礦區(qū)生態(tài)修復(fù)材料制備及力學(xué)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(fù)合材料在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用。通過化學(xué)分析和性能測試，發(fā)現(xiàn)HRPU材料在提高機(jī)械性能、滲透性和疏水性方面具有潛力。其中，噴涂了HRPU/EVA復(fù)合材料的礦渣性能最佳，通過SEM觀察，發(fā)現(xiàn)礦渣表面微孔結(jié)構(gòu)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(tài)修復(fù)提供了潛在的解決方案。這項研究對西藏某礦區(qū)的生態(tài)修復(fù)具有重要意義。

關(guān)鍵詞：HRPU；復(fù)合材料；生態(tài)修復(fù)

中圖分類號：X 171" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

生態(tài)環(huán)境保護(hù)和礦區(qū)生態(tài)修復(fù)已成為當(dāng)今社會面臨的重要問題之一[1]。礦區(qū)的開采活動不僅會破壞自然生態(tài)系統(tǒng)，還可能對當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)和生態(tài)環(huán)境造成長期不可逆轉(zhuǎn)的損害。因此，開發(fā)和應(yīng)用高效的生態(tài)修復(fù)材料對恢復(fù)和保護(hù)礦區(qū)的生態(tài)平衡至關(guān)重要[2]。

西藏某礦區(qū)是典型的高原高寒地區(qū)，該區(qū)域風(fēng)沙大、氣候干旱，生態(tài)系統(tǒng)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(tài)系統(tǒng)連通性和整體性，使生態(tài)系統(tǒng)功能受損，生態(tài)環(huán)境遭到破壞，礦物開采后留下的礦渣化學(xué)成分復(fù)雜、機(jī)械性能差、易受侵蝕。在該礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中，需要改善礦渣的機(jī)械性能、滲透性和疏水性，以增強(qiáng)其固沙能力，抵御水侵蝕[3]。本文通過制備不同種類的HRPU復(fù)合材料探索了這些材料在礦渣性能改進(jìn)上的應(yīng)用潛力，包括對礦渣樣品的化學(xué)成分分析以及一系列性能評價測試[4]。通過拉伸強(qiáng)度測試、親水性能測試、壓縮強(qiáng)度和變形率測試、滲透性測試以及水接觸角測量等試驗(yàn)，深入研究了這些材料的性能特點(diǎn)[5]。

綜上所述，本研究為西藏某礦區(qū)生態(tài)修復(fù)提供了一種潛在的化學(xué)固化材料，為改善礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境、保護(hù)生態(tài)系統(tǒng)和促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展提供了新的途徑。本研究對解決礦區(qū)生態(tài)問題具有重要的理論和實(shí)際意義，為未來的生態(tài)修復(fù)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(qū)，通過電感耦合等離子體發(fā)射光譜（ICP）分析礦渣的化學(xué)組成。用掃描電子顯微鏡（SEM）圖像觀察礦渣樣品的微觀形態(tài)，同時使用SEM設(shè)備的能譜儀（EDS）對其進(jìn)行能譜分析，進(jìn)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(yù)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(yù)聚物中，在60°C下攪拌2h。相應(yīng)的產(chǎn)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(yù)聚物與蒸餾水混合，形成一個固化層。

1.3 表征狀態(tài)

使用拉伸試驗(yàn)機(jī)對5種HRPU材料進(jìn)行室溫下的拉伸強(qiáng)度測試，將測試速度控制為50mm/min。根據(jù)《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應(yīng)力應(yīng)變性能的測定》（GB/T 528—2009）標(biāo)準(zhǔn)，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(yàn)測試HRPU 的親水反應(yīng)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(nèi)呈現(xiàn)固化反應(yīng)。按照《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50081—2002）標(biāo)準(zhǔn)，利用液壓萬能試驗(yàn)機(jī)對噴涂了不同 HRPU 材料的礦渣樣品進(jìn)行壓縮強(qiáng)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(yàn)機(jī)上讀取變形率。壓縮強(qiáng)度取3個試樣的平均值，采用公式（1）進(jìn)行計算。

（1）

式中：f∞為礦渣樣品的壓縮強(qiáng)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(fā)芽率的重要指標(biāo)之一，變形指數(shù)可以通過在硬度測試儀上直接讀取數(shù)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(tài)用掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)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(qū)的固沙性能的重要評價指標(biāo)。以下試驗(yàn)旨在檢驗(yàn)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(zhì)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(jìn)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(jié)果與分析

2.1 化學(xué)成分與礦渣

表1為礦渣樣品的ICP結(jié)果，結(jié)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(wěn)定的活性金屬氧化物也占據(jù)了一定比例，其中一些可能是化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物，這是礦渣容易受侵蝕的重要原因，同時有機(jī)組分小于5%，表明土壤養(yǎng)分稀缺。

