摘要：為驗證混合固化劑溶液對治理贛南離子型廢棄礦區(qū)土壤水土流失的可行性，以治理贛南離子型稀土廢棄礦區(qū)為例，利用重塑后的廢棄礦區(qū)土樣和水性聚氨酯及膨潤土2種固化劑，設計10組不同質量配比的土壤固化劑試驗土樣，進行室內直剪試驗、掃描電鏡試驗、土體抗崩解試驗。試驗結果表明：水性聚氨酯與土顆粒可形成網膜狀結構，對土樣黏聚力的提高作用非常明顯，膨潤土顆粒細小易流動，能有效填充土顆粒間的孔隙，增強土顆粒間摩擦，且膨潤土顆粒的填充對土樣內摩擦角的增大效果顯著。兩者混合使用時所產生的固化效果不會相互影響，且土體的抗剪強度明顯高于使用單一固化劑的土樣，在水中的抗崩解能力也優(yōu)于單一固化劑的土樣。綜合可得，混合土壤固化劑溶液對于治理贛南離子型廢棄礦區(qū)是可行的。

關鍵詞：水性聚氨酯； 膨潤土； 直剪試驗； 掃描電鏡試驗； 土體抗崩解試驗； 贛南離子型廢棄礦區(qū)

中圖法分類號：TU472

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.12.019

文章編號：1006-0081（2024）12-0113-07

0 引 言

中國豐富的稀土資源為多方面應用提供了良好的物質基礎［1］。贛南作為南方離子型稀土礦的主要產區(qū)及發(fā)現(xiàn)地，礦點分布較密集，全區(qū)八十多個礦點的儲量占全國離子型稀土儲量近30%［2］。

離子型稀土開采工藝從最初的池浸、堆浸到現(xiàn)在的原地浸礦［3］，贛南地區(qū)在經歷幾十年的傳統(tǒng)工藝開采之后，廢棄的離子型稀土礦區(qū)因長時間且大量的土壤搬運導致地面沉陷、開裂以及礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)遭受嚴重破壞。嚴重的水土流失進一步加劇了坡體在雨水作用下發(fā)生滑坡、崩塌等地質災害的風險，這些現(xiàn)存環(huán)境問題急需解決。

在治理廢棄的離子型稀土礦區(qū)時，如何有效地提高廢棄場地土壤強度是面臨的棘手問題［4］。修復廢棄礦區(qū)的生態(tài)時，首先需要恢復場地植被情況［5-6］，因為植物的根系在土壤中可以加強土壤強度，并且有效減少水土流失。但因被浸礦液浸泡過的土體松散，植物直接種植無法存活，因此，在治理前期需先恢復土體固土的能力，使得土體結構不再松散，最常見的是在土壤中加入土壤固化劑。土壤固化劑由有機材料和無機材料制備，是一種對土壤環(huán)境和植物生長均無害的黏合劑，可用來改善土壤強度，提高土體穩(wěn)定性［7-8］。

關于國內對土壤固化劑的研究利用，姚愛超等［9］使用韓國N-soil固化劑做了大量室內試驗，并與國產GS固化劑效果進行對比，發(fā)現(xiàn)其水穩(wěn)定性更優(yōu)，非浸水無側限抗壓強度是GS固化劑強度的1.7倍，對無側限抗壓強度和水穩(wěn)定性具有明顯的提高作用。陳明明等［10］以無側限抗壓強度為評價指標，研究YES等3種離子型土壤固化劑適宜配合比，使得土體整體結構更為密實，提高土體抗壓強度。姜瑜等［11］研究防膨型土壤固化劑的最佳配合比，以固化土自由膨脹率為指標，結果表明：其最佳配合比在試驗路基固化土壓實度可達92%～96%，彎沉平均值為104.5 mm，無側限抗壓強度為2.26 MPa，水穩(wěn)定系數為84.1%，改善了其路用性能。閻敬［12］提出了一種新的環(huán)保MBER土壤固化劑，可增強土體強度并解決水土流失地區(qū)坡溝防護中的材料選用問題，實現(xiàn)了坡溝防護工程的性能材料就地選取和標準化流程施工。以上研究為本文研究混合土壤固化劑對廢棄礦區(qū)的治理效果提供了理論支撐。

