生态混凝土在治理重金属污染岩质边坡中的应用.pdf

第3 0卷 第1期 V o l . 3 0,N o . 1 2 0 1 6年2月M I N E R A LR E S OUR C E SAN DG E O L OG YF e b .,2 0 1 6 生态混凝土在治理重金属污染岩质边坡中的应用 程峰1 ,2, 王星华1, 莫时雄2, 郭尚其2, 胡乔帆2 (1.中国有色桂林矿产地质研究院有限公司, 广西 桂林5 4 1 0 0 4;2.中南大学土建学院,湖南 长沙4 1 0 0 8 3) 摘要: 通过配合比试验研究了生态混凝土的性能指标并进行了工程应用。在不同级配条件下, 对5种 试样进行抗压强度与植物生长试验。强度试验结果表明: 当生态混凝土原料( 减水剂: 沸石: 水: 水泥: 石 灰石) 的配合比为11 61 96 02 3 5时, 抗压强度满足护坡强度要求; 植物生长试验结果表明: 当容 重为1. 8 9 g/c m 3, 孔隙率为2 9. 1%, 吸水率为3. 2%时, 是护坡植物最优的生长条件; 在治理重金属污染 岩质边坡工程的应用表明, 生态混凝土能有效吸附岩体中的重金属元素, 具有良好的护坡与绿化功能。 关键词: 重金属污染; 岩质边坡; 配合比; 护坡强度; 生长条件 中图分类号:U 4 1 7. 2文献标识码: A文章编号:1 0 0 1-5 6 6 3(2 0 1 6)0 1-0 1 2 7-0 5 0 引言 重金属污染岩质边坡广泛分布于我国广西、 贵州 等地, 边坡工程治理中大多采用传统的混凝土或浆砌 石作为护坡材料。由于重金属元素的侵入作用, 使得 岩体结构面不断遭到破坏, 导致了很多工程事故的发 生。由于极少考虑重金属污染岩质边坡工程建设与 生态绿化相结合措施, 使得许多岩质边坡久治不好。 传统的混凝土的使用一直朝着破坏绿化和生态自然 环境的方向发展, 大量的混凝土构筑物使用造成了生 态的荒漠, 植物无法生长, 致使太阳直接暴晒混凝土 构筑物上, 形成热岛效应 2, 使重金属污染岩质边坡 防治技术存在一定缺陷; 另外传统混凝土不具备吸附 重金属元素、 保持水土的功能, 且易造成水土流失, 不 能从根本上解决重金属污染边坡的稳定性问题。因 此, 如何通过绿化的手段清除岩质边坡中的重金属元 素, 改变环境、 美化景观, 彻底解决混凝土与自然环境 间“ 绿化与硬化” 的矛盾, 已成为工程技术人员重新考 虑的问题。 国内有关学者对环境友好型生态混凝土进行了 研究, 研究方向侧重于将废变宝, 或者用其它材料替 代水泥, 或者是采用高强度的水泥以达到减少水泥用 量的目的。刘汉龙等 3开展了对多孔混凝土的配比 研究, 主要是在普通混凝土配比试验的基础上做了一 些试探性的研究, 并没有形成一个系统的方法体系。 目前国内外有关于生态混凝土的应用方面的研究报 道主要是生态混凝土的净水功能方面的研究。真正 能做到既满足植物生长的连续孔隙率的混凝土, 又有 一定抗压强度的植生型多孔混凝土的文献较少, 且研 究成果大多也都处于试验阶段。因此对于生态混凝 土的性能与应用方面还需要进一步研究。 为了进一步探讨生态混凝土的绿化性能和强度 特性, 本文对生态混凝土的配合比进行了改进与调 试, 在不同级配条件下进行了护坡强度与植物生长试 验, 研究了生态混凝土的最优配比方案。并将最优配 合比的生态混凝土应用在重金属污染岩质边坡工程, 研究其固坡特性与吸附效果。 1 生态混凝土的性能试验 1. 1生态混凝土的性能要求 重金属污染岩质边坡稳定性除了受到岩体结构、 构造等因素的影响外, 重金属元素的侵入也也是其破 坏的原因之一。因此生态混凝土除了能够提供足够 收稿日期:2 0 1 4 - 0 3 - 2 0 基金项目:湖南省科技厅重点支持项目(0 4 S K 2 0 0 8) 、 高等学校博士学科点专项科研基金( 2 0 1 2 0 1 6 2 1 1 0 0 2 3) 资助。 作者简介:程锋(1 9 8 1-) , 男, 博士, 高级工程师, 主要从事环境岩土工程与地质灾害防治研究工作。E - m a i l:1 0 9 6 2 9 7 0 6q q . c o m 引文格式:程峰, 王星华, 莫时雄, 等.