礦區生態修復材料制備及力學特性研究

摘 要：本文探討了基于高回彈性聚氨酯泡沫塑料（HRPU）的復合材料在礦區生態修復中的應用。通過化學分析和性能測試，發現HRPU材料在提高機械性能、滲透性和疏水性方面具有潛力。其中，噴涂了HRPU/EVA復合材料的礦渣性能最佳，通過SEM觀察，發現礦渣表面微孔結構能提供水分滲透和植物生長需要的條件。此外，HRPU/EVA材料還具備良好的保水能力和抗侵蝕性，為生態修復提供了潛在的解決方案。這項研究對西藏某礦區的生態修復具有重要意義。

關鍵詞：HRPU；復合材料；生態修復

中圖分類號：X 171" " 文獻標志碼：A

生態環境保護和礦區生態修復已成為當今社會面臨的重要問題之一[1]。礦區的開采活動不僅會破壞自然生態系統，還可能對當地社區和生態環境造成長期不可逆轉的損害。因此，開發和應用高效的生態修復材料對恢復和保護礦區的生態平衡至關重要[2]。

西藏某礦區是典型的高原高寒地區，該區域風沙大、氣候干旱，生態系統脆弱敏感，集中連片的遺留礦山，加劇了水土流失，降低了生態系統連通性和整體性，使生態系統功能受損，生態環境遭到破壞，礦物開采后留下的礦渣化學成分復雜、機械性能差、易受侵蝕。在該礦區生態修復中，需要改善礦渣的機械性能、滲透性和疏水性，以增強其固沙能力，抵御水侵蝕[3]。本文通過制備不同種類的HRPU復合材料探索了這些材料在礦渣性能改進上的應用潛力，包括對礦渣樣品的化學成分分析以及一系列性能評價測試[4]。通過拉伸強度測試、親水性能測試、壓縮強度和變形率測試、滲透性測試以及水接觸角測量等試驗，深入研究了這些材料的性能特點[5]。

綜上所述，本研究為西藏某礦區生態修復提供了一種潛在的化學固化材料，為改善礦區地質環境、保護生態系統和促進可持續發展提供了新的途徑。本研究對解決礦區生態問題具有重要的理論和實際意義，為未來的生態修復工作提供了有力支持。

1 材料和方法

1.1 礦渣樣本分析

礦渣樣品取自西藏某礦區，通過電感耦合等離子體發射光譜（ICP）分析礦渣的化學組成。用掃描電子顯微鏡（SEM）圖像觀察礦渣樣品的微觀形態，同時使用SEM設備的能譜儀（EDS）對其進行能譜分析，進一步研究樣品的元素分布。

1.2 高回彈性聚氨酯泡沫塑料（HRPU）的制備

將定量的甲苯二異氰酸酯（TDI）和聚醚聚醇加入帶有攪拌器和溫度計的三頸燒瓶中。向混合物中加入二月桂酸二丁基錫（DBTL），并在90°C下攪拌4h，然后冷卻至室溫以獲得HRPU預聚物。此外，將一定比例的氨酯纖維（EA）、玄武巖纖維（BF）、聚乙烯醇纖維（PVA）或乙烯樹脂醋酸纖維（EVA）單體混入HRPU預聚物中，在60°C下攪拌2h。相應的產物分別命名為HRPU/EA、HRPU/BF、HRPU/PVA和HRPU/EVA。在噴涂到礦渣樣品前，將5種HRPU預聚物與蒸餾水混合，形成一個固化層。

1.3 表征狀態

使用拉伸試驗機對5種HRPU材料進行室溫下的拉伸強度測試，將測試速度控制為50mm/min。根據《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應力應變性能的測定》（GB/T 528—2009）標準，將所有HRPU樣品都制成啞鈴型，啞鈴型試樣兩端長1cm，頸部寬5mm，厚0.2mm。通過固化試驗測試HRPU 的親水反應性能，將一定量的HRPU加入快速攪拌的水中，待完全分散后，HRPU水分散液將在一定時間內呈現固化反應。按照《混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T 50081—2002）標準，利用液壓萬能試驗機對噴涂了不同 HRPU 材料的礦渣樣品進行壓縮強度和變形率測試，壓力速度控制在0.3MPa/s～0.5MPa/s，可直接在液壓萬能試驗機上讀取變形率。壓縮強度取3個試樣的平均值，采用公式（1）進行計算。

