巖質(zhì)坡面和大量棄渣堆放場(chǎng)地難以恢復(fù)植被,不僅對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響,還會(huì)因遭遇暴雨產(chǎn)生的泥石流等引發(fā)安全事故。植被恢復(fù)是降低礦山開采引起的生態(tài)環(huán)境不利影響最為有效的途徑之一。相對(duì)于其他工程措施,植被恢復(fù)具有破壞性小、生態(tài)恢復(fù)效果好、施工便利和成本低等優(yōu)點(diǎn),但是植被恢復(fù)面臨很多技術(shù)挑戰(zhàn)。通常情況下,礦山的植被恢復(fù)主要采用植被基材與草種混合后以噴射施工方式噴至需要植被恢復(fù)的區(qū)域。礦山區(qū)域植被恢復(fù)相比其他區(qū)域的植被恢復(fù)有以下特點(diǎn):首先,植被基材要有適合植被生長(zhǎng)的強(qiáng)度,即早期強(qiáng)度不能過高,過高的強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致植物難以發(fā)芽和生長(zhǎng),但也不能過低,過低則植被基材難以固定在巖面及棄渣堆坡面,且難以抵抗雨水侵蝕;其次,要求植被基材的固、液、氣三相比例和肥力適宜;最后,還需要具備綠色生態(tài)性,不能引入對(duì)土體有害的物質(zhì),不能使土壤堿化[1]。對(duì)于高海拔地區(qū),礦山植被恢復(fù)難度更大,因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)通常缺少植被恢復(fù)的土壤條件。

本研究針對(duì)地處高海拔區(qū)域的九寨溝馬腦殼礦山的植被恢復(fù),開展植被基材和植被恢復(fù)的應(yīng)用研究。以九寨溝馬腦殼金礦產(chǎn)生的廢棄物作為植被基材的土體,開展實(shí)驗(yàn)室研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),通過對(duì)植被基材中膠凝材料的優(yōu)化及構(gòu)造設(shè)計(jì),克服棄渣高堿性的缺點(diǎn),達(dá)到完全采用現(xiàn)場(chǎng)棄渣作為植被基材土體來源的效果,以期為馬腦殼金礦的植被恢復(fù)提供有效植被基材,也為其他類似區(qū)域的植被恢復(fù)提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 膠凝材料

膠凝材料用于使植被基材具有一定強(qiáng)度和抗侵蝕能力。本研究采用的膠凝材料主要由半水石膏和粉煤灰等火山灰質(zhì)材料及堿性改性組分組成,加水后能發(fā)生水化反應(yīng),還能與土體的離子發(fā)生反應(yīng),生成具有一定膠結(jié)作用的二水石膏和鈣礬石[2]等礦物。膠凝材料主要化學(xué)成分見表1,加水后的pH值為7.4,初凝時(shí)間350 s,終凝時(shí)間470 s,空氣護(hù)1 d時(shí)抗壓強(qiáng)度為4.7 MPa、抗折強(qiáng)度為2.3 MPa,而后水中養(yǎng)護(hù)2 d后抗壓強(qiáng)度為3.2 MPa、抗折強(qiáng)度為1.7 MPa。相比于其他體系,本研究采用的膠凝材料pH值在中性范圍,二水石膏本身也可以作為土壤改良組分,調(diào)整土壤的鈉鈣元素比例,有利于植物生長(zhǎng)。

表1 膠凝材料主要化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

1.1.2 廢棄物中的細(xì)顆粒

通過篩分馬腦殼金礦開采和選礦產(chǎn)生的廢棄物,得到細(xì)顆粒。從表2廢棄物中細(xì)顆粒粒徑分布測(cè)試結(jié)果可以看出,雖然是廢棄物中的細(xì)顆粒,但仍比通常的土壤顆粒要粗很多。從表3可以看出,廢棄物中細(xì)顆粒主要由硅質(zhì)、鋁質(zhì)、鈣質(zhì)、鐵質(zhì)氧化物組成,相較于一般土壤,其鈣質(zhì)氧化物含量較高,歸類為堿質(zhì)土壤或石灰性土壤。通過XRD圖譜分析可知,廢棄物主要礦物組成為石英、伊利石和少量珍珠巖。細(xì)顆粒的pH值為8.47,由于選礦環(huán)節(jié)引入的堿組分而呈弱堿性[3],塑性指數(shù)為17.8,塑限為18.6%,而液限為30.6%,按照《土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50145—2007)為黏土質(zhì)砂的低液限黏土。

