CN112723833B - 一种基于煤基固废的双重防渗方法 - Google Patents

一种基于煤基固废的双重防渗方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及矿山生态修复治理技术领域，具体涉及一种采用煤基固废用于露天矿坑、沟壑等填充的双重防渗方法，粉煤灰基胶凝材料中粉煤灰在与其他组分协同反应中使粉煤灰中的少量重金属、Hg、As及S等有害物质以“参与成键、固化封存”的形式得到稳定固定，胶凝材料内部结构密实防渗，为坑底形成一层硬质保护壳；在胶凝材料表面的聚合物防水涂料中粉煤灰添加量占粉料的60％‑90％，是一种柔性的保护膜，根据胶体界面化学原理，水泥水化反应时释放出Ca2+，水解后的乳液在Ca2+为桥联作用下，与粉煤灰表面基团进行反应生成以[R‑COO‑]Ca2+[‑Si‑O‑]为单元结构的有机‑无机胶凝产物，形成界面相容、均匀致密的防水涂层，对底层胶凝材料的细小裂缝修护，渗透系数小，防止渗滤液下渗。

Description

一种基于煤基固废的双重防渗方法
技术领域
本发明涉及矿山生态修复治理技术领域，具体涉及一种采用煤基固废用于露天矿坑、沟壑等填充的双重防渗方法。
背景技术
目前，采矿废弃物煤矸石、矿渣尾渣、建筑垃圾等常被用作填充物回填天然沟壑、采矿矿坑等。但煤矸石中含有微量重金属，如Cd、Pb、Ni、Zn、Cr、Cu等，不同采矿矿渣尾渣中也有不同的重金属。随着长期雨水淋溶，其中的重金属会随着雨水迁移、累积，对地下水及周边土地造成污染。
国外有的矿坑在废渣填充前对坑沟底部进行平整，预先铺设土工膜防止渗滤淋溶液渗漏。但土工膜成本较高，且机械强度有限，在后续回填过程中较大废渣块易将土工膜破损，造成渗漏点，另外土工膜易老化而失效，从而使污染物向地下环境扩散。
因此，急需开发一种高效廉价的防渗的方法，为废渣安全用于回填露天矿坑或沟壑提供有力的技术支撑。
发明内容
为了克服现有防渗技术的不足，本发明提出一种基于固废材料的双重防渗方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于煤基固废的双重防渗方法，具体包括以下步骤：将矿坑或沟壑平整，铺设粉煤灰基胶凝材料，压实；待固化后在其表面喷涂一层聚合物防水涂料，待完全固化后形成双重防渗的保护结构。
进一步地，所述粉煤灰基胶凝材料厚度5-10cm。
进一步地，所述粉煤灰基胶凝材料由粉煤灰、超细灰、水泥、水例混合制备；所述的粉煤灰：超细灰：水泥质量比为(6-8):(1-2):1，水灰比为(2-3):10。
进一步地，所述粉煤灰为煤粉炉粉煤灰或循环流化床锅炉粉煤灰；所述超细灰为经超细粉碎后的粉煤灰，粒径为5-10μm；所述水泥是普通硅酸盐或矿渣硅酸盐。
进一步地，所述聚合物防水涂料厚度2-3mm。
进一步地，所述聚合物防水涂料由粉煤灰、水泥、乳液混合制成有机无机复合涂料；所述的粉煤灰掺量占粉体填料的60％-90％；乳液与粉体填料的比例为0.1-0.3。
进一步地，所述的乳液为苯丙乳液和/或丙烯酸乳液。
进一步地，所述聚合物防水涂料具体制备方法如下：将粉煤灰和水泥混匀即为粉料，将乳液加水低速搅匀，加入粉料，匀速搅拌15min后即得聚合物防水涂料。
本发明与现有技术相比所具有的有益效果为：
