CN109989430B - 一种固废基新型环保耐久抗渗防渗结构及抗渗阻隔材料 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种固废基新型环保耐久抗渗防渗结构及抗渗阻隔材料，抗渗防渗结构包括基础层、防渗层和封场盖层，在基础层上依势浇筑抗渗阻隔材料形成防渗阻隔衬底，在衬底上铺设HDPE膜和土工布，在矿坑内填充工业固废压实，填充至矿坑口形成拱形面，在该拱形面上依势浇筑抗渗阻隔材料形成封场盖层，封场盖层与防渗阻隔衬底的上边沿衔接，在封场盖层上铺设基质土层。本发明利用粉煤灰、脱硫石膏、高炉渣等固废制备抗渗阻隔材料，将工业固废填埋于废弃矿坑内封存，实现无害化处置，该抗渗阻隔材料能有效阻隔固废淋溶液渗漏,降低地下水污染风险，将矿坑按照固废资源储库的标准设计，有利于进一步综合利用。
Description
技术领域
本发明涉及固废材料处理技术领域，特别涉及一种固废基新型环保耐久抗渗防渗结构及抗渗阻隔材料。
背景技术
随着我国工业发展的快速增长，工业固废贮存量越来越大，就固废种类而言，粉煤灰、冶金渣等一般工业固废占比较大，粉煤灰、冶金渣等大宗工业固废的产生和贮存对于环境质量影响最为严重，属于迫切需要解决的重点环境问题。而目前工业固废的处置方式，以不采取任何无害化处理措施的直接露天堆放为主，仅少数进行填埋和覆土绿化处置，以上固废的处置方式存在着雨水淋溶渗漏、风吹扬尘等污染地下水、地表水和大气环境的风险，这也是国家环保督查的重点内容。因此，工业固废处置已经成为需要迫切解决的重点环境问题。
基于上述环境生态现状，以最大限度处置大宗固废为主要目标，统筹考虑目前固废引发的环境、废弃矿坑等地质环境问题和包头地区的生态建修复难题；紧密结合包头市申报无废城市建设目标，积极开展大宗固废无害化处置废弃矿坑治理具有重要意义。
我国国家标准“一般工业固体废弃物贮存、处置场污染控制标准（GB18599-2001）”中规定， I类工业固废的贮存、处置场为I类场，I类场应优先选用废弃的采矿坑、塌陷区；II类工业固废的贮存、处置场为II类场，II类场比I类场的要求更为严格。
目前，Ⅱ类工业固废处置场防渗层的构造没有专门规范，设计均参考垃圾填埋场防渗层。采用固废无害化填埋，废弃矿坑治理和综合利用的一体化技术，实施“变废为宝”和“以废治废”的试验研究具有重要的现实意义。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种固废基新型环保耐久抗渗防渗结构及抗渗阻隔材料，抗渗防渗结构包括基础层、防渗层和封场盖层；
抗渗阻隔材料利用粉煤灰、脱硫石膏、高炉渣等固废制备出复合防渗阻隔材料，并利用其作为废弃矿坑防渗底衬形成防渗结构，将严重影响环境质量的主要工业固废粉煤灰、高炉渣等填埋于废弃矿坑内进行封存，实现了固废的无害化处置。
本发明的技术方案如下：
一种固废基新型环保耐久抗渗防渗结构，包括基础层、防渗层和封场盖层，在矿坑底部设置基础层，防渗层包括抗渗阻隔材料浇筑成的防渗阻隔衬底、HDPE膜和土工布，在基础层上依势浇筑抗渗阻隔材料并延伸至矿坑口边沿形成防渗阻隔衬底，在防渗阻隔衬底上依次铺设HDPE膜和土工布，在矿坑内填充工业固废并压实，填充至矿坑口并形成拱形面，在拱形面上依势浇筑抗渗阻隔材料形成封场盖层，封场盖层与防渗阻隔衬底的上边沿衔接，在封场盖层上铺设用于植被绿化的基质土层。
所述的封场盖层与基质土层之间设有导流排水层，该导流排水层包括竖向依次叠加铺设的粘土防渗层、HDPE膜、土工布和粗砂层，导流排水层铺设在封场盖层上且覆盖矿坑，所述的粗砂层上设有位于封场盖层边沿且允许水流进入的排水盲沟。
所述的基础层为人工平整矿坑后用打夯机械压实矿坑表面后形成，基础层压实系数为0.85-1.0。