表2 馬腦殼金礦廢棄物中細(xì)顆粒粒徑分布

表3 馬腦殼金礦廢棄物中顆粒主要化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

綜合來看,馬腦殼金礦廢棄物的細(xì)顆粒部分含有作為植物生長(zhǎng)土體的主要礦物,但屬于低液限黏土,作為植被恢復(fù)的基材時(shí)水穩(wěn)定性差,需要有膠凝組分提升穩(wěn)定性與強(qiáng)度,其較高堿性也需要有改性措施。

1.1.3 廢棄物中的粗顆粒

現(xiàn)場(chǎng)廢棄物篩分結(jié)果顯示,細(xì)顆粒所占比例只有25%左右,因此采用現(xiàn)場(chǎng)粗顆粒破碎后過5 mm篩與細(xì)顆粒一并作為植被基材的土體?，F(xiàn)場(chǎng)粗顆粒主要為礦山開采產(chǎn)生的棄石,由XRD圖譜分析可知其主要礦物組成為石英、方解石、白云母,主要化學(xué)成分見表3。可以發(fā)現(xiàn),不同粗顆粒的化學(xué)成分差異較大,大部分粗顆粒的氧化鈣含量較高。

1.2 試驗(yàn)方法

1)力學(xué)性能參照《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》(GB/T 17671—2021)進(jìn)行測(cè)定。

2)凝結(jié)時(shí)間參考《建筑石膏 凈漿物理性能的測(cè)定》(GB/T 17669.4—1999)進(jìn)行測(cè)定。

3)流動(dòng)性參照《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》(GB/T 8077—2012)中的水泥凈漿流動(dòng)度測(cè)試方法。

4)耐水性采用耐水指數(shù)I[4]表征,計(jì)算公式為

I=tk/M0

(1)

式中:tk為試件浸水后開始潰散時(shí)間;M0為試件浸水后的質(zhì)量變化率。

記錄初始試件質(zhì)量,將試件完全浸入20 ℃的水中,記錄開始時(shí)間,觀察開始潰散時(shí)間并記錄,同時(shí)取出試件并記錄質(zhì)量變化率,對(duì)于未潰散的試塊記錄其吸水飽和率。

5)干濕循環(huán)試驗(yàn)是先將試件放入40 ℃烘箱中烘干23 h,然后將其放入水中完全浸泡1 h(模擬夏季暴雨下植被材料完全浸濕),再將試件從水中取出放入40 ℃烘箱中干燥23 h,待其自然冷卻后,視為完成一次干濕循環(huán)。記錄每一次干濕循環(huán)烘干后的試件質(zhì)量,計(jì)算相對(duì)未干濕循環(huán)試件的質(zhì)量損失率,直到質(zhì)量損失率大于5%時(shí)停止試驗(yàn)。

6)pH值測(cè)定按照固液萃取法進(jìn)行。將樣品磨成粉末過200目篩,取10 g加入100 g去離子水配成懸浮液,每15 min攪拌1次,2 h后過濾,用pH計(jì)測(cè)定其pH值。

7)X射線衍射測(cè)試。將樣品烘干粉磨,過200目篩,采用X射線衍射儀進(jìn)行衍射測(cè)試,狹縫為1 mm,掃描步長(zhǎng)為0.02°,掃描時(shí)間為10 min。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 植被基材性能

植被基材需要一定的強(qiáng)度、抗沖蝕性和耐干濕循環(huán)性能,這都與膠凝材料的用量有很大關(guān)系,而提高膠凝材料用量將增加生態(tài)護(hù)坡的成本,也會(huì)影響植物的生長(zhǎng),因此需要綜合考慮多方面因素選取合適的膠凝材料用量。

2.1.1 試件成型

考慮到現(xiàn)場(chǎng)棄渣的液塑限及實(shí)際施工需要,采用固定水固比為0.35,膠凝材料用量在20%～45%范圍內(nèi)變化,礦區(qū)廢棄物的用量在55%～80%范圍內(nèi)變化。將所有材料干攪1 min,加水后慢攪再快攪各1 min,隨后將拌合物倒入模具中振動(dòng)成型,試件尺寸為40 mm×40 mm×40 mm。拆模后將試件放于溫度(20±1)℃、相對(duì)濕度60%的室內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

2.1.2 強(qiáng)度

圖1是植被基材的抗壓強(qiáng)度隨膠凝材料用量的變化情況?？梢钥闯?隨著膠凝材料用量的增加,植被基材的強(qiáng)度在不斷提高,同時(shí)各摻量下28 d強(qiáng)度相較于7 d均有所提高,表明植被基材強(qiáng)度后期也在緩慢提高。植被基材強(qiáng)度越高,固結(jié)土體能力越強(qiáng),抵抗雨水侵蝕能力越強(qiáng),但是強(qiáng)度過高會(huì)影響種子發(fā)芽和植物生長(zhǎng)[5],因此植被基材具有適宜強(qiáng)度就能滿足要求?？紤]到九寨溝馬腦殼金礦現(xiàn)場(chǎng)條件,選定植被基材中膠凝材料用量在20%～30%。