本文通過直剪試驗，研究不同質量配比的混合固化劑對廢棄礦區(qū)土樣的加固效果，并利用掃描電鏡觀測固化劑對土樣微觀結構產生的變化，從微觀角度來驗證混合固化劑的加固效果，最后通過土體的抗崩解試驗研究不同質量配比的混合固化劑對土樣抗崩解能力的影響，驗證混合固化劑溶液對治理贛南離子廢棄礦區(qū)土壤水土流失問題的可行性。

1 試驗材料

1.1 贛南離子型稀土廢棄礦區(qū)土樣

從江西省贛州市定南縣廢棄離子型礦區(qū)取得原狀土樣，并由贛南地質工程院對其基本物理性質進行檢測［13］，如表1所示。

將部分廢棄礦區(qū)土樣送至試驗烘箱，控制溫度105 ℃持續(xù)8 h烘干，烘干結束后取500 g冷卻烘干土按照篩分法進行土壤粒徑分布測試。利用土壤篩分結果繪制土顆粒級配曲線如圖1所示。

通過土顆粒級配曲線，可以確定顆粒級配的不均勻系數Cu及曲率系數Cc，從而判斷出土樣的級配優(yōu)良情況，一般通過式（1），（2）來計算不均勻系數和曲率系數［14］。

不均勻系數：

曲率系數：

式中：d10為有效粒徑，mm，表示小于該粒徑土顆粒的質量占土顆?？傎|量的10%；d30為中值粒徑，mm，表示小于該粒徑土顆粒的質量占土顆?？傎|量的30%；d60為控制粒徑，mm，表示小于該粒徑土顆粒的質量占土顆?？傎|量的60%。

不均勻系數Cu越大，說明顆粒之間的大小相差越明顯，土顆粒越不均勻，級配越好。當Cugt;5時，該土稱為不均勻土，反之為均勻土。Cc為該曲線的曲率系數，反映的是各粒組之間含量的分布情況，當Cc的范圍是1～3，級配連續(xù)，反之不連續(xù)。從工程的觀點看，同時滿足土的級配不均勻（Cu≥5）且級配曲線連續(xù)（Cc=1～3）的土，稱為級配良好的土，若不能同時滿足上述條件則判定為級配不良的土［15］。通過公式計算該土樣Cu≈4.51，Cc≈0.98，不能同時滿足上述條件，所以該土樣判定為級配不良的土。

1.2 土壤固化劑

1.2.1 水性聚氨酯

水性聚氨酯是聚氨酯類材料的一種，該材料是以水作為分散介質代替有機溶劑形成的新型聚氨酯體系［16］。在常溫下就可結膜，方便使用，固化后有較強的彈性、韌性、耐磨性［17］。

1.2.2 膨潤土

膨潤土又名斑脫巖、膨土巖，是一種主要由蒙脫石組成的黏土巖［18］。其與水溶解度不高，與水混合后會形成類似泥漿的樣子并發(fā)生膨脹。膨潤土用手指觸摸光滑，加適量水體積膨脹后有一定的黏性，具有良好的黏結性和膨脹性，常作為黏結劑和填充劑被人們廣泛使用［19-20］。其化學成分如表2所示。

2 直剪試驗

直剪試驗指通過直接剪切儀（以下簡稱“直剪儀”）對土樣進行剪切試驗，從而測定土體的黏聚力與內摩擦角指標的一種試驗方法。

2.1 試驗方案

為了避免重塑土樣中因顆粒粒徑相差較大而導致試驗結果不準確，將烘干后的土顆粒進行篩分。通過粒徑篩分試驗可知2 mm及以下的顆粒占土體91.04%，只保留大小在2 mm及以下的土顆粒能有效避免粒徑所帶來的影響。通過贛南地質工程院的檢測結果可知，該礦區(qū)土壤含水率為16.98%。為對比混合固化劑溶液和單一固化劑對該離子型廢棄礦區(qū)土壤的影響，將控制每個土樣的含水率為16.98%，每個土樣的干土質量為80.2 g。

