矿区生态修复材料制备及力学特性研究

摘 要：本文探讨了基于高回弹性聚氨酯泡沫塑料（HRPU）的复合材料在矿区生态修复中的应用。通过化学分析和性能测试，发现HRPU材料在提高机械性能、渗透性和疏水性方面具有潜力。其中，喷涂了HRPU/EVA复合材料的矿渣性能最佳，通过SEM观察，发现矿渣表面微孔结构能提供水分渗透和植物生长需要的条件。此外，HRPU/EVA材料还具备良好的保水能力和抗侵蚀性，为生态修复提供了潜在的解决方案。这项研究对西藏某矿区的生态修复具有重要意义。

关键词：HRPU；复合材料；生态修复

中图分类号：X 171" " 文献标志码：A

生态环境保护和矿区生态修复已成为当今社会面临的重要问题之一[1]。矿区的开采活动不仅会破坏自然生态系统，还可能对当地社区和生态环境造成长期不可逆转的损害。因此，开发和应用高效的生态修复材料对恢复和保护矿区的生态平衡至关重要[2]。

西藏某矿区是典型的高原高寒地区，该区域风沙大、气候干旱，生态系统脆弱敏感，集中连片的遗留矿山，加剧了水土流失，降低了生态系统连通性和整体性，使生态系统功能受损，生态环境遭到破坏，矿物开采后留下的矿渣化学成分复杂、机械性能差、易受侵蚀。在该矿区生态修复中，需要改善矿渣的机械性能、渗透性和疏水性，以增强其固沙能力，抵御水侵蚀[3]。本文通过制备不同种类的HRPU复合材料探索了这些材料在矿渣性能改进上的应用潜力，包括对矿渣样品的化学成分分析以及一系列性能评价测试[4]。通过拉伸强度测试、亲水性能测试、压缩强度和变形率测试、渗透性测试以及水接触角测量等试验，深入研究了这些材料的性能特点[5]。

综上所述，本研究为西藏某矿区生态修复提供了一种潜在的化学固化材料，为改善矿区地质环境、保护生态系统和促进可持续发展提供了新的途径。本研究对解决矿区生态问题具有重要的理论和实际意义，为未来的生态修复工作提供了有力支持。

1 材料和方法

1.1 矿渣样本分析

矿渣样品取自西藏某矿区，通过电感耦合等离子体发射光谱（ICP）分析矿渣的化学组成。用扫描电子显微镜（SEM）图像观察矿渣样品的微观形态，同时使用SEM设备的能谱仪（EDS）对其进行能谱分析，进一步研究样品的元素分布。

1.2 高回弹性聚氨酯泡沫塑料（HRPU）的制备

将定量的甲苯二异氰酸酯（TDI）和聚醚聚醇加入带有搅拌器和温度计的三颈烧瓶中。向混合物中加入二月桂酸二丁基锡（DBTL），并在90°C下搅拌4h，然后冷却至室温以获得HRPU预聚物。此外，将一定比例的氨酯纤维（EA）、玄武岩纤维（BF）、聚乙烯醇纤维（PVA）或乙烯树脂醋酸纤维（EVA）单体混入HRPU预聚物中，在60°C下搅拌2h。相应的产物分别命名为HRPU/EA、HRPU/BF、HRPU/PVA和HRPU/EVA。在喷涂到矿渣样品前，将5种HRPU预聚物与蒸馏水混合，形成一个固化层。

1.3 表征状态

使用拉伸试验机对5种HRPU材料进行室温下的拉伸强度测试，将测试速度控制为50mm/min。根据《硫化橡胶或热塑性橡胶拉伸应力应变性能的测定》（GB/T 528—2009）标准，将所有HRPU样品都制成哑铃型，哑铃型试样两端长1cm，颈部宽5mm，厚0.2mm。通过固化试验测试HRPU 的亲水反应性能，将一定量的HRPU加入快速搅拌的水中，待完全分散后，HRPU水分散液将在一定时间内呈现固化反应。按照《混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T 50081—2002）标准，利用液压万能试验机对喷涂了不同 HRPU 材料的矿渣样品进行压缩强度和变形率测试，压力速度控制在0.3MPa/s～0.5MPa/s，可直接在液压万能试验机上读取变形率。压缩强度取3个试样的平均值，采用公式（1）进行计算。

