九寨溝馬腦殼金礦廢棄物在礦區植被恢復中的應用研究

張智超,羅古全,宋 慶,龔德勝,范英儒,錢覺時

(1.重慶大學 材料科學與工程學院,重慶 400045; 2.重慶市源慶礦業開發有限責任公司,重慶 400045;3.重慶市二零五勘測設計有限公司,重慶 400045)

礦山開采會造成礦山及周邊區域生態環境的破壞,開采后產生的裸露巖質坡面和大量棄渣堆放場地難以恢復植被,不僅對當地生態環境產生不利影響,還會因遭遇暴雨產生的泥石流等引發安全事故。植被恢復是降低礦山開采引起的生態環境不利影響最為有效的途徑之一。相對于其他工程措施,植被恢復具有破壞性小、生態恢復效果好、施工便利和成本低等優點,但是植被恢復面臨很多技術挑戰。通常情況下,礦山的植被恢復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的區域。礦山區域植被恢復相比其他區域的植被恢復有以下特點:首先,植被基材要有適合植被生長的強度,即早期強度不能過高,過高的強度會導致植物難以發芽和生長,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性,不能引入對土體有害的物質,不能使土壤堿化[1]。對于高海拔地區,礦山植被恢復難度更大,因為現場通常缺少植被恢復的土壤條件。

本研究針對地處高海拔區域的九寨溝馬腦殼礦山的植被恢復,開展植被基材和植被恢復的應用研究。以九寨溝馬腦殼金礦產生的廢棄物作為植被基材的土體,開展實驗室研究和現場試驗,通過對植被基材中膠凝材料的優化及構造設計,克服棄渣高堿性的缺點,達到完全采用現場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提供有效植被基材,也為其他類似區域的植被恢復提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

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材料及堿性改性組分組成,加水后能發生水化反應,還能與土體的離子發生反應,生成具有一定膠結作用的二水石膏和鈣礬石[2]等礦物。膠凝材料主要化學成分見表1,加水后的pH值為7.4,初凝時間350 s,終凝時間470 s,空氣護1 d時抗壓強度為4.7 MPa、抗折強度為2.3 MPa,而后水中養護2 d后抗壓強度為3.2 MPa、抗折強度為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,調整土壤的鈉鈣元素比例,有利于植物生長。

表1 膠凝材料主要化學成分質量分數

1.1.2 廢棄物中的細顆粒

通過篩分馬腦殼金礦開采和選礦產生的廢棄物,得到細顆粒。從表2廢棄物中細顆粒粒徑分布測試結果可以看出,雖然是廢棄物中的細顆粒,但仍比通常的土壤顆粒要粗很多。從表3可以看出,廢棄物中細顆粒主要由硅質、鋁質、鈣質、鐵質氧化物組成,相較于一般土壤,其鈣質氧化物含量較高,歸類為堿質土壤或石灰性土壤。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。細顆粒的pH值為8.47,由于選礦環節引入的堿組分而呈弱堿性[3],塑性指數為17.8,塑限為18.6%,而液限為30.6%,按照《土的工程分類標準》(GB/T 50145—2007)為黏土質砂的低液限黏土。

表2 馬腦殼金礦廢棄物中細顆粒粒徑分布

表3 馬腦殼金礦廢棄物中顆粒主要化學成分質量分數

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

1.1.3 廢棄物中的粗顆粒

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

1.2 試驗方法

1)力學性能參照《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》(GB/T 17671—2021)進行測定。

2)凝結時間參考《建筑石膏 凈漿物理性能的測定》(GB/T 17669.4—1999)進行測定。

3)流動性參照《混凝土外加劑勻質性試驗方法》(GB/T 8077—2012)中的水泥凈漿流動度測試方法。

4)耐水性采用耐水指數I[4]表征,計算公式為

I=tk/M0

(1)

式中:tk為試件浸水后開始潰散時間;M0為試件浸水后的質量變化率。

記錄初始試件質量,將試件完全浸入20 ℃的水中,記錄開始時間,觀察開始潰散時間并記錄,同時取出試件并記錄質量變化率,對于未潰散的試塊記錄其吸水飽和率。

5)干濕循環試驗是先將試件放入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。記錄每一次干濕循環烘干后的試件質量,計算相對未干濕循環試件的質量損失率,直到質量損失率大于5%時停止試驗。

6)pH值測定按照固液萃取法進行。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計測定其pH值。

7)X射線衍射測試。將樣品烘干粉磨,過200目篩,采用X射線衍射儀進行衍射測試,狹縫為1 mm,掃描步長為0.02°,掃描時間為10 min。

2 試驗結果

2.1 植被基材性能

植被基材需要一定的強度、抗沖蝕性和耐干濕循環性能,這都與膠凝材料的用量有很大關系,而提高膠凝材料用量將增加生態護坡的成本,也會影響植物的生長,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

考慮到現場棄渣的液塑限及實際施工需要,采用固定水固比為0.35,膠凝材料用量在20%～45%范圍內變化,礦區廢棄物的用量在55%～80%范圍內變化。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)℃、相對濕度60%的室內進行養護。