生态混凝土在治理重金属污染岩质边坡中的应用J.矿产与地质,2 0 1 6,3 0(1) :1 2 7 - 1 3 1. 的护坡强度外, 还要具有生物相容性的功能。生态混 凝土通过孔隙率、 孔径大小、 透水、 透气、 渗透等性能 提供满足植物根系生长环境结构以及植物生长所需 要的营养 3。通过植物生长根系吸附作用对岩石中 的重金属进行清除, 阻止其通过渗透作用侵入到岩体 内部与岩石内的胶结物发生物化反应而破坏岩体的 胶结强度。 生态混凝土要有足够的孔隙率与强度。为确保 透水性, 生态混凝土至少得有一定百分率的连续孔 隙, 而对于植被生长, 连续孔隙必须不小于2 0%。从 颗粒堆积理论的角度来看, 单一粒度的颗粒堆积随堆 积方式的不同, 可形成2 6%4 3%的最大孔隙率, 同 时堆积方式对堆积密度也有一定的影响, 而最大孔隙 率与堆积密度呈负相关关系, 也就是说在获得最大孔 隙率的同时, 该堆积方式的堆积密度最小, 即等同于 强度最低。 一般情况下, 岩质边坡的喷射混凝土要求其抗压 强度为68 M p a 1,4。为保证混凝土的强度与2 0% 连续孔隙率的要求, 需采用近似单一粒度或两种粒度 结合的骨料分布方式, 使骨料与骨料之间近似点的结 合, 这样可以保证形成足够多的孔隙。但随着孔隙率 的增长, 混凝土的强度呈逐步下降趋势。为保证护坡 强度, 需使用强力的胶结料, 以增强骨料间的连接。 1. 2生态混凝土的强度试验 生态混凝土由于对孔隙比的控制比一般混凝土 的要求要大, 其粒径组成不能按照传统的配比方案进 行, 主要以粗骨料为主, 约占总体积的6 0%7 0%。 粗骨料的体积稳定性和耐久性较好, 且价格便宜, 与 同等水泥用量的混凝土相比, 大大节约了材料成本。 目前商品混凝土的市场价格一般为2 6 03 3 5元/t, 本文研制的生态混凝土材料价格为9 01 0 5元/t, 综 合总价格为1 2 0元/t, 远低于传统的商品混凝土价 格。粗骨料的种类、 形貌、 矿物组成及级配对混凝土 的用水量、 强度、 过渡区品质、 收缩和徐变等都有重要 的影响。 1. 2. 1粗骨料原料的选择 研究区广西属于喀斯特地貌, 石灰石的分布广, 储量大, 易于获取。石灰石作为重要的建筑材料有着 悠久的开采历史, 主要成分为碳酸钙, 是广泛应用的 建筑材料。因此, 试验选用当地的石灰石作为生态混 凝土的粗骨料, 因地制宜, 可节约运输成本。石灰石 的主要化学成分见表1。 表1粗骨料石灰石的主要化学成分组成 T a b l e1M a i nc h e m i c a l c o m p o s i t i o no f l i m e s t o n ea g g r e g a t e 成 分 S i O2A l2O3F e2O3C a OM g O 烧失量 含量(%) 0. 0 71. 00. 0 21. 00. 0 31. 04 8. 05 5. 2 20. 0 81. 04 0. 7 9 1. 2. 2粒径的选择 混凝土粗骨料的粒径与其各项性能有着密切的 关系。随着粗骨料粒径的增大, 混凝土的孔隙率和透 水率随之增大, 但混凝土的抗压强度随之降低。大粒 径配合比的大孔混凝土抗压强度的下降的原因主要 是因为骨料粒径大, 骨料颗粒间的咬合点减少, 所产 生的咬合摩擦力及其与水泥浆的粘结力减少所致 4。 因此, 为保证生态混凝土有足够强度和满足植被生长 所需的孔隙率, 需要选择合适的粗骨料粒径。本文通 过大量试验确定了粒径为1 02 0 mm粗骨料为最合 适的。此外, 细骨料选用的材料为沸石、 滑石等矿粉 原料, 研究表明沸石、 滑石等矿粉原料不仅可实现两 种粒度的堆积成型, 而且沸石等矿物具有吸水性和对 低含量污染清除等特殊性能, 如去除C O D、NH 3 - N、 重金属元素等的能力 4, 这些细骨料矿物原料可使生 态混凝土的功能更加完善。 1. 2. 3级配的选择 为反映级配对生态混凝土强度的影响, 选取两种 类别的粗骨料分别进行试验, 一种为单一粒径的粗骨 料, 另一种是一定级配的粗骨料。