九寨沟马脑壳金矿废弃物在矿区植被恢复中的应用研究

张智超,罗古全,宋 庆,龚德胜,范英儒,钱觉时

(1.重庆大学 材料科学与工程学院,重庆 400045; 2.重庆市源庆矿业开发有限责任公司,重庆 400045;3.重庆市二零五勘测设计有限公司,重庆 400045)

矿山开采会造成矿山及周边区域生态环境的破坏,开采后产生的裸露岩质坡面和大量弃渣堆放场地难以恢复植被,不仅对当地生态环境产生不利影响,还会因遭遇暴雨产生的泥石流等引发安全事故。植被恢复是降低矿山开采引起的生态环境不利影响最为有效的途径之一。相对于其他工程措施,植被恢复具有破坏性小、生态恢复效果好、施工便利和成本低等优点,但是植被恢复面临很多技术挑战。通常情况下,矿山的植被恢复主要采用植被基材与草种混合后以喷射施工方式喷至需要植被恢复的区域。矿山区域植被恢复相比其他区域的植被恢复有以下特点:首先,植被基材要有适合植被生长的强度,即早期强度不能过高,过高的强度会导致植物难以发芽和生长,但也不能过低,过低则植被基材难以固定在岩面及弃渣堆坡面,且难以抵抗雨水侵蚀;其次,要求植被基材的固、液、气三相比例和肥力适宜;最后,还需要具备绿色生态性,不能引入对土体有害的物质,不能使土壤碱化[1]。对于高海拔地区,矿山植被恢复难度更大,因为现场通常缺少植被恢复的土壤条件。

本研究针对地处高海拔区域的九寨沟马脑壳矿山的植被恢复,开展植被基材和植被恢复的应用研究。以九寨沟马脑壳金矿产生的废弃物作为植被基材的土体,开展实验室研究和现场试验,通过对植被基材中胶凝材料的优化及构造设计,克服弃渣高碱性的缺点,达到完全采用现场弃渣作为植被基材土体来源的效果,以期为马脑壳金矿的植被恢复提供有效植被基材,也为其他类似区域的植被恢复提供参考。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 胶凝材料

胶凝材料用于使植被基材具有一定强度和抗侵蚀能力。本研究采用的胶凝材料主要由半水石膏和粉煤灰等火山灰质材料及碱性改性组分组成,加水后能发生水化反应,还能与土体的离子发生反应,生成具有一定胶结作用的二水石膏和钙矾石[2]等矿物。胶凝材料主要化学成分见表1,加水后的pH值为7.4,初凝时间350 s,终凝时间470 s,空气护1 d时抗压强度为4.7 MPa、抗折强度为2.3 MPa,而后水中养护2 d后抗压强度为3.2 MPa、抗折强度为1.7 MPa。相比于其他体系,本研究采用的胶凝材料pH值在中性范围,二水石膏本身也可以作为土壤改良组分,调整土壤的钠钙元素比例,有利于植物生长。

表1 胶凝材料主要化学成分质量分数

1.1.2 废弃物中的细颗粒

通过筛分马脑壳金矿开采和选矿产生的废弃物,得到细颗粒。从表2废弃物中细颗粒粒径分布测试结果可以看出,虽然是废弃物中的细颗粒,但仍比通常的土壤颗粒要粗很多。从表3可以看出,废弃物中细颗粒主要由硅质、铝质、钙质、铁质氧化物组成,相较于一般土壤,其钙质氧化物含量较高,归类为碱质土壤或石灰性土壤。通过XRD图谱分析可知,废弃物主要矿物组成为石英、伊利石和少量珍珠岩。细颗粒的pH值为8.47,由于选矿环节引入的碱组分而呈弱碱性[3],塑性指数为17.8,塑限为18.6%,而液限为30.6%,按照《土的工程分类标准》(GB/T 50145—2007)为黏土质砂的低液限黏土。

表2 马脑壳金矿废弃物中细颗粒粒径分布

表3 马脑壳金矿废弃物中颗粒主要化学成分质量分数

综合来看,马脑壳金矿废弃物的细颗粒部分含有作为植物生长土体的主要矿物,但属于低液限黏土,作为植被恢复的基材时水稳定性差,需要有胶凝组分提升稳定性与强度,其较高碱性也需要有改性措施。

1.1.3 废弃物中的粗颗粒

现场废弃物筛分结果显示,细颗粒所占比例只有25%左右,因此采用现场粗颗粒破碎后过5 mm筛与细颗粒一并作为植被基材的土体。现场粗颗粒主要为矿山开采产生的弃石,由XRD图谱分析可知其主要矿物组成为石英、方解石、白云母,主要化学成分见表3。可以发现,不同粗颗粒的化学成分差异较大,大部分粗颗粒的氧化钙含量较高。

1.2 试验方法

1)力学性能参照《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》(GB/T 17671—2021)进行测定。