按照每組試驗中所需的水性聚氨酯和膨潤土進行稱量后，將水性聚氨酯與水充分混合并加入碳酸氫鈉以及膨潤土，迅速攪拌，制成標準的混合溶液。將混合溶液倒入干土中進行充分攪拌使其均勻，最后將混合土樣放入土樣制備器中制備環(huán)刀土樣。環(huán)刀土樣在相同室內環(huán)境下養(yǎng)護3 d后進行直剪快剪試驗。添加少量的碳酸氫鈉一方面可調節(jié)混合溶液的pH值，另一方面可以加速膨潤土溶解使其渙散成漿。直剪試驗數據由ZJ型應變控制式直剪儀自動采集得出，試驗土體強度結果見表3。

2.2 試驗結果分析

根據表3中試驗1～3可知，單獨加入水性聚氨酯和膨潤土時，土樣的黏聚力和內摩擦角都有明顯提高，添加膨潤土時對土樣的內摩擦角大小增加更明顯，添加水性聚氨酯時對土樣的黏聚力大小增加更明顯（圖2）。試驗7土樣的黏聚力為37.2 kPa、內摩擦角為32.7°，綜合試驗組數據發(fā)現(xiàn)1∶10∶10∶100組的質量配比試驗對土樣的固化效果最優(yōu)。

將試驗5～7作為對比組，如圖3所示。發(fā)現(xiàn)當水性聚氨酯和膨潤土混合加入時，土樣的黏聚力和內摩擦角對比于加入單一固化劑的土樣有了更顯著的提升，說明將兩種固化劑混合后加入土樣對于土體強度的提升更為顯著。對比試驗9和試驗10兩組直剪試驗數據可以發(fā)現(xiàn)，并不是固化劑濃度越高，土體強度就越強。當固化劑濃度太高，土樣的黏聚力和內摩擦力反而降低了，對土體強度的提升反而起到抑制作用。

3 掃描電鏡試驗

3.1 試驗方案

為進一步探究每種固化劑及混合后對土樣微觀結構的影響，采用掃描電鏡獲取圖像進行分析。試驗采用的掃描電鏡為荷蘭飛利浦公司生產的XL30W/TMP。

掃描電鏡研究的試樣為直剪試驗中試驗1（碳酸氫鈉∶水性聚氨酯∶膨潤土∶水=1∶0∶0∶100）、試驗5（碳酸氫鈉∶水性聚氨酯∶膨潤土∶水=1∶10∶0∶100）、試驗6（碳酸氫鈉∶水性聚氨酯∶膨潤土∶水=1∶0∶10∶100）、試驗7（碳酸氫鈉∶水性聚氨酯∶膨潤土∶水=1∶10∶10∶100）4組試驗中剝取的小塊。掃描電鏡的觀察需要在真空中進行，為避免試驗中水分對試驗的影響，掃描前需進行真空干燥處理。為使噴金均勻，觀測效果更好，用導電膠將試樣固定在銅片上，然后用吹風機吹去表面浮動顆粒，見圖4。

為對比兩種固化劑與礦區(qū)土顆粒重塑之后土體的微觀結構變化，采用定性研究的方法從土顆粒及孔隙形貌來分析土體抗剪強度與不同固化劑固化的效果。本文選取掃描電鏡250倍、500倍、1 000倍、10 000倍圖像進行比對，如圖5～8所示。

3.2 試驗結果分析

將圖5～8進行對比分析，有無添加固化劑土樣的孔隙和結構有較明顯的區(qū)別。圖5未添加固化劑土樣，從放大10 000倍圖中能清晰看到土樣的顆粒與顆粒之間有明顯的細小孔隙，從放大250倍和500倍圖中可以發(fā)現(xiàn)顆粒分布不均勻導致凝結成小塊，而小塊與小塊之間有明顯的大孔隙，土顆粒間孔隙較多，僅依靠顆粒間的黏結力不足以抵抗較大的破壞強度。

