CN110105016A - 用于离子稀土矿污染场地的阻隔墙材料及其应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于离子稀土矿污染场地的阻隔墙材料及其应用方法，其中阻隔墙材料按照质量比包括水泥80～100份，硅粉20～30份，原位覆盖层土壤200～240份，水240～400份。该阻隔墙材料包括原位覆盖层土壤、水泥和硅粉，制备得到复合材料有好的竖向阻隔工程屏障的防渗性能，延长了使用寿命，降低了工程成本。本发明减少了离子稀土矿开采后的母液的渗漏，避免了对环境造成污染，进而实现了矿山生态环境和地下水资源的恢复，保护了生态环境。

Description

用于离子稀土矿污染场地的阻隔墙材料及其应用方法
技术领域
本发明涉及污染场地隔离控制技术领域，具体涉及一种用于离子稀土矿污染场地的阻隔墙材料及其应用方法。
背景技术
离子稀土矿原地浸析采矿是在不剥离表土层的前提下，通过开挖注液洞(井)，将硫酸铵等浸矿剂溶液注入，使其在通过矿层时与黏土矿物表面接触而将稀土离子交换浸出的技术。但是，大部分原地浸矿采场收液系统不完善，未采取综合收液系统，如有的原地浸矿采场基本采用山脚收液沟进行收集，母液收集率不高，浸矿液流失较严重，原地浸矿采场下游溪流水中稀土含量较高，氨氮含量较高，溪流水中稀土含量可达到0.02g/L左右，流域溪流水中氨氮浓度100mg/L左右。浸矿母液流失不仅造成稀土资源流失，而且浸矿母液通过地下水进入地表水体，造成地下水和地表水氨氮超标，造成水体污染。
由于土壤和地下水污染存在隐蔽性、滞后性、积累性的特点，且难以通过自净修复，而人工治理由于地质条件、环境因素及经济因素等条件的限制，往往难以达到预期的修复效果。竖向隔离屏障虽然不能直接消除污染源，但作为一种施工简便、造价低廉且防渗效果出众的污染场地控制隔离技术，可有效限制污染物的迁移，消除污染场地对周边环境的不利影响。除此之外，竖向隔离屏障技术还可以为人类寻求彻底、高效而经济的污染修复技术提供充分时间保障。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于离子稀土矿污染场地的阻隔墙材料及其应用方法，解决目前的阻隔墙材料截污能力差，防渗透性能低的问题。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种用于离子稀土矿污染场地的阻隔墙材料，按照重量份数，包括水泥80～100份，硅粉20～30份，原位覆盖层土壤200～240份，水240～400份。
阻隔墙材料制备工艺流程：
在原位覆盖层土壤挖取出，分出土壤中较大石块，在泥浆储备池中按比例与水混合均匀制备为土壤浆液，再按照比例将水泥和硅粉加入其中混合均匀制备成阻隔墙材料。在本制备过程中，只需在较低的温度中进行，可在3℃-8℃下进行材料制备，由于本材料主要应用于海拔较高、温度较低的地方，制备成墙后其具备良好的强度及渗透性能。并且能简化搅拌工艺流程，只需在泥浆制备完成后再加入硅粉和水泥搅拌，利用注浆设备将阻隔墙材料回填至挖好的沟槽，在3天后便可以使该阻隔墙具有一定的硬度和强度，在7d后便可以使该阻隔墙具有良好的硬度和强度；水泥为材料提高墙体的强度，硅粉颗粒易于填充于水泥颗粒之间，提高墙体材料的密度，原位覆盖层土壤可提高墙体的防渗性能。
作为优选，所述原位覆盖层土壤为取用原污染场地的表层未被污染的土壤的黏土层，使用原位覆盖层土壤可减少工程成本。
作为优选，所述硅粉中SiO2的含量大于90％。
作为优选，所述硅粉中，粒度小于1μm硅粉的占80％以上，平均粒径0.1～0.3μm，比表面积20～28m2/g。
