植被生態(tài)混凝土技術(shù)進(jìn)展及其在礦山固廢處置中的應(yīng)用探索*

胡俊濤，張細(xì)香，曾 斌，馮劼東

(湖北省地質(zhì)局第五地質(zhì)大隊，湖北 黃石 435004)

0 引言

隨著我國城市化的高速發(fā)展，水泥混凝土已經(jīng)成為使用最廣泛的建筑材料，年使用量約70億t[1]。水泥混凝土的大量生產(chǎn)不僅對資源造成了極大消耗，其使用過程中還對環(huán)境造成了不利影響。一方面，傳統(tǒng)混凝土的透氣性和透水性較差，缺乏濕度和溫度調(diào)節(jié)能力，不僅阻礙地表植物的生長，還容易導(dǎo)致城市產(chǎn)生熱島效應(yīng)；另一方面，混凝土廢棄物無法得到妥善處置，形成大量固體垃圾。如何緩解傳統(tǒng)水泥混凝土在生產(chǎn)及使用過程中對環(huán)境造成的壓力已成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。

植被生態(tài)混凝土是一種特殊的混凝土，與傳統(tǒng)混凝土最大的區(qū)別在于其利用種植土代替一定比例的粗骨料，并向其中添加有機(jī)質(zhì)，使其不僅具有傳統(tǒng)混凝土的結(jié)構(gòu)力學(xué)特征，還能滿足植物生長的需要。植被生態(tài)混凝土的使用能減輕環(huán)境負(fù)荷，協(xié)調(diào)社會發(fā)展與環(huán)境保護(hù)之間的沖突，固體建筑廢棄物還能作為植被生態(tài)混凝土的原材料被回收利用。植被生態(tài)混凝土因其優(yōu)異的生態(tài)環(huán)境效應(yīng)受到了國際材料和環(huán)境領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注，在美國、日本和西歐等地得到了廣泛應(yīng)用[2]。

國內(nèi)學(xué)者也開展了大量關(guān)于植被生態(tài)混凝土的研究，如骨料粒徑、孔隙結(jié)構(gòu)和環(huán)境溫度對植被生態(tài)混凝土性能的影響[3-5]、植被生態(tài)混凝土的制備工藝以及在實際工程中的應(yīng)用等[6]。隨著相關(guān)研究的深入，植被生態(tài)混凝土已經(jīng)在不同工程場景的邊坡修復(fù)中得到了應(yīng)用，如采石場、河岸、堤壩和礦山等。近年來，植被混凝土技術(shù)在礦山生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用逐漸引起了相關(guān)學(xué)者的關(guān)注。一方面，礦山開采往往會導(dǎo)致表土流失，甚至形成大量裸露巖質(zhì)邊坡，尤其是在露天采礦區(qū)，裸巖和邊坡的修復(fù)已經(jīng)成為礦山生態(tài)修復(fù)的重中之重；另一方面，礦山開采形成的大量尾礦和廢石可以為植被混凝土提供原材料，在解決礦山固廢的同時還能帶來經(jīng)濟(jì)效益，實現(xiàn)“變廢為寶”。植被生態(tài)混凝土的應(yīng)用是未來礦山生態(tài)修復(fù)的重要方向之一。本文總結(jié)了植被生態(tài)混凝土的制作工藝及性能評估、研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，并對其在礦山固廢處置中的應(yīng)用進(jìn)行了探索。

1 制作工藝及性能評估

1.1 原料選取

植被生態(tài)混凝土包含凝結(jié)劑、骨料、有機(jī)質(zhì)、土壤等多種成分，這些材料的性質(zhì)及配比差異將會影響混凝土的透水、吸水和強(qiáng)度等性能。國內(nèi)外學(xué)者針對植被生態(tài)混凝土材料的選取展開了大量研究。PALANKAR等[7]開展了廢鋼渣替代傳統(tǒng)骨料的試驗研究，結(jié)果表明，廢鋼渣不僅可以使廢棄資源得到再利用，還可以提高混凝土的強(qiáng)度。MIZURIAEV等[8]對多孔混凝土的成分進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，堿金屬硅酸鹽和非膨脹黏土取代普通硅酸鹽能使混凝土的性能更優(yōu)。鐘文樂等[9]向植被生態(tài)混凝土中加入粉煤灰、礦粉和硅灰等材料，使其性能得到了改善，其抗壓強(qiáng)度達(dá)到10 MPa，孔隙率可控制在24%～30%，混凝土pH可降至9。馬朋坤等[10-11]用鐵尾礦代替植被生態(tài)混凝土中的土壤，發(fā)現(xiàn)鐵尾礦作為基礎(chǔ)材料不僅可以節(jié)約制備成本，還實現(xiàn)了尾礦資源的回收利用。替代材料的選取是目前的一個研究方向，此外還有一些學(xué)者研究了替代比例對植被生態(tài)混凝土性能的影響。呂京錄等[12]通過研究發(fā)現(xiàn)，混凝土的骨料替代比例在25%～30%時強(qiáng)度最大。