其配合比见表2。 将两种级配混合材料分别制作混凝土试验立方体标 准试件, 试件尺寸为1 5 0 mm1 5 0 mm1 5 0 mm, 标 准养护7天后进行抗压强度试验 3,5。 表2生态混凝土配合比及其抗压强度值 T a b l e2C o m p r e s s i v es t r e n g t ha n d m i xp r o p o r t i o n so f e c o l o g i c a l c o n c r e t e 编号 每m3混凝土材料用量( k g ) 水泥水减水剂石沸石 粗骨料粒径 (mm) 抗压强度 (MP a) 12 3 58 04. 6 5 1 2 5 6 8 9. 61 01 53. 9 1 22 3 58 04. 6 5 1 3 8 9 8 9. 61 62 04. 2 0 33 5 7. 91 1 5. 2 5. 9 3 1 3 9 8 9 5. 31 62 07. 4 1 43 6 0. 91 2 2. 8 4. 7 9 1 4 6 7 1 0 0. 11 62 01 1. 3 2 54 8 7. 41 2 5. 4 4. 7 9 1 5 1 4 1 0 0. 11 62 01 3. 6 7 821 矿 产 与 地 质2 0 1 6年 由表2试验结果表明, 生态混凝土抗压强度的主 要影响因素是水灰比。水灰比越大, 生态混凝土的抗 压强度越大; 当生态混凝土原料( 减水剂: 沸石: 水: 水 泥: 石灰石) 的配合比为11 61 96 02 3 5时, 级 配满足生态混凝土抗压强度68 MP a要求。 1. 3生态混凝土的植物生长试验 为了获得植物生长最优的生态混凝土制品。选 取强度试验中满足要求生态混凝土试件, 对其容重、 吸水率、 孔隙率等性能进行了测试试验。 1. 3. 1生态混凝土容重 将研制好的生态混凝土制成边长1 5 0 mm混凝 土立方体标准试件, 将试件烘干至恒重, 冷却称重, 采 用尺量法测定 3。按式( 1) 计算其容重: d=W s V ( 1) 式中: d干容重(g/c m 3) Ws干重量(g) V体积(c m 3) 1. 3. 2生态混凝土吸水率 在标准大气压力下, 表示的生态混凝土最大吸水 能力, 可表示为: 生态混凝土的吸水率= 侵入水中所吸水的重量 亲水前的实测重量 % 试验步骤如下: ( 1) 将制备好的生态混凝土试件烘干至恒重冷 却称重置于水桶内, 加清水至试件高度的三分之 一, 浸泡2个小时; ( 2) 然后继续加水至生态混凝土试件的高度三分 之二处, 浸泡2个小时; ( 3) 继续加水淹没生态混凝土试件, 试件浸泡2 4 小时后取出, 将干净的湿毛巾拧干, 擦拭干净试件表 面的水, 用天平称至恒重, 按式( 2) 计算吸水率: B=W -W W 1 0 0%(2) 式中: B生态混凝土的吸水率 (%) W生态混凝土试件浸水后重量 (g) W生态混凝土试件的重量(g) 1. 3. 3生态混凝土孔隙率 生态混凝土试件中所有孔隙空间体积之和与该 试件体积的比值, 称为该生态混凝土的孔隙率, 以百 分数表示, 按下式( 3) 进行计算: 式中: n孔隙率(%) d干容重(g/c m 3) s比重(g/c m 3) 1. 3. 4试验结果与讨论 通过测试试件的各项性能, 其物理性质及力学性 能指标的统计结果见表3。 由表3可知, 在粗骨料粒径相同的情况下, 试件 的容重随着抗压强度的增加而增加, 而吸水率和孔隙 率则随着抗压强度的增加而减小。根据护坡强度要 求, 生态混凝土的抗压强度为7. 3 6 MP a, 满足护坡的 强度要求; 根据植物生长试验, 容重为1. 8 9 g/c m 3, 孔 隙率为2 9. 1%, 吸水率为3. 2%时, 是护坡植物最优 的生长条件。因此生态混凝土的最优方案为方案3。 表3生态混凝土试件的各项性能指标对比表 T a b l e3C o m p a r i s o nw i t hv a r i o u sp e r f o r m a n c e i n d i c a t o r so f e c o l o g i c a l c o n c r e t es p e c i m e n 试件编号 粗骨料粒径 (mm) 容重 ( g/c m 3) 孔隙率 (%) 吸水率 (%) 抗压强度 (MP a) 11 01 51. 