所述硅粉直接取自冶炼工业副产尾灰，其中SiO2所占的质量百分比为≥90％，粒径为d90≤1μm。硅粉对混凝土性能提高的作用机理主要为细小的球状硅粉颗粒易于填充于水泥颗粒之间，使水泥石的密度提高；而硅粉和Ca(OH)2之间的反应增加了水泥石中的C-S-H凝胶体积，降低了空隙总体积，并促进了水泥的水化反应，且硅粉作为一种固废可降低工程成本，并提高防渗性能。
作为优选，所述水泥为32.5R强度等级的早强型矿渣硅酸盐水泥，具有如下指标：密度3.0～3.15g/cm3；初凝1.5～3.0h；终凝4.5～6.5h。能够减少该材料体系的初终凝时间并提高阻隔墙的强度。
水采用无明显化学污染的灌溉水或饮用水。
上述用于离子稀土矿污染场地的阻隔墙材料的应用方法，包括以下步骤：
(1)开槽：在阻隔范围内开挖沟槽，开槽的过程中采用泥浆固壁；根据前期调差污染范围选取开挖位置、深度与长度，在阻隔范围内开挖沟槽，挖至地下基岩层，利用基岩的弱透水性减少工程量节约成本，垂直开槽以防止沟槽坍塌及变形，且减少开槽的过程中采用泥浆固壁以维持孔壁直立。
(2)配置阻隔材料：按照质量比例取各组分配置阻隔材料；在原位覆盖层土壤挖取出，分出土壤中较大石块，将土块进行破碎后在泥浆储备池中按比例与水混合均匀制备为土壤浆液，再按照比例将水泥和硅粉加入其中混合均匀制备成阻隔墙材料，利用原位覆盖层土壤及开挖出的土壤可以减少成本，并且提高了防渗性能。
(3)注浆回填：将阻隔材料加入到沟槽中至填满整个沟槽；回填料拌和前需要通过坍落度试验控制其初始含水率，一般要求拌和料的坍落度为100～150mm，使回填料同时兼具流动性和黏滞性，从而保证墙体的整体均一性将阻隔材料加入到沟槽，采用注浆泵送的方式将制备的浆液填满整个沟槽，可减少工程量及成本。
(4)成墙：注射到沟槽内的阻隔材料固结，形成阻隔墙。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明的阻隔墙材料制备方法简单，具有良好的化学相容性，在高污染液作用下仍然可维持低渗透性，并对有机物污染具有一定的截污能力，大大提高了阻隔墙的防渗透性能及强度和硬度，延长了使用寿命，降低了工程成本。
(2)本发明的竖向阻隔墙，硅粉对该复合材料性能提高的作用机理主要为细小的球状硅粉颗粒易于填充于水泥颗粒之间，使水泥石的密度提高，可以有效充填阻隔墙内部的空隙，进一步降低防渗墙的渗透系数，提高抗渗能力。
(3)本发明的竖向阻隔墙，加入水泥增加阻隔墙各组分间的粘结力和抗裂抗收缩性能，提高抗渗能力和抗压强度。
(4)本发明的竖向阻隔墙，在材料制备过程中，只需在较低的温度中进行，可在3℃-8℃下进行材料制备，且同样能够使其具备良好的强度及渗透性能。并且能简化搅拌工艺流程，只需在泥浆制备完成后再加入硅粉和水泥搅拌，利用注浆设备将阻隔墙材料回填至挖好的沟槽，在3d后便可以使该阻隔墙具有一定的硬度和强度，在7d后便可以使该阻隔墙具有良好的硬度和强度。
(5)本发明的竖向阻隔墙，墙体渗透系数及抗压强度达到了《污染地块风险管控技术指南》中一般其渗透性为1E-06cm/s，UCS强度为1379kPa。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
以下实施例中各原料的来源列于下表。
实施例1
本实施例原位覆盖层/硅粉/水泥复合阻隔材料原料配比为：
原料 配比
原位覆盖层土壤 200重量份
硅粉 20重量份
硅酸盐水泥 80重量份
水(8℃) 240重量份
(1)开槽：在阻隔范围内开挖沟槽，开槽的过程中采用泥浆固壁以维持孔壁直立，防止沟槽坍塌；
(2)配制阻隔材料：原位覆盖层土壤称取200重量份、硅粉20重量份、硅酸盐水泥80重量份、水240重量份；