（1）

式中：f∞為礦渣樣品的壓縮強度，MPa；F為樣品的破壞載荷，N；A為樣品的受壓面積，mm2。

表面硬度是影響發芽率的重要指標之一，變形指數可以通過在硬度測試儀上直接讀取數值來獲得。通過測量固化層的厚度測試了5種不同HRPU材料的滲透性，將直徑小于20mm的礦渣顆粒放入直徑為20mm，長度為150mm的玻璃管中，將這些礦渣顆粒按照 5L/m3的噴涂量噴涂了5種不同的HRPU材料，在5種不同的HRPU材料固化后，測試了固化層的厚度。

通過接觸角儀器測量樣品的水接觸角，該儀器配有一個近單色LED光源，用于自動分散樣品表面的成像液。使用光譜儀獲取礦渣樣品的傅里葉變換紅外（FTIR）光譜，在4000cm-1～400cm-1。同時對噴涂了HRPU/EVA材料的礦渣樣品的微觀形態用掃描電子顯微鏡（SEM）進行分析。

1.4 性能評價測試

水分保持能力是HRPU材料在礦渣地區的固沙性能的重要評價指標。以下試驗旨在檢驗水分保持能力。礦渣樣品噴涂了HRPU/EVA材料（濃度為3%），噴涂量為1L/㎡。記錄濕樣品的質量，并在80°C的烘箱中以1h的相同時間間隔再次稱重濕樣品。使用公式（2）進行計算。

（2）

式中：Wn為n小時的濕重；D0和W0分別為初始干重和濕重；Wc是水含量比，%。

2 結果與分析

2.1 化學成分與礦渣

表1為礦渣樣品的ICP結果，結果顯示礦渣的SiO2含量約為60.5%，具有較低的成巖作用，低于常見巖石的含量。一些不穩定的活性金屬氧化物也占據了一定比例，其中一些可能是化學反應的產物，這是礦渣容易受侵蝕的重要原因，同時有機組分小于5%，表明土壤養分稀缺。

2.2 HRPU的親水活性性質

將不同濃度的HRPU（1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、20％和50％）在室溫（25℃）條件下加入水中混合，觀察HRPU材料的固化時間。由于1%和2%的HRPU濃度太低，水溶液流動性太強，并未觀察到完整的凝膠形成，尚未發生固化反應，因此，固化試驗起始濃度為3%。濃度對水溶液凝結時間的影響試驗結果如圖1所示，隨著HRPU濃度增加，固化時間減少，固化時間從幾分變為幾秒。當HRPU濃度高于20%時，HRPU/水混合物的固化反應在幾秒內發生。通過固化過程，HRPU/水混合物從分散狀態變為固化體，呈現為優異的彈性凝膠。

2.3 樣品的物理性能

噴涂了HRPU和4種基于HRPU的復合材料的礦渣樣品的壓縮強度和變形率如圖2所示。結果顯示，與HRPU材料相比，噴涂了基于HRPU的復合材料的礦渣樣品的機械性能得到了改善。因為EVA材料具有優異的黏附性，噴涂了HRPU/EVA材料的礦渣樣品具有最高的壓縮強度和變形率，變形率約為15%，顯著高于其他礦渣樣品，表明HRPU/EVA材料能夠提高礦渣樣品的柔韌性。因此HRPU/EVA材料能夠在松散的礦渣表面形成一個良好的柔韌外殼，通過HRPU/EVA將松散的沙子粘在一起，防止土壤和水分流失。噴涂了基于HRPU的復合材料的樣品的變形指數略高于未噴涂復合材料的樣品。此外，與噴涂了HRPU的樣品相比，噴涂了HRPU/EA和HRPU/BF的樣品的變形指數輕微增加。與噴涂了HRPU/EA或HRPU/BF的樣品相比，噴涂了HRPU/PVA和HRPU/EVA的礦渣的變形指數突然增加。PVA和EVA具有良好的黏結效果，能夠將礦渣粘在一起并提高硬度。