本发明提供了一种基于煤基固废的双重防渗方法，粉煤灰基胶凝材料中使用粉煤灰约90％，在与其他组分协同反应中使粉煤灰中的少量重金属、Hg、As及S等有害物质以“参与成键、固化封存”的形式得到稳定固定，胶凝材料内部结构密实防渗，为坑底形成一层硬质保护壳；在胶凝材料表面的聚合物防水涂料中粉煤灰添加量占粉料的60％-90％，是一种柔性的保护膜，根据胶体界面化学原理，水泥水化反应时释放出Ca2+，水解后的乳液在Ca2+为桥联作用下，与粉煤灰表面基团进行反应生成以[R-COO-]Ca2+[-Si-O-]为单元结构的有机-无机胶凝产物，形成界面相容、均匀致密的防水涂层，能对底层胶凝材料的细小裂缝起到修护，这样的双重防渗结构渗透系数小，有效防止渗滤液下渗。本发明固废材料循环流化床锅炉粉煤灰中的游离氧化钙含量偏高，后期会有一定程度的膨胀，在本发明基础上对矿坑或沟壑进行填充后，填充物使胶凝材料的膨胀受到限制，从而使胶凝材料结构更紧密，防渗效果更好。本发明的双重防渗法采用固废为主要原料，以废治废，变废为宝；防渗效果与铺膜法相当，耐候性、抗老化性更高，且处置综合费用大约降低15-30％。
附图说明
图1为双重防渗结构示意图；
图2为实施例3的涂层内部结构SEM图；
图3为实施例3的不透水测试仪测试30分钟后样品表面照片；
图4为实施例3的涂层内部结构SEM图；
图5为实施例4的不透水测试仪测试30分钟后样品表面照片。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于煤基固废的双重防渗方法，具体包括以下步骤：将矿坑或沟壑平整，铺设粉煤灰基胶凝材料，压实；待固化后在其表面喷涂一层聚合物防水涂料，待完全固化后形成双重防渗的保护结构。双重防渗结构如图1所示。
在本实施例中，所述粉煤灰基胶凝材料厚度5-10cm。所述粉煤灰基胶凝材料由粉煤灰、超细灰、水泥、水例混合制备；所述的粉煤灰：超细灰：水泥质量比为(6-8):(1-2):1，水灰比为(2-3):10。所述粉煤灰为煤粉炉粉煤灰或循环流化床锅炉粉煤灰；所述超细灰为经超细粉碎后的粉煤灰，粒径为510μm；所述水泥是普通硅酸盐或矿渣硅酸盐。
在本实施例中，所述聚合物防水涂料厚度2-3mm。所述聚合物防水涂料由粉煤灰、水泥、乳液、混合制成有机无机复合涂料；所述的粉煤灰掺量占粉体填料的60％-90％；乳液与粉体填料的比例为0.1-0.3。所述的乳液为苯丙乳液和/或丙烯酸乳液。所述聚合物防水涂料具体制备方法如下：将粉煤灰和水泥混匀即为粉料，将乳液加水低速搅匀，加入粉料，匀速搅拌15min后即得聚合物防水涂料。
实施例1
粉煤灰基胶凝材料
将循环流化床锅炉粉煤灰70kg、粒径为5-10μm后的循环流化床锅炉粉煤灰20kg和标号为32.5的矿渣硅酸盐水泥10kg混合均匀，加水22kg继续搅拌均匀，即得粉煤灰基胶凝材料。固化后，通过机械强度测试仪测得1天抗压强度为3.8MPa，3天抗压强度为8.5MPa，7天抗压强度为21.6MPa。
实施例2
粉煤灰基胶凝材料
将循环流化床锅炉粉煤灰80kg、粒径为5-10μm后的循环流化床锅炉粉煤灰10kg和标号为32.5的普通硅酸盐水泥10kg混合均匀，加水25kg继续搅拌均匀，即得粉煤灰基胶凝材料。固化后，通过机械强度测试仪测得1天抗压强度为3.4MPa，3天抗压强度为8.3MPa，7天抗压强度为20.3MPa。
实施例3
聚合物防水涂料
将粒径为5-10μm的循环流化床锅炉粉煤灰60kg和标号为32.5的矿渣硅酸盐水泥40kg混匀即为粉料，将S400F型苯丙乳液30kg和水40kg低速搅拌2min后，加入预先混匀的粉料，继续以600r/min的转速匀速搅拌15min后即得聚合物防水涂料。将其倾倒至
Figure BDA0002921930160000031
圆形模框中制样，自然养护7天后，样品厚为2.8mm。涂层断面如图2所示，内部无孔洞，结构致密结实。采用不透水测试仪测试30分钟后不透水，试验后涂层如图3所示，表面仍然致密，无明显孔洞。
实施例4
聚合物防水涂料
将粒径为5-10μm的循环流化床锅炉粉煤灰80kg和标号为32.5的矿渣硅酸盐水泥20kg混匀即为粉料，将丙烯酸乳液20kg和水50kg低速搅拌2min后，加入预先混匀的粉料，继续以600r/min的转速匀速搅拌15min后即得聚合物防水涂料。将其倾倒至