在所述矿坑底部、基础层下方设有地下水收集流道；所述矿坑的四周边坡也设有基础层。
所述的抗渗阻隔材料的制备方法步骤如下：
1）以重量百分比计，按粉煤灰60-85%、高炉渣0-25%、硅酸盐水泥0-10%、脱硫石膏5-15%、激发剂5-20%、辅助材料0-5%分别称量各原料；原料混合均匀后得到胶凝材料粉体；
2）按水和胶凝材料粉体0.20-0.35的重量比计量水，分别将胶凝材料粉体和水倒入搅拌机混合得到抗渗料，将抗渗料浇注在基础层的底部和边缘，按“Z”字型顺序进行浇筑，浇注厚度为25-40cm，浇筑完毕后进行振捣；
3）浇筑后第12h-18h开始养护，采用洒水自然养护，养护持续28-38天，得到抗渗阻隔材料。
所述的激发剂包括生石灰、氢氧化钠中的一种或两种；辅助材料为膨润土、沸石中的一种或两种。
所述原料的粒度≤200目。
材料浇筑时施工现场温度大于5℃，养护时采用蓬布或塑料布对材料表面进行覆盖。
本发明的有益技术效果：
（1）本发明的固废基新型环保耐久抗渗防渗结构包括基础层、防
渗层和封场盖层，在基础层上依势浇筑抗渗阻隔材料形成防渗阻隔衬底，在衬底上铺设HDPE膜和土工布，在矿坑内填充工业固废压实，该结构可以实现固废无害化填埋，将废弃矿坑治理和综合利用一体化。
（2）本发明利用矿坑作为一般工业固废的处置场或贮存场，将主要工业固废粉煤灰、高炉渣等冶金渣料填埋于废弃矿坑内封存，实现固废无害化处置；可适用于Ⅰ类和II类工业固废的贮存和填埋。
（3）本发明利用粉煤灰、脱硫石膏、高炉渣等固废制备复合防
渗阻隔材料，材料的渗透系数为0.7-1.6×10-9cm/s，达到厚度1.5m的粘土层相同渗透时间为47.6年，而本发明的防渗层厚度只需25-40cm，大大节约粘土资源，同时实现了变废为宝和以废治废目的。防渗阻隔材料的性能参见表1。
（4）利用粉煤灰和高炉渣的胶凝特性，通过添加碱性激发剂制备水化胶凝材料，用于处置场或贮存场坑底的防渗阻隔衬底；有效阻隔固废淋溶液渗漏,降低地下水污染风险。
（5）本发明在采取无害化技术措施的前提下实施固废填埋处置，
将矿坑按照“固废资源储库”的标准进行设计，有利于以后进一步的综合利用。
附图说明
图1为本发明的固废基新型环保耐久抗渗防渗结构示意图；
图2为图1中A部分的局部放大示意图；
图3为图1中B部分的局部放大示意图；
图4为实施例二的抗渗防渗结构示意图。
图中：1.矿坑所在土基、2.工业固废、21.Ⅰ类工业固废、3.地下水收集流道、41.基础层、42.防渗阻隔衬底、43.HDPE膜、44.土工布、5.基质土层、6.封场盖层、71.粘土防渗层、72. HDPE膜、73.土工布、74.粗砂层、75.排水盲沟。
具体实施方式
实施例一：参见图1-3，一种固废基新型环保耐久抗渗防渗结构，包括基础层、防渗层和封场盖层，在矿坑所在土基即矿坑底部及四周边坡设置基础层，防渗层包括由抗渗阻隔材料浇筑成的防渗阻隔衬底、HDPE膜和土工布，在基础层上依势浇筑抗渗阻隔材料并延伸至矿坑口的边沿，以形成防渗阻隔衬底，在防渗阻隔衬底上依次铺设HDPE膜和土工布，在矿坑内填充工业固废并压实，直至矿坑口且形成拱形面，在拱形面上依势浇筑抗渗阻隔材料形成封场盖层，该封场盖层与防渗阻隔衬底的上边沿衔接，在封场盖层上铺设用于植被绿化的基质土层。
在封场盖层与基质土层之间设有导流排水层，导流排水层包括竖向依次铺设的粘土防渗层、HDPE膜、土工布和粗砂层，导流排水层铺设在封场盖层上且完全覆盖矿坑，所述的粗砂层上设有位于封场盖层边沿的且允许水流进入的排水盲沟。
基础层为人工平整矿坑后再用打夯机械压实矿坑表面，基础层的压实系数为0.85-1.0；矿坑的底部位于基础层下方设有地下水收集流道。
采用上述固废基新型环保耐久抗渗防渗结构填埋Ⅱ类工业固废的方法，包括如下步骤：