(3)注浆回填：将阻隔材料加入到沟槽，至填满整个沟槽；
(4)成墙：注射到沟槽内的阻隔材料固结，形成阻隔墙。
本实施例获得的原位覆盖层/硅粉/水泥复合阻隔材料技术指标如下
性能 指标
渗透系数K(cm/s) 1.67×10<sup>-7</sup>
7d无侧限抗压强度(Kpa) 149.35
28d无侧限抗压强度(Kpa) 397.26
实施例2
本实施例原位覆盖层/硅粉/水泥复合阻隔材料原料配比为：
(1)开槽：在阻隔范围内开挖沟槽，开槽的过程中采用泥浆固壁以维持孔壁直立，防止沟槽坍塌；
(2)配制阻隔材料：原位覆盖层土壤称取200重量份、硅粉30重量份、硅酸盐水泥100重量份、水350重量份；
(3)注浆回填：将阻隔材料加入到沟槽，至填满整个沟槽；
(4)成墙：注射到沟槽内的阻隔材料固结，形成阻隔墙。
本实施例获得的原位覆盖层/硅粉/水泥复合阻隔材料技术指标如下
性能 指标
渗透系数K(cm/s) 1.27×10<sup>-7</sup>
7d无侧限抗压强度(Kpa) 212.54
28d无侧限抗压强度(Kpa) 493.13
实施例3
本实施例原位覆盖层/硅粉/水泥复合阻隔材料原料配比为：
原料 配比
原位覆盖层土壤 240重量份
硅粉 20重量份
硅酸盐水泥 80重量份
水(5℃) 280重量份
(1)开槽：在阻隔范围内开挖沟槽，开槽的过程中采用泥浆固壁以维持孔壁直立，防止沟槽坍塌；
(2)配制阻隔材料：原位覆盖层土壤称取240重量份、硅粉20重量份、硅酸盐水泥80重量份、水350重量份；
(3)注浆回填：将阻隔材料加入到沟槽，至填满整个沟槽；
(4)成墙：注射到沟槽内的阻隔材料固结，形成阻隔墙。
本实施例获得的原位覆盖层/硅粉/水泥复合阻隔材料技术指标如下
性能 指标
渗透系数K(cm/s) 1.53×10<sup>-7</sup>
7d无侧限抗压强度(Kpa) 189.80
28d无侧限抗压强度(Kpa) 466.23
实施例4
本实施例原位覆盖层/硅粉/水泥复合阻隔材料原料配比为：
原料 配比
原位覆盖层土壤 240重量份
硅粉 30重量份
硅酸盐水泥 100重量份
水(8℃) 400重量份
(1)开槽：在阻隔范围内开挖沟槽，开槽的过程中采用泥浆固壁以维持孔壁直立，防止沟槽坍塌；
(2)配制阻隔材料：原位覆盖层土壤称取240重量份、硅粉30重量份、硅酸盐水泥100重量份、水400重量份；
(3)注浆回填：将阻隔材料加入到沟槽，至填满整个沟槽；
(4)成墙：注射到沟槽内的阻隔材料固结，形成阻隔墙。
本实施例获得的原位覆盖层/硅粉/水泥复合阻隔材料技术指标如下
实施例5
本实施例原位覆盖层/硅粉/水泥复合阻隔材料原料配比为：
原料 配比
原位覆盖层土壤 220重量份
硅粉 25重量份
硅酸盐水泥 90重量份
水(5℃) 340重量份
(1)开槽：在阻隔范围内开挖沟槽，开槽的过程中采用泥浆固壁以维持孔壁直立，防止沟槽坍塌；
(2)配制阻隔材料：原位覆盖层土壤称取220重量份、硅粉25重量份、硅酸盐水泥90重量份、水340重量份；
(3)注浆回填：将阻隔材料加入到沟槽，至填满整个沟槽；
(4)成墙：注射到沟槽内的阻隔材料固结，形成阻隔墙。
本实施例获得的原位覆盖层/硅粉/水泥复合阻隔材料技术指标如下
性能 指标
渗透系数K(cm/s) 1.17×10<sup>-7</sup>
7d无侧限抗压强度(Kpa) 202.71
28d无侧限抗压强度(Kpa) 420.67
实施例6
本实施例原位覆盖层/硅粉/水泥复合阻隔材料原料配比为：
(1)开槽：在阻隔范围内开挖沟槽，开槽的过程中采用泥浆固壁以维持孔壁直立，防止沟槽坍塌；