Figure BDA0002921930160000032
圆形模框中制样，自然养护7天后，样品厚为2.6mm。涂层断面如图4所示，内部结构紧实，无明显孔洞。采用不透水测试仪测试30分钟后不透水，试验后涂层如图5所示，表面有细微孔洞，但很浅不透。
实施例5
在模拟土层上铺设约6cm厚的实施例1的粉煤灰基胶凝材料，压实，待固化后，在其表面喷一层约2.5mm实施例3的聚合物防水涂料，形成“胶凝固化+涂膜阻断”的双重防渗结构，经检测，该结构的渗透系数为1.7×10-10m/s，可有效阻断滤液向地下环境渗漏。
其成本核算如表1所示，粉煤灰基胶凝材料费用2.59元/m2，聚合物防水涂料材料费用6.42元/m2，加上前期坑底简单平整、铺设、压实、喷涂等施工费、人工费约16元/m2，折合本发明双重防渗方法的实施费用约25.0元/m2。
常规铺膜防渗时采用0.5-0.75mm厚的高密度聚乙烯防渗膜，材料费用10-15元/m3，铺膜前坑底需要进行精细平整，铺覆厚层黄土(黄土40元/m3)，加上施工费、人工费等，铺膜防渗法的综合费用约30元/m3。
本发明比铺膜法成本降低16.7％以上。
表1实施例5的成本核算表
Figure BDA0002921930160000041
实施例6
在模拟土层上铺设约6cm厚的实施例2的粉煤灰基胶凝材料，压实，待固化后，在其表面喷一层约2.5mm实施例4的聚合物防水涂料，形成“胶凝固化+涂膜阻断”的双重防渗结构，经检测，该结构的渗透系数为6.3×10-10m/s，可有效阻断滤液向地下环境渗漏。
其成本核算如表2所示，粉煤灰基胶凝材料费用2.09元/平米，聚合物防水涂料材料费用4.31元/m2，加上前期坑底简单平整、铺设、压实、喷涂等施工费、人工费约16元/m2，折合本发明双重防渗方法的实施费用约22.40元/m2。常规铺膜防渗法的综合费用约30元/m3，本发明比铺膜法成本降低25.3％。
表2实施例6的成本核算表
Figure BDA0002921930160000051
在本实施例中，完成双重防渗结构后，即可继续进行填充、复垦、绿化或建设等工序。
上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于煤基固废的双重防渗方法，其特征在于，具体包括以下步骤：将矿坑或沟壑平整，铺设粉煤灰基胶凝材料，压实；待固化后在其表面喷涂一层聚合物防水涂料，待完全固化后形成双重防渗的保护结构；
所述粉煤灰基胶凝材料由粉煤灰、超细灰、水泥、水混合制备；所述的粉煤灰：超细灰：水泥质量比为(6-8):(1-2):1，水固比为(2-3):10；
所述聚合物防水涂料由粉煤灰、水泥、乳液和水混合制备；所述的粉煤灰掺量占粉体填料的60%-90%；乳液与粉体填料的比例为0.1-0.3，所述的乳液为苯丙乳液和/或丙烯酸乳液。
2.根据权利要求1所述的一种基于煤基固废的双重防渗方法，其特征在于：所述粉煤灰基胶凝材料厚度5-10cm。
3.根据权利要求1所述的一种基于煤基固废的双重防渗方法，其特征在于：所述粉煤灰为煤粉炉粉煤灰或循环流化床锅炉粉煤灰；所述超细灰为经超细粉碎后的粉煤灰，粒径为5-10μm；所述水泥是普通硅酸盐或矿渣硅酸盐。
4.根据权利要求1所述的一种基于煤基固废的双重防渗方法，其特征在于：所述聚合物防水涂料厚度2-3mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于煤基固废的双重防渗方法，其特征在于：所述聚合物防水涂料具体制备方法如下：将粉煤灰和水泥混匀即为粉料，将乳液加水低速搅匀，加入粉料，匀速搅拌15min后即得聚合物防水涂料。
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