現(xiàn)有研究表明[13]，大部分工業(yè)固體廢棄物，如建筑廢物中的混凝土、磚瓦和砂石，礦業(yè)活動產(chǎn)生的采礦廢石、尾礦等，都能被用于制作植被生態(tài)混凝土，這些材料的加入可以改善其理化性能、植生性等，是其原料選取的主流方向。

1.2 配合比設(shè)計

配合比設(shè)計是混凝土制作的前提。植被生態(tài)混凝土采用特殊的無砂多孔結(jié)構(gòu)，配合比設(shè)計不能簡單地采用鮑羅米公式。植被生態(tài)混凝土配合比計算主要有質(zhì)量法、體積法和比表面積法等3種方法。其中，體積法獲得的孔隙率更接近設(shè)計值。主要計算步驟見表1。

表1 體積法計算植被生態(tài)混凝土配合比步驟

大量研究表明[14-16]，漿體流動度的最佳控制范圍是150～210 mm，即只要將植被生態(tài)混凝土的水膠比控制在0.20～0.37，則漿液易攪拌成型，泥漿不流動，底部孔隙不堵塞，混凝土的透水性和強(qiáng)度往往能達(dá)到較好的狀態(tài)。

有研究人員發(fā)現(xiàn)，除水膠比以外，粗骨料粒徑和目標(biāo)孔隙率的選擇也會對植被生態(tài)混凝土的性能造成一定影響。張翔宇等[17]的研究表明，隨著目標(biāo)孔隙率的增大，植被生態(tài)混凝土的強(qiáng)度降低，實測孔隙率與目標(biāo)孔隙率的偏離度增加，pH有所降低；隨著水膠比的增大，實測孔隙率增大，植被生態(tài)混凝土強(qiáng)度持續(xù)降低，pH略有降低。綜合考慮抗壓強(qiáng)度和透水性系數(shù)，陳月萍等[3]發(fā)現(xiàn)選擇粒徑為15～20 mm的粗骨料較為合適，徐榮進(jìn)等[18-19]的研究也證實了此觀點。

1.3 攪拌工藝

植被生態(tài)混凝土的配合比與普通混凝土相比有較大差異，由于漿體用量少，粗骨料用量多，造成了其流動性與普通混凝土相比有很大程度的減弱，漿體與粗骨料以及粗骨料之間的摩擦加劇，攪拌十分困難，因此需采用特殊的攪拌工藝。攪拌過程會對植被生態(tài)混凝土的性能造成直接影響。日本對于攪拌工藝的研究成果較多，大多是在玉井元治等[20]提出的攪拌工藝(見圖1)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。

圖1 攪拌工藝流程圖

國內(nèi)學(xué)者也對植被生態(tài)混凝土的攪拌工藝進(jìn)行了研究。蔣正武等[21]對一次給料法和水泥裹石法進(jìn)行了對比試驗，發(fā)現(xiàn)兩種方法制得的混凝土透水性能比較接近，但水泥裹石法在抗壓強(qiáng)度方面具有明顯優(yōu)勢。吳磊[22]設(shè)計了詳細(xì)的對比試驗，探討了一次拌合法、兩次拌合法和水泥裹石法的性能差異，結(jié)果表明，水泥裹石法在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和透水性能方面均優(yōu)于一次拌合法和兩次拌合法，工藝對比見表2。