2)凝结时间参考《建筑石膏 净浆物理性能的测定》(GB/T 17669.4—1999)进行测定。

3)流动性参照《混凝土外加剂匀质性试验方法》(GB/T 8077—2012)中的水泥净浆流动度测试方法。

4)耐水性采用耐水指数I[4]表征,计算公式为

I=tk/M0

(1)

式中:tk为试件浸水后开始溃散时间;M0为试件浸水后的质量变化率。

记录初始试件质量,将试件完全浸入20 ℃的水中,记录开始时间,观察开始溃散时间并记录,同时取出试件并记录质量变化率,对于未溃散的试块记录其吸水饱和率。

5)干湿循环试验是先将试件放入40 ℃烘箱中烘干23 h,然后将其放入水中完全浸泡1 h(模拟夏季暴雨下植被材料完全浸湿),再将试件从水中取出放入40 ℃烘箱中干燥23 h,待其自然冷却后,视为完成一次干湿循环。记录每一次干湿循环烘干后的试件质量,计算相对未干湿循环试件的质量损失率,直到质量损失率大于5%时停止试验。

6)pH值测定按照固液萃取法进行。将样品磨成粉末过200目筛,取10 g加入100 g去离子水配成悬浮液,每15 min搅拌1次,2 h后过滤,用pH计测定其pH值。

7)X射线衍射测试。将样品烘干粉磨,过200目筛,采用X射线衍射仪进行衍射测试,狭缝为1 mm,扫描步长为0.02°,扫描时间为10 min。

2 试验结果

2.1 植被基材性能

植被基材需要一定的强度、抗冲蚀性和耐干湿循环性能,这都与胶凝材料的用量有很大关系,而提高胶凝材料用量将增加生态护坡的成本,也会影响植物的生长,因此需要综合考虑多方面因素选取合适的胶凝材料用量。

2.1.1 试件成型

考虑到现场弃渣的液塑限及实际施工需要,采用固定水固比为0.35,胶凝材料用量在20%～45%范围内变化,矿区废弃物的用量在55%～80%范围内变化。将所有材料干搅1 min,加水后慢搅再快搅各1 min,随后将拌合物倒入模具中振动成型,试件尺寸为40 mm×40 mm×40 mm。拆模后将试件放于温度(20±1)℃、相对湿度60%的室内进行养护。

2.1.2 强度

图1是植被基材的抗压强度随胶凝材料用量的变化情况。可以看出,随着胶凝材料用量的增加,植被基材的强度在不断提高,同时各掺量下28 d强度相较于7 d均有所提高,表明植被基材强度后期也在缓慢提高。植被基材强度越高,固结土体能力越强,抵抗雨水侵蚀能力越强,但是强度过高会影响种子发芽和植物生长[5],因此植被基材具有适宜强度就能满足要求。考虑到九寨沟马脑壳金矿现场条件,选定植被基材中胶凝材料用量在20%～30%。

图1 胶凝材料用量对植被基材强度的影响

2.1.3 工作性

植被基材多采取喷射施工的方式,不仅需要一定的流动性以保证施工,还需要合适的凝结时间,否则凝结时间太长会出现植被基材流失现象,凝结时间太短采用湿法喷播时不能保证必要的操作时间。胶凝材料用量与植被基材工作性关系试验结果见图2。可以看出,随胶凝材料用量增加,植被基材的凝结硬化时间缩短,流动度也在降低。从图2结果和现场施工需求来看,选定胶凝材料用量应低于35%。

图2 胶凝材料用量对植被基材工作性的影响

2.1.4 耐水性

目前对植被基材及生土材料的耐水性表征没有统一方法,实际应用中,除土体强度或硬度外,更应注重的是浸水后不溃散的时间及吸水后质量的变化率[6]。本研究采用耐水指数I来表征植被基材的耐水性能,当浸水后开始溃散时间大于24 h通常就不发生溃散。表4是胶凝材料用量与植被基材耐水性关系测试结果,可知植被基材的耐水性随龄期增长而提高,也随胶凝材料用量增加而提高。图3显示不同胶凝材料用量和龄期下植被基材试块泡水后的状态,与表4规律性相同。由于植被基材有大量开口孔隙,泡水时水分进入植被基材中会排挤出孔隙中的空气,形成连续的有一定上升速度的气泡,气泡在上升过程中会对植被基材产生较大的冲击作用[7],因此当植被基材龄期短或胶凝材料用量少时容易发生溃散。