（1）选用合适的矿坑作为Ⅱ类工业固废填埋场，在矿坑底部设置地下水收集流道，采用人工平整矿坑后用机械打夯机压实矿坑的底部和边沿，压实系数0.95，作为基础层；
（2）抗渗阻隔材料的配方：以重量百分比计，按粉煤灰75%、
脱硫石膏12%、激发剂生石灰8%、辅助材料膨润土5%分别称量，要求各原料粒度≤200目（若原料粒度不符合要求，则先用球磨机球磨）；原料混合均匀得到胶凝材料粉体，分别将胶凝材料粉体和水（水胶比0.30，水与胶凝材料粉体的重量比）倒入搅拌机混合均匀，得到抗渗阻隔材料；
（3）将配置好的抗渗阻隔材料浇筑在基础层底部和边缘，形成防渗阻隔衬底，浇筑时按“Z”型顺序浇筑，施工现场温度要求大于5℃，抗渗阻隔材料的浇筑厚度为30cm；
（4）浇筑完毕后采用振捣棒进行振捣，振捣棒插入浇筑层以下5cm；振点间距为40cm，每个振点振捣30秒；
（5）浇筑完成的第18h后开始养护，养护一直持续28天，采
用洒水自然养护，同时用塑料布对浇筑层表面进行覆盖；
（6）养护结束后在防渗阻隔衬底铺设一层HDPE膜，在HDPE膜铺上设一层土工布；
（7）将Ⅱ类工业固填埋在矿坑内并压实，采用胶凝防渗材料作为
封场盖层；
（8）在封场盖层覆上用作绿化的基质土层，同时设置导流排水层，
采用固废作为覆土绿植的添加剂，以提升修复植被效果,强化固废资源化综合利用和生态。
本发明的防渗阻隔材料的性能参见表1。
实施例二，参见图4，该抗渗防渗结构和实施例一略有不同，不之处在于：防渗结构省略地下水收集流道，该结构用于填埋Ⅰ类工业固废物，处置场地下水位较低，具体施工步骤如下：
（1）选用合适的矿坑作为Ⅰ类工业固废填埋场，采用人工平整矿坑后用机械打夯机压实矿坑的底部和边沿，压实系数为0.93，作为基础层；
（2）采用的抗渗阻隔材料配方：以重量百分比计，按粉煤灰80%、
脱硫石膏8%、激发剂生石灰12%分别称量；
将上述材料混合均匀后得到胶凝材料粉体；分别将胶凝材料粉体和水（水胶比0.25）倒入搅拌机混合，得到抗渗阻隔材料；
（3）将配置并混合好的抗渗阻隔材料浇筑在基础层的底部和边缘，形成防渗阻隔衬底，浇筑时按“Z”型顺序浇筑，施工现场温度要大于5℃，抗渗阻隔材料的浇筑厚度25cm；浇筑完毕后采用振捣棒进行振捣，振捣棒插入浇筑层以下5cm；振点间距为40cm，每个振点振捣30秒；
（4）筑完成的15h后开始养护，养护时间持续38天，养护采水自然养护，并用塑料布对浇筑层的表面进行覆盖，控制表面温度大于5℃；
（5）将Ⅰ类工业固填埋在矿坑内，并压实，采用抗渗阻隔材料作为封场盖层；
（6）封场盖层上覆上用作绿化的基质土层，同时设置导流排水层，采用固废作为覆土绿植的添加剂，提升修复植被效果。
实施例三，和实施例一略有不同，不同之处在于：采用的抗渗阻隔材料的制备方法：
（1）以重量百分比计，按粉煤灰70%、高炉渣15%、脱硫石膏8%、水泥熟料7%的配比进行计量；将所有原料混合均匀后得到胶凝材料粉体；
（2）按水胶比0.3的重量比计量水，分别将胶凝材料粉体和水倒入搅拌机混合，将混合好的抗渗料浇注在基础层底部和边缘，按“Z”型顺序浇筑（施工现场温度＞5℃），浇注厚度为40cm，浇筑完毕后进行振捣；
（3）浇筑16h后开始养护，采用洒水自然养护，采用蓬布、塑料布对材料表面覆盖，养护持续30天，得到抗渗阻隔材料。
实施例四：和实施例一略有不同，不同之处在于：抗渗阻隔材料的制备方法：
1）以重量百分比计，按粉煤灰65%、脱硫石膏8%、生石灰7%、粒化高炉渣20%分别称量，在混料机混合均匀后得到胶凝材料粉体；
所述的粉煤灰为热电厂干排灰；脱硫石膏为热电厂在治理烟气中二氧化硫后而得到的工业副产物石膏；高炉渣包括粒化高炉水淬渣和高炉水淬渣粉体；