（1）

式中：f∞为矿渣样品的压缩强度，MPa；F为样品的破坏载荷，N；A为样品的受压面积，mm²。

表面硬度是影响发芽率的重要指标之一，变形指数可以通过在硬度测试仪上直接读取数值来获得。通过测量固化层的厚度测试了5种不同HRPU材料的渗透性，将直径小于20mm的矿渣颗粒放入直径为20mm，长度为150mm的玻璃管中，将这些矿渣颗粒按照 5L/m3的喷涂量喷涂了5种不同的HRPU材料，在5种不同的HRPU材料固化后，测试了固化层的厚度。

通过接触角仪器测量样品的水接触角，该仪器配有一个近单色LED光源，用于自动分散样品表面的成像液。使用光谱仪获取矿渣样品的傅里叶变换红外（FTIR）光谱，在4000cm-1～400cm-1。同时对喷涂了HRPU/EVA材料的矿渣样品的微观形态用扫描电子显微镜（SEM）进行分析。

1.4 性能评价测试

水分保持能力是HRPU材料在矿渣地区的固沙性能的重要评价指标。以下试验旨在检验水分保持能力。矿渣样品喷涂了HRPU/EVA材料（浓度为3%），喷涂量为1L/㎡。记录湿样品的质量，并在80°C的烘箱中以1h的相同时间间隔再次称重湿样品。使用公式（2）进行计算。

（2）

式中：Wn为n小时的湿重；D0和W0分别为初始干重和湿重；Wc是水含量比，%。

2 结果与分析

2.1 化学成分与矿渣

表1为矿渣样品的ICP结果，结果显示矿渣的SiO2含量约为60.5%，具有较低的成岩作用，低于常见岩石的含量。一些不稳定的活性金属氧化物也占据了一定比例，其中一些可能是化学反应的产物，这是矿渣容易受侵蚀的重要原因，同时有机组分小于5%，表明土壤养分稀缺。

2.2 HRPU的亲水活性性质

将不同浓度的HRPU（1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、20％和50％）在室温（25℃）条件下加入水中混合，观察HRPU材料的固化时间。由于1%和2%的HRPU浓度太低，水溶液流动性太强，并未观察到完整的凝胶形成，尚未发生固化反应，因此，固化试验起始浓度为3%。浓度对水溶液凝结时间的影响试验结果如图1所示，随着HRPU浓度增加，固化时间减少，固化时间从几分变为几秒。当HRPU浓度高于20%时，HRPU/水混合物的固化反应在几秒内发生。通过固化过程，HRPU/水混合物从分散状态变为固化体，呈现为优异的弹性凝胶。

2.3 样品的物理性能

喷涂了HRPU和4种基于HRPU的复合材料的矿渣样品的压缩强度和变形率如图2所示。结果显示，与HRPU材料相比，喷涂了基于HRPU的复合材料的矿渣样品的机械性能得到了改善。因为EVA材料具有优异的黏附性，喷涂了HRPU/EVA材料的矿渣样品具有最高的压缩强度和变形率，变形率约为15%，显著高于其他矿渣样品，表明HRPU/EVA材料能够提高矿渣样品的柔韧性。因此HRPU/EVA材料能够在松散的矿渣表面形成一个良好的柔韧外壳，通过HRPU/EVA将松散的沙子粘在一起，防止土壤和水分流失。喷涂了基于HRPU的复合材料的样品的变形指数略高于未喷涂复合材料的样品。此外，与喷涂了HRPU的样品相比，喷涂了HRPU/EA和HRPU/BF的样品的变形指数轻微增加。与喷涂了HRPU/EA或HRPU/BF的样品相比，喷涂了HRPU/PVA和HRPU/EVA的矿渣的变形指数突然增加。PVA和EVA具有良好的黏结效果，能够将矿渣粘在一起并提高硬度。

2.4 矿渣样品的渗透性和疏水性

渗透性是评估化学固化材料的重要指标，其结果如图3所示。从图3中可以看出，5个矿渣样品的最大渗透厚度几乎相同，但喷涂了HRPU/PVA或HRPU/EVA的矿渣样品略有减少，可能归因为高黏度和低流动性。因此，基于HRPU的复合材料能够满足渗透性的需求，提供稳定的固化层，防止土壤流失。