7 63 0. 63. 63. 8 8 21 62 01. 7 33 2. 33. 34. 1 5 31 62 01. 8 92 9. 13. 27. 3 6 41 62 02. 1 12 0. 72. 31 0. 4 1 51 62 02. 1 71 8. 42. 51 3. 5 1 2 重金属污染边坡治理方案 重金属污染岩石后对岩石的工程地质性质、 抗风 化能力、 风化速度、 耐久性及抗剪能力等力学性能造 成很大的影响 5, 这些性能的改变的主要破坏形式表 现在对岩质边坡的稳定性的影响, 因此对于如何消除 或减小重金属污染的影响是确保岩质边坡稳定的基 础。本文选取桂兴高速公路K 4 0 0+6 0 0处路段受污 染的岩质边坡进行治理, 该边坡岩性为中风化泥岩, 主要污染元素为铅、 锌、 镉3种, 通过S p e c t r oF l e x6 6 0 0 型分光光度计检测其综合含量为1. 3 4%。 2. 1配合比的选择 岩质边坡治理比一般土质边坡难度大很多, 除了 保证其稳定性以外, 生态景观也是其重要的指标。根 据上述生态混凝土的试验可知, 方案3中生态混凝土 的抗压强度为7. 3 6 M h, 容重为1. 8 9 g/c m 3, 吸水率 为3. 2%, 孔隙率为1 8. 9%的方案为最优方案。因此 选择该配合比方案的混凝土进行边坡治理。 2. 2固坡植物的选择 固坡植物的选择不仅要考虑土壤属性、 气候条 921第3 0卷第1期程峰等: 生态混凝土在治理重金属污染岩质边坡中的应用 件、 施工要求、 物种的多样性, 还要考虑经济可行性等 因素 5。由于不同地域、 不同工况下边坡的坡度、 地 质结构、 土壤属性等存在较大差异, 因此选择合适的 固坡植物才能达到固化的效果。 目前香根草、 黄荆、 马桑、 新银合欢、 黑荆等是使 用较多的草种, 固坡效果好, 是国内常用的固坡植物。 育苗的价格一般为0. 0 8元/芽, 种子的价格一般为 3. 0 02 7. 0 0元/ k g , 价格也较为便宜。通过植物生 长试验对比, 香根草不仅具有良好的固坡效果, 而且 具有超强的吸附重金属能力, 可以有效清除边坡中的 污染元素。 2. 3草种的培养基 植被的生长需要以养分、 水分、 空气、 热量等为基 础, 这些也是植被生长的必要条件。土壤环境中的能 量供给通过土壤的孔隙率实现的, 一般的土壤孔隙率 约为4 0%, 可以有效保证植物营养 供给的传输 通 道 6。因此生态混凝土植物生长所需的水分、 空气、 热量等也需要通过合理性的孔隙率才能实现, 研究表 明孔隙率在2 0%以上时, 生态混凝土的连续多孔可 以满足传输养分、 水分、 空气、 热量等植物所需的养 分, 满足草种生长需要的培养基 7。 本文草种需要的培养基主要基料为土壤, 辅料为 珍珠岩和菜枯, 其中珍珠岩为吸水性材料, 其较强的 吸水性能有效保证培养基的保水率和吸水率, 以满足 草种生长所需的水分; 菜枯为草种的肥料, 用来提供 植物生长所需的养分。培养基的具体做法如下: 选取 土壤过筛, 将土中石子等大颗粒的杂质去除; 取等体 积的珍珠岩和菜枯搅拌均匀, 将混合物与土壤体积按 11 0的比例配制草种的培养基。 2. 4施工方法 岩质边坡中的治理中由于考虑到重金属元素的 侵入影响, 因此采取的施工方法与传统的方法有所差 异。其施工工序为: 清理平整坡面钻孔安装锚杆 铺设固定网拌合基材混合物喷射基材混合物 平铺培养基喷射基材混合物前期养护。另外 在边坡顶部设置污染水收集通道, 坡脚设置过滤装 置。如果边坡某处的固坡植物的生长效果不好, 可以 在该处坡面上适当加铺一层草种培养基。另外生态 混凝土在对岩层结构、 气候条件较差的地区施工时, 需借助其它护坡材料共同固坡。如在岩体结构破碎 地段需采用锚杆与金属编成的网格共同来加固边坡; 对于强降雨区边坡可铺设椰子纤维编织层。其边坡 治理示意图见图1。 