(2)配制阻隔材料：原位覆盖层土壤称取220重量份、硅粉20重量份、硅酸盐水泥100重量份、水320重量份；
(3)注浆回填：将阻隔材料加入到沟槽，至填满整个沟槽；
(4)成墙：注射到沟槽内的阻隔材料固结，形成阻隔墙。
本实施例获得的原位覆盖层/硅粉/水泥复合阻隔材料技术指标如下
性能 指标
渗透系数K(cm/s) 1.01×10<sup>-7</sup>
7d无侧限抗压强度(Kpa) 251.71
28d无侧限抗压强度(Kpa) 530.12
本发明通过原位覆盖层-硅粉-水泥阻隔材料，具有强度高、渗透系数低、性能可靠、稳定性好的特点，所得实施例的渗透系数均满足k≤10-7m/s技术要求，优于现有粘土防渗墙的渗透系数，可作为离子稀土矿污染场地竖向阻隔墙；其中实施例6的抗压强度最高，实施例4的渗透系数最低，防渗性能最佳，实施例1的抗压强度和渗透系数均最差。
对比实施例1、3和2、4可得随原位覆盖层土壤的增多，渗透系数减小，说明土壤作为材料中的主要成分对渗透性能起主要作用，原位覆盖层土壤能够提高阻隔墙的防渗性能。对比实施例1、2和3、4可得，随着硅灰和水泥量增多，渗透系数减小，抗压强度增大，说明硅灰和水泥的协同作用使材料防渗性能增大，硅粉易于填充于水泥颗粒之间，使水泥石的密度提高，可以有效充填阻隔墙内部的空隙，进一步降低防渗墙的渗透系数，提高抗渗能力。实施例1-6的渗透系数和抗压强度达到《污染地块风险管控技术指南》要求，渗透系数为1E-06cm/s抗压强度1379kPa。
各实施例在3℃-8℃条件下都能使渗透系数和抗压强度达到《污染地块风险管控技术指南》要求。
在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、“优选实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。
尽管这里参照本发明的多个解释性实施例对本发明进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变形和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (6)

1.一种用于离子稀土矿污染场地的阻隔墙材料，其特征在于：按照重量份数，包括水泥80～100份，硅粉20～30份，原位覆盖层土壤200～240份，水240～400份。
2.根据权利要求1所述的用于离子稀土矿污染场地的阻隔墙材料，其特征在于：所述原位覆盖层土壤为取用原污染场地的表层未被污染的土壤。
3.根据权利要求1所述的用于离子稀土矿污染场地的阻隔墙材料，其特征在于：所述硅粉中SiO2的含量大于90％。
4.根据权利要求1所述的用于离子稀土矿污染场地的阻隔墙材料，其特征在于：所述硅粉中，粒度小于1μm硅粉的占80％以上，平均粒径0.1～0.3μm，比表面积20～28m2/g。
5.根据权利要求1所述的用于离子稀土矿污染场地的阻隔墙材料，其特征在于：所述水泥为32.5R强度等级的早强型矿渣硅酸盐水泥，具有如下指标：密度3.0～3.15g/cm3；初凝1.5～3.0h；终凝4.5～6.5h。
6.权利要求1～5所述的用于离子稀土矿污染场地的阻隔墙材料的应用方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)开槽：在阻隔范围内开挖沟槽，开槽的过程中采用泥浆固壁；
(2)配置阻隔材料：按照质量比例取各组分配置阻隔材料；
(3)注浆回填：将阻隔材料加入到沟槽中至填满整个沟槽；
(4)成墙：注射到沟槽内的阻隔材料固结，形成阻隔墙。
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