表2 植被生態(tài)混凝土攪拌工藝對比

1.4 性能指標(biāo)與檢測

植被生態(tài)混凝土的最大特點是能為植物生長提供條件，因此透水性能和孔隙的堿環(huán)境是衡量其性能的重要指標(biāo)。此外，植被生態(tài)混凝土大部分應(yīng)用場景具有一定坡度，因此需要其具有一定的強(qiáng)度和耐侵蝕性。

1.4.1 孔隙率與透水性

有效孔隙率P是指有效孔隙體積占混合料總體積的百分比，按式(1)計算。通常所說的孔隙率是指有效孔隙率，其大小直接決定了混凝土的透水性，計算方法見式(2)。

(1)

式中：W2表示試件在水中浸泡24 h后的質(zhì)量，g；W1表示將試件從水中取出，擦干表面多余的水并烘干內(nèi)部吸入的水，待質(zhì)量恒定后測得的其在空氣中的質(zhì)量，g；ρW表示水的密度，1 g/cm3；V0表示試件的外觀體積，cm3。

(2)

式中：KT表示溫度為T時的透水系數(shù)，cm/s；H和h分別表示水源和混凝土試件的高度，cm；Q表示從t1到t2時間內(nèi)透過混凝土的水量，cm3；A表示混凝土試件的橫截面積，cm2；ηT/η15表示水在測試溫度T和15 ℃時的相對黏度。

汪健等[23]通過實驗探究了多因素對孔隙率的影響，發(fā)現(xiàn)水膠比越大，孔隙率越小。日本學(xué)者認(rèn)為，對以植生為主的護(hù)岸，孔隙率在21%～30%；對于受流水沖刷嚴(yán)重的植生型護(hù)岸，孔隙率在18%～21%。高建明等[24]認(rèn)為連續(xù)孔隙率低于20%時，植物難以生存。透水性根據(jù)混凝土基質(zhì)的顆粒組成而不同，一般來說，透水系數(shù)需要保證在0.1 cm/s以上。

1.4.2 孔隙堿環(huán)境

衡量植物生態(tài)混凝土性能的主要依據(jù)是植物能否生長良好，其中孔隙中的堿環(huán)境起著決定性的作用。任何植物生長都有一個合適的pH范圍，而混凝土的水化產(chǎn)物都是堿性物質(zhì)，不利于植物生長，所以混凝土孔隙堿環(huán)境試驗非常重要?？紫秲?nèi)堿度主要受混凝土基礎(chǔ)材料的影響，需要根據(jù)植物生長的特性對基礎(chǔ)材料進(jìn)行調(diào)整。

1.4.3 力學(xué)性能與耐久性

衡量植被生態(tài)混凝土力學(xué)性能的指標(biāo)主要有抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等，其受多種因素影響。魏林春等[25]對不同配比植被生態(tài)混凝土在雙向等壓條件下的力學(xué)性能進(jìn)行了探究，給出了雙向壓縮下植被生態(tài)混凝土的強(qiáng)度包絡(luò)圖。何若楠等[26]對新型大孔隙生態(tài)混凝土力學(xué)性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)集料粒徑越小，試件強(qiáng)度越高，且多級配比單一級配的強(qiáng)度高；膠凝材料的掛漿量和流動性與抗壓強(qiáng)度有關(guān)，當(dāng)流動度在110～120 mm時掛漿量較大，且試件的抗壓強(qiáng)度隨掛漿量的增大而增大。鐘文樂等[9]通過試驗證明了相同骨料級配情況下，無砂多孔混凝土抗壓、抗折強(qiáng)度隨骨膠比的增大而降低；相同骨膠比下的單粒徑骨料混凝土，其抗壓、抗折強(qiáng)度隨骨料粒徑的增大而降低。目前我國還未對植被生態(tài)混凝土強(qiáng)度作出統(tǒng)一規(guī)定，根據(jù)應(yīng)用場景的不同，所制作的植被生態(tài)混凝土強(qiáng)度也存在差異。