图1生态混凝土治理重金属污染边坡示意图 F i g . 1S c h e m a t i cd i a g r a mo f r o c ks l o p eo fh e a v ym e t a l p o l l u t i o nw i t he c o l o g i c a l c o n c r e t eg o v e r n a n c e 2. 5治理效果 对K 4 0 0+6 0 0处路段受污染的岩质边坡治理后 进行1个水文年的监测, 结果显示该地段边坡处于稳 定状态, 植被生长状况良好, 局部未见开裂、 崩落等不 良现象发生。同时采用光谱检测对该地段边坡岩石 中的重金属元素进行检测, 其重金属含量由原来的 1. 3 4%降低到0. 7 9%。而经普通混凝土治理的边坡 都出现不同程度的开裂、 垮塌。治理结果表明: 生态 混凝土可以有效吸附岩体中的重金属元素, 具有良好 的护坡与绿化功能, 在治理类似的重金属污染岩质边 坡中可以推广使用。 3 结论 ( 1)在粗骨料粒径相同的情况下, 试件的容重随 着抗压强度的增加而增加, 而吸水率和孔隙率则随着 抗压强度的增加而减小。 ( 2) 当生态混凝土的抗压强度为7 . 3 6 M P a, 满足护 031 矿 产 与 地 质2 0 1 6年 坡的强度要求; 容重为1 . 8 9 g/c m 3, 孔隙率为2 9 . 1 %, 吸水率为3. 2%时, 满足护坡植物最优的生长条件, 是生态混凝土的最优方案。 ( 3) 生态混凝土治理重金属污染岩质边坡, 能够 有效吸附岩体中的重金属元素, 具有良好的绿化与固 坡的效果。 参考文献: 1朱春鹏, 刘汉龙.污染土的工程性质研究进展J.岩土力学, 2 0 0 7,2 8(3) :6 2 5 - 6 2 9. 2张学言, 闫澍旺.岩土塑性力学基础M.天津: 天津大学出版 社,2 0 0 6. 3MU I R D W o o d,B E L KHE I A S R K,L I U DF. S t r a i ns o f t e n i n g a n ds t a t ep a r a m e t e r f o r s a n dm o d e l i n gJ. G e o t e c h n i q u e,1 9 9 4, 4 4(2) :3 3 5. 4陈蕾, 刘松玉, 杜延军, 等.水泥固化含铅污染土无侧限抗压强 度预测方法J.东南大学学报( 自然科学版) , 2 0 1 0,4 0(3) :6 0 9 - 6 1 3. 5A L ON S OEE,O R T E GAL TUR RA L D EEF,R OME R OEE. D i l a t a n c yo f c o a r s eg r a n u l a ra g g r e g a t e sM. E x p e r i m e n t a lU n - s a t u r a t e dS o i lM e c h a n i c s,2 0 0 7:1 1 2 - 1 1 9. 6陈科平.高速公路边坡稳定性模糊评价及加固治理研究D.长 沙: 中南大学,2 0 0 7. 7胡杰刚, 俞敏, 全洪波, 等.桂柳高速公路边坡岩石风化速度的 研究J.水文地质工程地质, 2 0 0 3,3 0(4) :6 7 - 7 1. A p p l i c a t i o no f e c o l o g i c a l c o n c r e t e i ng o v e r n a n c e r o c ks l o p e w i t hh e a v ym e t a lp o l l u t i o n CHE NGF e n g 1,2,WANGX i n g h u a1,MOS h i x i o n g2, GUOS h a n g q i 2, HU Q i a o f a n 2 ( 1.C h i n aN o n f e r r o u sM e t a l s(G u i l i n)G e o l o g ya n dM i n i n gC o.,L