圖6為添加水性聚氨酯土樣，從放大10 000倍圖中明顯看出顆粒之間孔隙被固化劑填充，并且顆粒與固化劑黏結在一起形成網狀膜結構，添加水性聚氨酯后土顆粒之間黏結力加強，孔隙減小，能有效提高土體的黏聚力。圖7為添加膨潤土土樣，從放大10 000倍圖中可以看到顆粒間孔隙被更細小的顆粒填充，但并未形成加入水性聚氨酯所形成的網狀膜。從放大250倍和500倍圖中發(fā)現(xiàn)塊狀土顆粒間的大孔隙也被填充，形成的結構能有效提高土體的內摩擦角。圖8為添加水性聚氨酯和膨潤土兩種固化劑土樣，從圖中可以看到該結構結合了圖6和圖7中兩種固化劑的作用效果，一方面有效填充了細小顆粒間隙，另一方面也形成了固化劑和顆粒之間的網狀膜結構，高效提高了土體的強度。

通過上述分析，土體中添加固化劑后其結構發(fā)生較明顯的變化，由于兩種固化劑的作用效果不同，其土體結構的變化也存在差異，就直剪試驗結果可以發(fā)現(xiàn)，水性聚氨酯形成的網狀膜結構能更高效提高土顆粒間的黏結力，但當水性聚氨酯過多時，會使水性聚氨酯流入顆?？紫吨刑畛洳⑻峁﹥染哿?，而該效果要低于顆粒對孔隙的填充。膨潤土加入土樣中，因為其顆粒細小，流動性強，能有效填補土顆粒的孔隙，從直剪試驗的內摩擦角結果可以明顯得出該效果要強于水性聚氨酯。

從掃描電鏡圖中看到添加膨潤土后形成了一個密實的結構，但根據圖7干燥后膨潤土容易發(fā)生裂隙說明該結構顆粒間的黏結力并沒有得到較大的提升，穩(wěn)定性不足。兩種固化劑提高土體強度均有缺陷，但正好能相互彌補，當兩種固化劑混合后，從土體的微觀結構可以看出土顆粒間形成了穩(wěn)定的結構，通過直剪試驗也能發(fā)現(xiàn)該結構能更高效地提高土體強度。

4 土體抗崩解試驗

通過土樣掃描電鏡圖片發(fā)現(xiàn)在固化劑的加持下土壤結構有明顯的變化，為了探究這種變化對于土壤的抗崩解能力的影響，采用土體抗崩解試驗分析在同一養(yǎng)護時間下，土壤的崩解速率與固化劑濃度及種類的規(guī)律。

4.1 試驗方案

使用篩分試驗中所得到粒徑小于2 mm及以下的土顆粒，按照相同重量制備成若干高40 mm、直徑61.8 mm的試樣之后進行相同時間的室內常溫養(yǎng)護。試驗土樣的固化劑濃度范圍0，5%，10%，15%，養(yǎng)護時間為720 min。

此次試驗裝置是由白色透明水箱、木板、電子天平、塑料網格板、鐵絲制作而成，先用水將水箱注滿，然后在水箱頂部安裝兩根木條作為電子天平的支撐，在電子天平上放置制作好的吊架，吊架用鐵絲連接水中的塑料網格板，這樣可以使網格板懸空于水箱中，可制作出簡易水崩解試驗裝置和觀察裝置。由于土樣本身重量較大，水箱高度不高，可以忽略水對土樣帶來的浮力影響，待試驗裝置穩(wěn)定后將電子天平清零，將土樣放入水中網格板上，即可開始試驗。固化土樣在透明水箱中呈現(xiàn)的主要狀態(tài)分為4個階段，如圖9所示。

4.2 試驗結果分析

記錄在崩解過程中土樣重量的變化數據，如表4所示。土樣經過固化后，其滲透性降低，導致水在土樣中的滲透速度減緩。由于固化土樣在水中需要先充分吸水填滿孔隙后才會發(fā)生崩解，則固化土樣在水中能夠維持相對穩(wěn)定的狀態(tài)一段時間后才會發(fā)生崩解現(xiàn)象。表4中崩解50%時間為土樣在水中的重量逐漸減少到總重量一半的時間。通過表4可知，未加入固化劑的重塑土樣放入水中之后會立刻發(fā)生崩解，抗崩解能力極差，整個過程中只有快速崩解階段，放入水中的土樣會立刻發(fā)生崩解直至土樣完全崩落。從表4可知，加入固化劑后的土樣崩解到50%所需的時間在整個崩解過程中時間占比大概為25%～40%。