圖1 膠凝材料用量對(duì)植被基材強(qiáng)度的影響

2.1.3 工作性

植被基材多采取噴射施工的方式,不僅需要一定的流動(dòng)性以保證施工,還需要合適的凝結(jié)時(shí)間,否則凝結(jié)時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)植被基材流失現(xiàn)象,凝結(jié)時(shí)間太短采用濕法噴播時(shí)不能保證必要的操作時(shí)間。膠凝材料用量與植被基材工作性關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果見圖2?？梢钥闯?隨膠凝材料用量增加,植被基材的凝結(jié)硬化時(shí)間縮短,流動(dòng)度也在降低。從圖2結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)施工需求來看,選定膠凝材料用量應(yīng)低于35%。

圖2 膠凝材料用量對(duì)植被基材工作性的影響

2.1.4 耐水性

目前對(duì)植被基材及生土材料的耐水性表征沒有統(tǒng)一方法,實(shí)際應(yīng)用中,除土體強(qiáng)度或硬度外,更應(yīng)注重的是浸水后不潰散的時(shí)間及吸水后質(zhì)量的變化率[6]。本研究采用耐水指數(shù)I來表征植被基材的耐水性能,當(dāng)浸水后開始潰散時(shí)間大于24 h通常就不發(fā)生潰散。表4是膠凝材料用量與植被基材耐水性關(guān)系測(cè)試結(jié)果,可知植被基材的耐水性隨齡期增長(zhǎng)而提高,也隨膠凝材料用量增加而提高。圖3顯示不同膠凝材料用量和齡期下植被基材試塊泡水后的狀態(tài),與表4規(guī)律性相同。由于植被基材有大量開口孔隙,泡水時(shí)水分進(jìn)入植被基材中會(huì)排擠出孔隙中的空氣,形成連續(xù)的有一定上升速度的氣泡,氣泡在上升過程中會(huì)對(duì)植被基材產(chǎn)生較大的沖擊作用[7],因此當(dāng)植被基材齡期短或膠凝材料用量少時(shí)容易發(fā)生潰散。

圖3 不同膠凝材料用量和齡期下植被基材試塊泡水潰散試驗(yàn)時(shí)的外觀狀況

表4 膠凝材料用量對(duì)植被基材耐水指數(shù)的影響

2.1.5 耐干濕循環(huán)性

植被基材在實(shí)際應(yīng)用中必然會(huì)經(jīng)歷多次的浸水和干燥過程,經(jīng)干濕循環(huán)后會(huì)積累不可恢復(fù)的塑性變形[8-9],因此植被基材耐干濕循環(huán)次數(shù)越多,循環(huán)后同等受損程度下試件保持的強(qiáng)度越高,表明植被基材的實(shí)際服役效果越好。不同膠凝材料用量的植被基材耐干濕循環(huán)次數(shù)見圖4。在同等受損程度下,隨著膠凝材料摻量和齡期的增加,植被基材干濕循環(huán)次數(shù)增加。在30%膠凝材料摻量下,3 d就能夠抵抗完全浸水(暴雨)后的連續(xù)干濕循環(huán)。這可能是在堿性土壤環(huán)境下,植被基材中的膠凝材料與礦區(qū)廢棄物中的金屬離子能保持長(zhǎng)期的反應(yīng),有利于改善植被基材后期的耐水性和耐干濕循環(huán)性能。

圖4 膠凝材料用量對(duì)植被基材耐干濕循環(huán)性能的影響

2.1.6 植物生長(zhǎng)試驗(yàn)

植被基材的發(fā)芽試驗(yàn)和植物生長(zhǎng)情況見圖5。采用80%礦區(qū)廢棄物制備植被基材并撒入高羊茅草種,觀察發(fā)現(xiàn)草種在一周左右發(fā)芽。發(fā)芽后1 d最高高度3 cm,平均高度1～2 cm;發(fā)芽后3 d有60%～70%發(fā)芽率,最高高度5 cm,平均高度3～4 cm;發(fā)芽后7 d平均高度11～13 cm,并存在折斷現(xiàn)象。這說明植被基材中礦區(qū)廢棄物用量低于80%時(shí)對(duì)種子發(fā)芽和生長(zhǎng)情況沒有明顯影響,適合作為植被恢復(fù)的主要材料使用。