2.1.2 強度

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

圖1 膠凝材料用量對植被基材強度的影響

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性以保證施工,還需要合適的凝結時間,否則凝結時間太長會出現植被基材流失現象,凝結時間太短采用濕法噴播時不能保證必要的操作時間。膠凝材料用量與植被基材工作性關系試驗結果見圖2?？梢钥闯?隨膠凝材料用量增加,植被基材的凝結硬化時間縮短,流動度也在降低。從圖2結果和現場施工需求來看,選定膠凝材料用量應低于35%。

圖2 膠凝材料用量對植被基材工作性的影響

2.1.4 耐水性

目前對植被基材及生土材料的耐水性表征沒有統一方法,實際應用中,除土體強度或硬度外,更應注重的是浸水后不潰散的時間及吸水后質量的變化率[6]。本研究采用耐水指數I來表征植被基材的耐水性能,當浸水后開始潰散時間大于24 h通常就不發生潰散。表4是膠凝材料用量與植被基材耐水性關系測試結果,可知植被基材的耐水性隨齡期增長而提高,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,與表4規律性相同。由于植被基材有大量開口孔隙,泡水時水分進入植被基材中會排擠出孔隙中的空氣,形成連續的有一定上升速度的氣泡,氣泡在上升過程中會對植被基材產生較大的沖擊作用[7],因此當植被基材齡期短或膠凝材料用量少時容易發生潰散。

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時的外觀狀況

表4 膠凝材料用量對植被基材耐水指數的影響

2.1.5 耐干濕循環性

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

圖4 膠凝材料用量對植被基材耐干濕循環性能的影響

2.1.6 植物生長試驗

植被基材的發芽試驗和植物生長情況見圖5。采用80%礦區廢棄物制備植被基材并撒入高羊茅草種,觀察發現草種在一周左右發芽。發芽后1 d最高高度3 cm,平均高度1～2 cm;發芽后3 d有60%～70%發芽率,最高高度5 cm,平均高度3～4 cm;發芽后7 d平均高度11～13 cm,并存在折斷現象。這說明植被基材中礦區廢棄物用量低于80%時對種子發芽和生長情況沒有明顯影響,適合作為植被恢復的主要材料使用。

圖5 80%廢棄物的植被基材高羊茅草種發芽后1 d、3 d和7 d生長情況

2.2 現場試驗

2.2.1 試驗區概況

九寨溝馬腦殼金礦礦區海拔2 700～3 725 m,相對高差超過1 000 m;四季溫差大,年均氣溫9～18 ℃,屬高原濕潤氣候,氣候垂直變化大;冰凍期長,冬季9月至次年5月為霜期,在9月出現降雪,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。試驗區選在馬腦殼礦區東北側和西北側區域,共約2 000 m2,坡面為棄渣和廢渣自然堆積而成,坡度大于60°。

現場試驗區域被劃分為3個區域,各區域植被基材配比見表5。

表5 試驗區域植被基材構造及試驗配比

2.2.2 草種選擇

針對適用于高海拔礦區生態修復的植物種類進行調查、篩選并進行種植研究,確定選擇耐旱耐寒、抗逆性強、根系發達、越年生、可粗放管理且能產生適量種子的植物,其中A-1區域選擇紫花苜蓿單個草種播種,A-2、A-3區域選擇紫花苜蓿、披堿草、老芒麥、金雞菊等多個草種混合播種,噴播量約為25 g/m2。

2.2.3 植被基材構造設計

植被基材采用底層和面層雙層結構。底層主要起保水穩固作用,避免較多水分滲透進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,應具有抵抗雨水沖刷的強度,同時兼顧植物發芽生長所需求的孔隙、密度等[10]。

2.2.4 植被基材pH值變化

礦區廢棄物pH值為8.47,呈弱堿性,不利于種子發芽和植物生長,加入膠凝材料后pH值會有一定程度的降低。表6為現場取樣的植被基材pH值隨時間變化的情況。結果表明,膠凝材料加入有利于降低植被基材的pH值,而且隨時間增加pH值會逐漸降低,28 d時pH值降為7.92。這可能是膠凝材料與廢棄物發生了緩慢化學反應,從而使植被基材pH值降低,接近有利于植物生長的中性環境。

表6 植被基材pH值隨時間的變化

2.2.5 植被恢復整體效果

自施工完成后,試驗區域遭遇了1次大雪和1次冰雹,出現多次暴雨天氣。小雨和中雨沖蝕對植被基材坡面基本沒有影響,且有利于補充植被基材水分,暴雨沖蝕對植被基材表面有一定的影響,但沒有影響植物發芽和生長。同時相較于A-1、A-2區域,A-3區域整體植被恢復效果最好,草種發育正常,發芽快,植物分布均勻,覆蓋率高。綜合考量,采用A-3區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。

3 結論

1)以礦區廢棄物作為植被基材主要成分時,需要采用具有較高膠結性能的膠凝材料。膠凝材料與礦區廢棄物能發生反應,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)以礦區廢棄物作為植被基材的主體組分,用量達到80%時仍具有一定的抵抗雨水侵蝕能力,表現出比較好的耐水性。同時考慮抵抗雨水沖蝕和植物發芽生長的需要時,礦區廢棄物在植被基材中用量宜為70%～80%。

3)現場試驗表明,采用噴射施工,以礦區廢棄物為主體的植被基材能用于渣場堆積坡面的植被恢復,植被基材能抵抗多次暴雨的沖蝕,植物種子發芽生長情況良好,可達到預期的植被恢復效果。