2.2 HRPU的親水活性性質(zhì)

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(qiáng)，并未觀察到完整的凝膠形成，尚未發(fā)生固化反應(yīng)，因此，固化試驗(yàn)起始濃度為3%。濃度對水溶液凝結(jié)時間的影響試驗(yàn)結(jié)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?yōu)閹酌?。?dāng)HRPU濃度高于20%時，HRPU/水混合物的固化反應(yīng)在幾秒內(nèi)發(fā)生。通過固化過程，HRPU/水混合物從分散狀態(tài)變?yōu)楣袒w，呈現(xiàn)為優(yōu)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(fù)合材料的礦渣樣品的壓縮強(qiáng)度和變形率如圖2所示。結(jié)果顯示，與HRPU材料相比，噴涂了基于HRPU的復(fù)合材料的礦渣樣品的機(jī)械性能得到了改善。因?yàn)镋VA材料具有優(yōu)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(qiáng)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(fù)合材料的樣品的變形指數(shù)略高于未噴涂復(fù)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(shù)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(shù)突然增加。PVA和EVA具有良好的黏結(jié)效果，能夠?qū)⒌V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(xué)固化材料的重要指標(biāo)，其結(jié)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?yàn)楦唣ざ群偷土鲃有浴Ｒ虼?，基于HRPU的復(fù)合材料能夠滿足滲透性的需求，提供穩(wěn)定的固化層，防止土壤流失。

表2為噴涂了5種基于HRPU的復(fù)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(fù)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(jīng)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(jié)果說明，在噴涂了基于HRPU的復(fù)合材料后，礦渣表面變得疏水，水分滲透依賴于虹吸或毛細(xì)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(nèi)部，為植物提供生長需要的養(yǎng)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(xiàn)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(jié)果表明，HRPU/EVA可以成功地與礦渣結(jié)合在一起。

基于上述結(jié)果，HRPU/EVA材料綜合性能最佳。此外，通過掃描電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)普通礦渣樣品呈現(xiàn)碎片狀顆粒，結(jié)合性較差，而噴涂了HRPU/EVA復(fù)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(guī)則的微孔結(jié)構(gòu)，導(dǎo)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(jié)果如圖5所示，從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，噴涂了HRPU/EVA材料的礦渣的含水量在整個試驗(yàn)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(dá)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(dǎo)致蒸發(fā)速度減緩，水分保持能力得到改善。結(jié)果表明，HRPU/EVA材料能夠提高礦渣的保水能力。

3 結(jié)論

本研究旨在探討礦區(qū)生態(tài)修復(fù)材料的制備及其力學(xué)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(jié)論。1）通過電感耦合等離子體發(fā)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(xué)組成和微觀形態(tài)進(jìn)行研究，結(jié)果表明土壤養(yǎng)分相對稀缺。2）在對不同HRPU材料進(jìn)行室溫下的拉伸強(qiáng)度測試后，發(fā)現(xiàn)噴涂了基于HRPU的復(fù)合材料的礦渣樣品的機(jī)械性能明顯得到改善，特別是HRPU/EVA材料具有最高的壓縮強(qiáng)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(fù)合材料噴涂在礦渣上后，能夠形成穩(wěn)定的固化層，提供良好的滲透性，防止土壤流失。在噴涂復(fù)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(fù)合材料在礦渣樣品表面形成了一層薄膜，能夠?qū)⒌V渣顆粒粘在一起并鞏固樣品，同時還有一些不規(guī)則的微孔結(jié)構(gòu)，有助于水分滲透。

參考文獻(xiàn)

[1]劉文峰，周保精.礦區(qū)土地復(fù)墾及生態(tài)修復(fù)研究進(jìn)展[J].能源科技，2023，21（5）：12-15.

[2]楊彬，鄭永強(qiáng).寶雞市鳳翔區(qū)礦區(qū)生態(tài)修復(fù)治理淺析[J].陜西水利，2023（9）：186-187.

[3]李好飛，喬西鼎.三門峽市鋁土礦礦區(qū)生態(tài)修復(fù)植被選取調(diào)查研究[J].能源與環(huán)保，2023，45（8）：115-123.

[4]余方勝.礦區(qū)土壤調(diào)理及生態(tài)修復(fù)效果研究[J].工程技術(shù)研究，2023，8（15）：164-166.

[5]程偉，朱卓，王文杰，等.腐殖質(zhì)層再造修復(fù)西部礦區(qū)退化土壤的生態(tài)效應(yīng)[J].煤炭學(xué)報，2023，48（7）：2850-2857.