2.4 礦渣樣品的滲透性和疏水性

滲透性是評估化學固化材料的重要指標，其結果如圖3所示。從圖3中可以看出，5個礦渣樣品的最大滲透厚度幾乎相同，但噴涂了HRPU/PVA或HRPU/EVA的礦渣樣品略有減少，可能歸因為高黏度和低流動性。因此，基于HRPU的復合材料能夠滿足滲透性的需求，提供穩定的固化層，防止土壤流失。

表2為噴涂了5種基于HRPU的復合材料的礦渣的水接觸角。由于水滴會滲透并破壞礦渣樣品，因此無法測試礦渣的原始水接觸角。從表2中可以看出，噴涂了HRPU復合材料的其他礦渣樣品的水接觸角大于90°，僅HRPU/BF材料的接觸角例外。經過200s后，水接觸角略有縮小，但仍有95.8°、98.2°、82.7°、88.5°和90.3°。結果說明，在噴涂了基于HRPU的復合材料后，礦渣表面變得疏水，水分滲透依賴于虹吸或毛細作用，而不是材料本身的親水性。因此，HRPU材料噴涂在礦渣上后，可以排除雨水，防止雨水對礦渣的損害。同時其良好的滲透性也能夠讓水分滲透到礦渣內部，為植物提供生長需要的養分。

2.5 礦渣樣品的傅里葉變換紅外（FTIR）和掃描電子顯微鏡（SEM）分析

礦渣樣品在噴涂HRPU/EVA前后的傅里葉變換紅外（FTIR）光譜如圖4所示。

可以觀察到普通礦渣在1020cm-1和460cm-1處存在Si-O-Si峰，3400cm-1和3700cm-1處存在-OH和Al-OH。與之相比，噴涂了HRPU/EVA后，礦渣可以出現新的峰。2960cm-1處的吸收峰的原因是-CH2，2866cm-1處的峰屬于C-H，可觀察到1730cm-1處的C=O峰和1540cm-1處的N-H峰，屬于脲基的羰基。結果表明，HRPU/EVA可以成功地與礦渣結合在一起。

基于上述結果，HRPU/EVA材料綜合性能最佳。此外，通過掃描電子顯微鏡發現普通礦渣樣品呈現碎片狀顆粒，結合性較差，而噴涂了HRPU/EVA復合材料的礦渣顆粒表面覆蓋了一層薄膜，可以將礦渣顆粒粘在一起并鞏固礦渣樣品，表面還有一些不規則的微孔結構，導致水分滲透，為植物提供生長需要的水分。

2.6 性能評價測試

通過水含量損失測試來評估HRPU/EVA材料的保水性能。測試結果如圖5所示，從圖5中可以發現，噴涂了HRPU/EVA材料的礦渣的含水量在整個試驗過程中都比空白樣品高。即使在16h后，噴涂了HRPU/EVA材料的礦渣的水含量仍可達20%以上，而16h后的空白樣品的含水量幾乎為零。這主要是由于表面的固化層將礦渣顆粒連接在一起，因此孔隙度顯著變小導致蒸發速度減緩，水分保持能力得到改善。結果表明，HRPU/EVA材料能夠提高礦渣的保水能力。

3 結論

本研究旨在探討礦區生態修復材料的制備及其力學特性以及這些材料在礦渣樣品中的性能評價。以下是本研究的主要結論。1）通過電感耦合等離子體發射光譜（ICP）和掃描電子顯微鏡（SEM）等分析方法，本文對礦渣的化學組成和微觀形態進行研究，結果表明土壤養分相對稀缺。2）在對不同HRPU材料進行室溫下的拉伸強度測試后，發現噴涂了基于HRPU的復合材料的礦渣樣品的機械性能明顯得到改善，特別是HRPU/EVA材料具有最高的壓縮強度和變形率，表明其能夠提高礦渣樣品的柔韌性和抗壓性。3）HRPU復合材料噴涂在礦渣上后，能夠形成穩定的固化層，提供良好的滲透性，防止土壤流失。在噴涂復合材料后，水接觸角變小，有助于排除雨水并防止損害。4）HRPU/EVA復合材料在礦渣樣品表面形成了一層薄膜，能夠將礦渣顆粒粘在一起并鞏固樣品，同時還有一些不規則的微孔結構，有助于水分滲透。

參考文獻

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