植被生態(tài)混凝土廣泛應(yīng)用于河岸和各種邊坡。凍融循環(huán)破壞對混凝土耐久性非常不利，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，其多孔結(jié)構(gòu)特征也可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在反復(fù)外力作用下失穩(wěn)。童標(biāo)等[27]開展了凍融循環(huán)試驗，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)條件下，植被生態(tài)混凝土的養(yǎng)分固持能力迅速下降?；菅蟮萚28]在不同濃度硫酸鹽干濕循環(huán)條件下進(jìn)行了侵蝕試驗，發(fā)現(xiàn)透水型生態(tài)混凝土的抗壓強(qiáng)度、耐蝕系數(shù)、質(zhì)量變化率均呈先上升后下降的趨勢，硫酸鹽濃度越高，侵蝕破壞的周期越短。植被生態(tài)混凝土的耐久性受自然環(huán)境和材料組成的影響，需要根據(jù)實際應(yīng)用場景調(diào)整選材及配合比。

2 植被生態(tài)混凝土研究進(jìn)展

2.1 生態(tài)混凝土的概念

生態(tài)混凝土的概念于1995年提出，其具有良好的透水、透氣等性能，能適應(yīng)植物生長，可以調(diào)節(jié)生態(tài)平衡和美化環(huán)境[29]。該技術(shù)一經(jīng)提出就在住宅、道路、河流等場景進(jìn)行了大量工程實驗，至2001年已經(jīng)在堤壩、河岸和邊坡治理工程中得到了推廣。國內(nèi)較早提出相關(guān)概念的是吳中偉等[30-31]，其將植被生態(tài)混凝土定義為：可以適應(yīng)植物生存，具有保護(hù)環(huán)境、維持原有防護(hù)功能、改善生態(tài)條件的混凝土及其制品。

2.2 研究進(jìn)展

植被生態(tài)混凝土具有修復(fù)生態(tài)、調(diào)節(jié)地表徑流、凈化水質(zhì)和調(diào)節(jié)環(huán)境溫度等功能，符合綠色可持續(xù)發(fā)展理念，具有廣闊的應(yīng)用前景。在萬方數(shù)據(jù)庫中分別以“生態(tài)混凝土”和“植被混凝土”為主題進(jìn)行檢索，結(jié)果見圖2。通過文獻(xiàn)分析發(fā)現(xiàn)，近年來我國學(xué)者對植被生態(tài)混凝土的研究成果快速增加。

(a)生態(tài)混凝土

從圖2可以看出，我國關(guān)于植被生態(tài)混凝土的研究起步于21世紀(jì)初，并在近20年來保持穩(wěn)定的增長速度。通過提取出現(xiàn)頻率超過1%的關(guān)鍵詞可以看出，生態(tài)混凝土目前的研究主要集中在混凝土的力學(xué)性能(如強(qiáng)度、透水性等)、制作工藝和材料的選取等方面(見表3)，植被混凝土主要集中在生態(tài)修復(fù)方面(見表4)。

表3 “生態(tài)混凝土”文獻(xiàn)關(guān)鍵詞信息統(tǒng)計

表4 “植被混凝土”文獻(xiàn)關(guān)鍵詞信息統(tǒng)計

隨著研究的不斷深入，相關(guān)學(xué)者對植被生態(tài)混凝土的制作工藝進(jìn)行了完善和調(diào)整，最終形成了具有不同構(gòu)造特征的植被生態(tài)混凝土，如：馬興華[32]針對河岸修復(fù)研制了一種能有效抵御沖刷的孔洞型生態(tài)混凝土；李化建等[33]在傳統(tǒng)的植被生態(tài)混凝土基礎(chǔ)上提出了自適應(yīng)植被混凝土的理念。目前，植被生態(tài)混凝土的種類已經(jīng)十分豐富，具有不同的分類體系：吳義鋒等[34]按照制作方式的差異將其分為現(xiàn)澆型與預(yù)制型；馮輝榮等[35]根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同對其進(jìn)行了比較細(xì)致的劃分，結(jié)果見圖3。

圖3 植被生態(tài)混凝土分類

2.3 工程應(yīng)用

植被生態(tài)混凝土具有較高的強(qiáng)度，能同時和植物相容，耐久性、耐侵蝕性較好，不僅具有傳統(tǒng)混凝土的一些特點，而且其顯著的生態(tài)友好性是傳統(tǒng)混凝土無法比擬的。近年來，植被生態(tài)混凝土已被用于道路斜坡、河湖壩、礦山、垃圾填埋場等生態(tài)修復(fù)工程，在美化環(huán)境、鞏固土壤和節(jié)水等方面發(fā)揮了較大作用[36-38]。其中，邊坡修復(fù)是最主要的應(yīng)用場景。雖然植被生態(tài)混凝土具有良好的修復(fù)效果，但其應(yīng)用成本相對于傳統(tǒng)方法較高，限制了其進(jìn)一步推廣。