對比1∶5∶5∶100，1∶10∶0∶100，1∶0∶10∶100三組土樣崩解數據可以得知，加入混合固化劑和單一固化劑的土樣相比，土樣在水中的穩(wěn)定時間明顯提高，平均崩解速率也有明顯降低，說明土樣的抗崩解能力也有顯著提高。隨著固化劑濃度的不斷提高，土樣在水中保持穩(wěn)定的時間在不斷增加，當土樣中固化劑達到一定濃度時，平均崩解速率開始慢慢穩(wěn)定，不會再有比較大的波動?？梢娀旌瞎袒瘎┳饔迷趶U棄礦區(qū)土壤上，可以增強土壤的抗崩解能力，有效緩解土體因雨水沖刷導致的水土流失問題。

5 結 論

（1） 通過直剪試驗發(fā)現(xiàn)，贛南離子型稀土廢棄礦區(qū)土樣在經過土壤固化劑加固處理之后，可有效提高土體的抗剪強度，單獨加入水性聚氨酯時土樣黏聚力增加明顯，單獨加入膨潤土時土樣內摩擦角增加明顯，而使用混合土壤固化劑可以使黏聚力及內摩擦角均明顯提升。

（2） 通過掃描電鏡試驗得知，單獨添加水性聚氨酯時，可以使土顆粒與固化劑黏結在一起形成網狀膜結構。單獨添加膨潤土時，膨潤土顆粒細小，流動性強，能有效填補土顆粒之間的孔隙。當兩種固化劑混合后，從土體的微觀結構可以看出土顆粒間形成了穩(wěn)定的結構，既有網狀膜結構，土顆粒的孔隙也被填充，土體穩(wěn)定性大大提高。

（3） 將經過固化處理之后的贛南離子型稀土廢棄礦區(qū)土樣進行抗崩解試驗，發(fā)現(xiàn)當同時加入水性聚氨酯和膨潤土時，土體相比于加入單一固化劑時在水中的穩(wěn)定時間明顯增加，且平均崩解速率明顯減慢。說明土體的抗崩解能力有了顯著提高，可以更好地抵擋雨水沖刷帶來的水土流失問題。

（4） 由室內直剪、掃描電鏡與土體抗崩解等相關試驗，可以得出如下結論：將水性聚氨酯和膨潤土混合使用可以同時發(fā)揮兩者的固化作用，從而顯著提高土體強度，并且土體的抗崩解能力也得到了明顯提升，可達到治理贛南離子型稀土廢棄礦區(qū)水土流失問題的目的。

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Experimental research on soil solidification of water-based polyurethane and bentonite mixed soil

Abstract：

To verify the feasibility of using a mixed solidifying agent solution to treat soil and water loss in the abandoned ion type mining area in southern Jiangxi，taking the treatment of the abandoned ion type rare earth mining area in southern Jiangxi as an example，10 sets of soil solidifying agent test samples with different mass ratios were designed using reshaped abandoned mining area soil samples and two solidifying agents，namely waterborne polyurethane and bentonite.Indoor direct shear tests，scanning electron microscopy tests，and soil anti disintegration tests were conducted.The experimental results show that water-based polyurethane can form a mesh like structure with soil particles，which has a significant effect on improving the cohesion of soil samples.Bentonite particles are small and easy to flow，which can effectively fill the pores between soil particles，enhance the friction between soil particles，and the filling of bentonite particles has a significant effect on increasing the internal friction angle of soil samples.When the two are mixed，the curing effect will not affect each other，and the shear strength of the soil is significantly higher than that of the soil sample using a single solidification agent.The anti-disintegration ability in water is also better than that of the soil sample using a single solidification agent.Overall，it can be concluded that the mixed soil stabilizer solution is feasible for the treatment of ion type abandoned mining areas in southern Jiangxi.

Key words：

water-based polyurethane； Bentonite； direct shear experiment； scanning electron microscopy experiment； soil anti-collapse experiment； Ganan ionized mining area