2）按水胶比0.27的重量比计量水，分别将胶凝材料粉体和水倒入搅拌机混合，将混合好的抗渗料浇注在基础层底部和边缘，浇筑按‘Z’型顺序浇筑（施工现场温度＞5℃），浇注厚度35cm，浇筑完毕后进行振捣；振捣棒插入下层5cm；振点间距为35cm，每个振点振捣30秒；
3）浇筑后的18h后开始养护，养护采用洒水自然养护，采用蓬布、塑料布对材料表面覆盖，养护持续28天，得到抗渗阻隔材料。
实施例五，和实施例一略有不同，不之处在于：抗渗阻隔材料配方：
以重量百分比计，按粉煤灰80%、脱硫石膏5%、生石灰10%、氢氧化钠5%分别称量，先将粉煤灰、脱硫石膏、生石灰混合均匀后得到胶凝材料粉体，将氢氧化钠配成溶液，氢氧化钠溶液中水的用量按水和胶凝材料粉体0.32：1的比例加入，将氢氧化钠溶液和胶凝材料粉体倒入搅拌机混匀得到抗渗料，然后进行浇筑。
表1 本发明的固废基新型环保耐久抗渗阻隔材料性能
| 实施例 | 7天抗压强度MPa | 28天抗压强度MPa | 56天抗压强度MPa | 28天抗折强度MPa | 56天抗折强度MPa | 28天渗透系数（10-9cm/s） |
| 1 | 4.68 | 21.00 | 24.43 | 5.40 | 3.43 | 0.98 |
| 2 | 5.90 | 32.53 | 39.43 | 5.9 | 6.27 | 0.70 |
| 3 | 12.40 | 24.10 | 32.10 | 2.93 | 3.85 | 0.96 |
| 4 | 5.20 | 27.00 | 32.23 | 5.07 | 4.73 | 1.53 |
| 5 | 8.00 | 21.38 | 32.60 | 5.4 | 5.15 | 1.69 |
Claims (3)
1.一种固废基新型环保耐久抗渗防渗结构，包括基础层、防渗层和封场盖层，其特征是：在矿坑底部设置基础层，防渗层包括抗渗阻隔材料浇筑成的防渗阻隔衬底、HDPE膜和土工布，在基础层上依势浇筑抗渗阻隔材料并延伸至矿坑口边沿形成防渗阻隔衬底，在防渗阻隔衬底上依次铺设HDPE膜和土工布，在矿坑内填充工业固废并压实，填充至矿坑口并形成拱形面，在拱形面上依势浇筑抗渗阻隔材料形成封场盖层，封场盖层与防渗阻隔衬底的上边沿衔接，在封场盖层上铺设用于植被绿化的基质土层；
封场盖层与基质土层之间设有导流排水层，该导流排水层包括竖向依次叠加铺设的粘土防渗层、HDPE膜、土工布和粗砂层，导流排水层铺设在封场盖层上且覆盖矿坑，所述的粗砂层上设有位于封场盖层边沿且允许水流进入的排水盲沟；
抗渗阻隔材料制备方法步骤如下：
1）以重量百分比计，按粉煤灰60-85%、高炉渣0-25%、硅酸盐水泥0-10%、脱硫石膏5-15%、激发剂5-20%、辅助材料0-5%分别称量各原料；原料混合均匀后得到胶凝材料粉体；
2）按水和胶凝材料粉体0.20-0.35的重量比计量水，分别将胶凝材料粉体和水倒入搅拌机混合得到抗渗料，将抗渗料浇注在基础层的底部和边缘，按“Z”字型顺序进行浇筑，浇注厚度为25-40cm，浇筑完毕后进行振捣；
3）浇筑后第12h-18h开始养护，采用洒水自然养护，养护持续28-38天，得到抗渗阻隔材料；
激发剂包括生石灰、氢氧化钠中的一种或两种；辅助材料为膨润土、沸石中的一种或两种；
原料的粒度≤200目；
材料浇筑时施工现场温度大于5℃，养护时采用蓬布或塑料布对材料表面进行覆盖。
2.根据权利要求1所述的固废基新型环保耐久抗渗防渗结构，其特征是：所述的基础层为人工平整矿坑后用打夯机械压实矿坑表面后形成，基础层压实系数为0.85-1.0。
3.根据权利要求1所述的固废基新型环保耐久抗渗防渗结构，其特征是：在所述矿坑底部、基础层下方设有地下水收集流道；所述矿坑的四周边坡也设有基础层。
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