t d.,G u i l i n5 4 1 0 0 4,G u a n g x i,C h i n a; 2.C o l l e g eo fC i v i lE n g i n e e r i n g,C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y,C h a n g s h a4 1 0 0 8 3,H u n a n,C h i n a) A b s t r a c t:T h ep e r f o r m a n c e i n d i c a t o r so f e c o l o g i c a l c o n c r e t ew a s s t u d i e db ym i x i n gp r o p o r t i o n t e s t a n da p p l i e d t oe n g i n e e r i n g . U n d e r t h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n tg r a d u a t i o n,c o m p r e s s i v es t r e n g t ht e s ta n dp l a n tg r o w t ht e s t w e r ed o n ew i t h5k i n d so f s p e c i m e nc o m p r e s s i v e s t r e n g t ht e s t s h o w e d t h a t t h e c o m p r e s s i v e s t r e n g t hm e e t r e - q u i r e m e n t so fs l o p ep r o t e c t i o ns t r e n g t h w h e nt h e m i xp r o p o r t i o no fe c o l o g i c a lc o n c r e t e(w a t e rr e d u c i n g a g e n t:z e o l i t e:w a t e r:c e m e n t:l i m e s t o n e)w a s11 61 96 02 3 5,p l a n tg r o w t ht e s ts h o w e dt h a tt h e g r o w i n gc o n d i t i o n so f s l o p ep r o t e c t i o np l a n tw a so p t i m a l .Wh e nt h eb u l kd e n s i t yw a s1. 8 9 g /c m 3, p o r o s i t y w a s2 9. 1%,b i b u l o u sr a t ew a s3. 2%. T h ea p p l i c a t i o no fe n g i n e e r i n gs h o w e dt h a te c o l o g i c a lc o n c r e t ec a n a d s o r bh e a v ym e t a l e l e m e n t s i nr o c km a s se f f e c t i v e l ya n dh a sg o o ds l o p ep r o t e c t i o na n dg r e e n i n gf u n c t i o n . K e yW o r d s:h e a v ym e t a l c o n t a m i n a t e d,r o c ks l o p e,p r o p o r t i o n,i n t e n s i t yo f s l o p ep r o t e c t i o n,g r o w i n gc o n d i - t i o n s 131第3 0卷第1期程峰等: 生态混凝土在治理重金属污染岩质边坡中的应用