3 植被生態(tài)混凝土在礦山固廢處置中的應(yīng)用探索

3.1 我國礦山固廢處置現(xiàn)狀

多元化和規(guī)?；牡V產(chǎn)資源是我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長，礦產(chǎn)品的需求不斷增加，已經(jīng)形成了較為發(fā)達(dá)的礦業(yè)體系。中國地質(zhì)調(diào)查局2016年公布的《全國礦山地質(zhì)環(huán)境調(diào)查報告》顯示，我國目前有礦山11萬余座，占地面積約1 040 萬hm2，采礦損毀土地逾300萬hm2，礦山固體廢物存量超過480億t，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境遭到了嚴(yán)重破壞。

尾礦是礦產(chǎn)資源生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品，是礦山最主要的固體廢棄物之一。目前尾礦的主要用途是制備充填材料和建筑材料[39]。然而，受技術(shù)限制，尾礦整體利用率不高，近78%的尾礦堆積在地表，導(dǎo)致了大面積的土地資源浪費和環(huán)境污染，甚至造成潛在的安全隱患[40]。為推動礦山經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，截至2020年底，中央財政分兩批共下達(dá)資金20億元支持12個省(區(qū))開展黃河流域、青藏高原歷史遺留礦山生態(tài)修復(fù)治理。國土部門統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，治理666.7 m2礦山需要投入1.0萬～1.2萬元，資金是制約我國生態(tài)修復(fù)治理的關(guān)鍵問題。將礦山生態(tài)修復(fù)與地區(qū)相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展結(jié)合起來，是礦山實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的突破口。

3.2 鐵礦廢石與尾礦在植被生態(tài)混凝土中的應(yīng)用

鐵礦是金屬礦的主要類型之一，然而隨著優(yōu)質(zhì)礦石儲量的減少，尾礦和廢石的產(chǎn)量急劇增加。鋼鐵是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要原材料，作為鋼鐵工業(yè)的基礎(chǔ)，鐵礦石的需求量近年來一直在上升。截至2013年，我國金屬礦山已產(chǎn)生16.49億t尾礦和49.47億t廢石，其中鐵尾礦超過8.39億t，鐵礦廢石超過40億t。目前，尾礦綜合利用率為14%，鐵尾礦利用率僅為7%左右，與發(fā)達(dá)國家的綜合利用率(60%)相比存在巨大差距[41]。

鐵礦廢石主要是花崗質(zhì)條帶狀混合巖、混合花崗巖、輝長巖、麻巖和部分細(xì)粒閃長巖、大理巖等。這些廢石與天然砂的礦物成分十分相似，大都具有力學(xué)性能穩(wěn)定、強(qiáng)度高的特點。國內(nèi)外的研究表明，將粗粒鐵尾礦和鐵礦廢石加入植被生態(tài)混凝土中能改善混凝土的孔隙度和強(qiáng)度。鐵尾礦和廢石的理化性能與植被生態(tài)混凝土的選材條件具有較好的契合性，巨量的鐵尾礦和廢石為植被生態(tài)混凝土的制備提供了原料保障。

4 結(jié)語

本文主要總結(jié)了國內(nèi)植被生態(tài)混凝土的研究進(jìn)展，探討了植被生態(tài)混凝土的來源、分類、原材料與制作工藝、性能評估、應(yīng)用前景等。結(jié)合鐵礦廢石和尾礦的利用現(xiàn)狀，探討了將采礦廢石和尾礦應(yīng)用于植被生態(tài)混凝土的可能性。從植被生態(tài)混凝土的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用前景來看，其已成為礦山生態(tài)修復(fù)重要的發(fā)展方向之一。一方面，植被生態(tài)混凝土技術(shù)為礦山邊坡修復(fù)提供了有效的方法；另一方面，植被生態(tài)混凝土技術(shù)是溝通礦山生態(tài)修復(fù)與固體廢棄物資源化利用的橋梁，共同推動了礦山的綠色可持續(xù)發(fā)展。