表2为喷涂了5种基于HRPU的复合材料的矿渣的水接触角。由于水滴会渗透并破坏矿渣样品，因此无法测试矿渣的原始水接触角。从表2中可以看出，喷涂了HRPU复合材料的其他矿渣样品的水接触角大于90°，仅HRPU/BF材料的接触角例外。经过200s后，水接触角略有缩小，但仍有95.8°、98.2°、82.7°、88.5°和90.3°。结果说明，在喷涂了基于HRPU的复合材料后，矿渣表面变得疏水，水分渗透依赖于虹吸或毛细作用，而不是材料本身的亲水性。因此，HRPU材料喷涂在矿渣上后，可以排除雨水，防止雨水对矿渣的损害。同时其良好的渗透性也能够让水分渗透到矿渣内部，为植物提供生长需要的养分。

2.5 矿渣样品的傅里叶变换红外（FTIR）和扫描电子显微镜（SEM）分析

矿渣样品在喷涂HRPU/EVA前后的傅里叶变换红外（FTIR）光谱如图4所示。

可以观察到普通矿渣在1020cm-1和460cm-1处存在Si-O-Si峰，3400cm-1和3700cm-1处存在-OH和Al-OH。与之相比，喷涂了HRPU/EVA后，矿渣可以出现新的峰。2960cm-1处的吸收峰的原因是-CH2，2866cm-1处的峰属于C-H，可观察到1730cm-1处的C=O峰和1540cm-1处的N-H峰，属于脲基的羰基。结果表明，HRPU/EVA可以成功地与矿渣结合在一起。

基于上述结果，HRPU/EVA材料综合性能最佳。此外，通过扫描电子显微镜发现普通矿渣样品呈现碎片状颗粒，结合性较差，而喷涂了HRPU/EVA复合材料的矿渣颗粒表面覆盖了一层薄膜，可以将矿渣颗粒粘在一起并巩固矿渣样品，表面还有一些不规则的微孔结构，导致水分渗透，为植物提供生长需要的水分。

2.6 性能评价测试

通过水含量损失测试来评估HRPU/EVA材料的保水性能。测试结果如图5所示，从图5中可以发现，喷涂了HRPU/EVA材料的矿渣的含水量在整个试验过程中都比空白样品高。即使在16h后，喷涂了HRPU/EVA材料的矿渣的水含量仍可达20%以上，而16h后的空白样品的含水量几乎为零。这主要是由于表面的固化层将矿渣颗粒连接在一起，因此孔隙度显著变小导致蒸发速度减缓，水分保持能力得到改善。结果表明，HRPU/EVA材料能够提高矿渣的保水能力。

3 结论

本研究旨在探讨矿区生态修复材料的制备及其力学特性以及这些材料在矿渣样品中的性能评价。以下是本研究的主要结论。1）通过电感耦合等离子体发射光谱（ICP）和扫描电子显微镜（SEM）等分析方法，本文对矿渣的化学组成和微观形态进行研究，结果表明土壤养分相对稀缺。2）在对不同HRPU材料进行室温下的拉伸强度测试后，发现喷涂了基于HRPU的复合材料的矿渣样品的机械性能明显得到改善，特别是HRPU/EVA材料具有最高的压缩强度和变形率，表明其能够提高矿渣样品的柔韧性和抗压性。3）HRPU复合材料喷涂在矿渣上后，能够形成稳定的固化层，提供良好的渗透性，防止土壤流失。在喷涂复合材料后，水接触角变小，有助于排除雨水并防止损害。4）HRPU/EVA复合材料在矿渣样品表面形成了一层薄膜，能够将矿渣颗粒粘在一起并巩固样品，同时还有一些不规则的微孔结构，有助于水分渗透。

参考文献

[1]刘文峰，周保精.矿区土地复垦及生态修复研究进展[J].能源科技，2023，21（5）：12-15.

[2]杨彬，郑永强.宝鸡市凤翔区矿区生态修复治理浅析[J].陕西水利，2023（9）：186-187.

[3]李好飞，乔西鼎.三门峡市铝土矿矿区生态修复植被选取调查研究[J].能源与环保，2023，45（8）：115-123.

[4]余方胜.矿区土壤调理及生态修复效果研究[J].工程技术研究，2023，8（15）：164-166.

[5]程伟，朱卓，王文杰，等.腐殖质层再造修复西部矿区退化土壤的生态效应[J].煤炭学报，2023，48（7）：2850-2857.