图3 不同胶凝材料用量和龄期下植被基材试块泡水溃散试验时的外观状况

表4 胶凝材料用量对植被基材耐水指数的影响

2.1.5 耐干湿循环性

植被基材在实际应用中必然会经历多次的浸水和干燥过程,经干湿循环后会积累不可恢复的塑性变形[8-9],因此植被基材耐干湿循环次数越多,循环后同等受损程度下试件保持的强度越高,表明植被基材的实际服役效果越好。不同胶凝材料用量的植被基材耐干湿循环次数见图4。在同等受损程度下,随着胶凝材料掺量和龄期的增加,植被基材干湿循环次数增加。在30%胶凝材料掺量下,3 d就能够抵抗完全浸水(暴雨)后的连续干湿循环。这可能是在碱性土壤环境下,植被基材中的胶凝材料与矿区废弃物中的金属离子能保持长期的反应,有利于改善植被基材后期的耐水性和耐干湿循环性能。

图4 胶凝材料用量对植被基材耐干湿循环性能的影响

2.1.6 植物生长试验

植被基材的发芽试验和植物生长情况见图5。采用80%矿区废弃物制备植被基材并撒入高羊茅草种,观察发现草种在一周左右发芽。发芽后1 d最高高度3 cm,平均高度1～2 cm;发芽后3 d有60%～70%发芽率,最高高度5 cm,平均高度3～4 cm;发芽后7 d平均高度11～13 cm,并存在折断现象。这说明植被基材中矿区废弃物用量低于80%时对种子发芽和生长情况没有明显影响,适合作为植被恢复的主要材料使用。

图5 80%废弃物的植被基材高羊茅草种发芽后1 d、3 d和7 d生长情况

2.2 现场试验

2.2.1 试验区概况

九寨沟马脑壳金矿矿区海拔2 700～3 725 m,相对高差超过1 000 m;四季温差大,年均气温9～18 ℃,属高原湿润气候,气候垂直变化大;冰冻期长,冬季9月至次年5月为霜期,在9月出现降雪,10月中下旬开始冻土,至次年3月底开始解冻;年降水量500～700 mm,雨季集中在7—9月。试验区选在马脑壳矿区东北侧和西北侧区域,共约2 000 m2,坡面为弃渣和废渣自然堆积而成,坡度大于60°。

现场试验区域被划分为3个区域,各区域植被基材配比见表5。

表5 试验区域植被基材构造及试验配比

2.2.2 草种选择

针对适用于高海拔矿区生态修复的植物种类进行调查、筛选并进行种植研究,确定选择耐旱耐寒、抗逆性强、根系发达、越年生、可粗放管理且能产生适量种子的植物,其中A-1区域选择紫花苜蓿单个草种播种,A-2、A-3区域选择紫花苜蓿、披碱草、老芒麦、金鸡菊等多个草种混合播种,喷播量约为25 g/m2。

2.2.3 植被基材构造设计

植被基材采用底层和面层双层结构。底层主要起保水稳固作用,避免较多水分渗透进疏松的废弃物堆积体中,要求胶凝材料含量更高;面层含有植物种子,胶凝材料用量较低,应具有抵抗雨水冲刷的强度,同时兼顾植物发芽生长所需求的孔隙、密度等[10]。

2.2.4 植被基材pH值变化

矿区废弃物pH值为8.47,呈弱碱性,不利于种子发芽和植物生长,加入胶凝材料后pH值会有一定程度的降低。表6为现场取样的植被基材pH值随时间变化的情况。结果表明,胶凝材料加入有利于降低植被基材的pH值,而且随时间增加pH值会逐渐降低,28 d时pH值降为7.92。这可能是胶凝材料与废弃物发生了缓慢化学反应,从而使植被基材pH值降低,接近有利于植物生长的中性环境。

表6 植被基材pH值随时间的变化

2.2.5 植被恢复整体效果

自施工完成后,试验区域遭遇了1次大雪和1次冰雹,出现多次暴雨天气。小雨和中雨冲蚀对植被基材坡面基本没有影响,且有利于补充植被基材水分,暴雨冲蚀对植被基材表面有一定的影响,但没有影响植物发芽和生长。同时相较于A-1、A-2区域,A-3区域整体植被恢复效果最好,草种发育正常,发芽快,植物分布均匀,覆盖率高。综合考量,采用A-3区域植被基材配比及多草种组合混种的形式更有利于植被恢复。

3 结论

1)以矿区废弃物作为植被基材主要成分时,需要采用具有较高胶结性能的胶凝材料。胶凝材料与矿区废弃物能发生反应,随着胶凝材料用量增加,不但植被基材耐水性显著提升,而且植被基材pH值逐渐趋于中性。胶凝材料适宜用量为20%～30%。

2)以矿区废弃物作为植被基材的主体组分,用量达到80%时仍具有一定的抵抗雨水侵蚀能力,表现出比较好的耐水性。同时考虑抵抗雨水冲蚀和植物发芽生长的需要时,矿区废弃物在植被基材中用量宜为70%～80%。

3)现场试验表明,采用喷射施工,以矿区废弃物为主体的植被基材能用于渣场堆积坡面的植被恢复,植被基材能抵抗多次暴雨的冲蚀,植物种子发芽生长情况良好,可达到预期的植被恢复效果。