圖5 80%廢棄物的植被基材高羊茅草種發(fā)芽后1 d、3 d和7 d生長(zhǎng)情況

2.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)區(qū)概況

九寨溝馬腦殼金礦礦區(qū)海拔2 700～3 725 m,相對(duì)高差超過1 000 m;四季溫差大,年均氣溫9～18 ℃,屬高原濕潤(rùn)氣候,氣候垂直變化大;冰凍期長(zhǎng),冬季9月至次年5月為霜期,在9月出現(xiàn)降雪,10月中下旬開始凍土,至次年3月底開始解凍;年降水量500～700 mm,雨季集中在7—9月。試驗(yàn)區(qū)選在馬腦殼礦區(qū)東北側(cè)和西北側(cè)區(qū)域,共約2 000 m2,坡面為棄渣和廢渣自然堆積而成,坡度大于60°。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)區(qū)域被劃分為3個(gè)區(qū)域,各區(qū)域植被基材配比見表5。

表5 試驗(yàn)區(qū)域植被基材構(gòu)造及試驗(yàn)配比

2.2.2 草種選擇

針對(duì)適用于高海拔礦區(qū)生態(tài)修復(fù)的植物種類進(jìn)行調(diào)查、篩選并進(jìn)行種植研究,確定選擇耐旱耐寒、抗逆性強(qiáng)、根系發(fā)達(dá)、越年生、可粗放管理且能產(chǎn)生適量種子的植物,其中A-1區(qū)域選擇紫花苜蓿單個(gè)草種播種,A-2、A-3區(qū)域選擇紫花苜蓿、披堿草、老芒麥、金雞菊等多個(gè)草種混合播種,噴播量約為25 g/m2。

2.2.3 植被基材構(gòu)造設(shè)計(jì)

植被基材采用底層和面層雙層結(jié)構(gòu)。底層主要起保水穩(wěn)固作用,避免較多水分滲透進(jìn)疏松的廢棄物堆積體中,要求膠凝材料含量更高;面層含有植物種子,膠凝材料用量較低,應(yīng)具有抵抗雨水沖刷的強(qiáng)度,同時(shí)兼顧植物發(fā)芽生長(zhǎng)所需求的孔隙、密度等[10]。

2.2.4 植被基材pH值變化

礦區(qū)廢棄物pH值為8.47,呈弱堿性,不利于種子發(fā)芽和植物生長(zhǎng),加入膠凝材料后pH值會(huì)有一定程度的降低。表6為現(xiàn)場(chǎng)取樣的植被基材pH值隨時(shí)間變化的情況。結(jié)果表明,膠凝材料加入有利于降低植被基材的pH值,而且隨時(shí)間增加pH值會(huì)逐漸降低,28 d時(shí)pH值降為7.92。這可能是膠凝材料與廢棄物發(fā)生了緩慢化學(xué)反應(yīng),從而使植被基材pH值降低,接近有利于植物生長(zhǎng)的中性環(huán)境。

表6 植被基材pH值隨時(shí)間的變化

2.2.5 植被恢復(fù)整體效果

自施工完成后,試驗(yàn)區(qū)域遭遇了1次大雪和1次冰雹,出現(xiàn)多次暴雨天氣。小雨和中雨沖蝕對(duì)植被基材坡面基本沒有影響,且有利于補(bǔ)充植被基材水分,暴雨沖蝕對(duì)植被基材表面有一定的影響,但沒有影響植物發(fā)芽和生長(zhǎng)。同時(shí)相較于A-1、A-2區(qū)域,A-3區(qū)域整體植被恢復(fù)效果最好,草種發(fā)育正常,發(fā)芽快,植物分布均勻,覆蓋率高。綜合考量,采用A-3區(qū)域植被基材配比及多草種組合混種的形式更有利于植被恢復(fù)。

3 結(jié)論

1)以礦區(qū)廢棄物作為植被基材主要成分時(shí),需要采用具有較高膠結(jié)性能的膠凝材料。膠凝材料與礦區(qū)廢棄物能發(fā)生反應(yīng),隨著膠凝材料用量增加,不但植被基材耐水性顯著提升,而且植被基材pH值逐漸趨于中性。膠凝材料適宜用量為20%～30%。

2)以礦區(qū)廢棄物作為植被基材的主體組分,用量達(dá)到80%時(shí)仍具有一定的抵抗雨水侵蝕能力,表現(xiàn)出比較好的耐水性。同時(shí)考慮抵抗雨水沖蝕和植物發(fā)芽生長(zhǎng)的需要時(shí),礦區(qū)廢棄物在植被基材中用量宜為70%～80%。

3)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明,采用噴射施工,以礦區(qū)廢棄物為主體的植被基材能用于渣場(chǎng)堆積坡面的植被恢復(fù),植被基材能抵抗多次暴雨的沖蝕,植物種子發(fā)芽生長(zhǎng)情況良好,可達(dá)到預(yù)期的植被恢復(fù)效果。