0 引言

  铜尾矿又称铜尾砂，是指以开采铜矿资源为主的矿山经过选矿工艺处理后，将矿石中有用的成分筛选后剩余的固体废料[1]｡随着矿产资源被开发，矿渣､固体废料排放量日益增加，导致大量尾矿堆积｡1994—2007年，全国铜尾矿的排放总量约为24亿t，2007—2013年，全国铜尾矿的排放总量达到19.9亿t，且年产出量呈逐年递增的趋势[2-4]｡

近年来，随着相关部门加大对尾矿资源化利用的政策扶持力度，铜尾矿在回选有价金属､制备建筑材料及其他新材料等方面已取得较多成果，但依然存在利用规模小､附加值低等问题，导致铜尾矿整体利用效率不高，难以缓解铜尾矿大量堆存的现状[5-6]｡因此，为铜尾矿寻找科学的消纳方法以及资源化利用途径是值得深入研究的课题｡当前，道路工程耗材量大，尤其是砂石骨料，将铜尾矿用于道路工程领域，不仅能降低尾矿的库存量，还能减少对砂石骨料等不可再生资源的消耗，防止生态破坏｡因此，将铜尾矿用于筑路材料具有广阔的发展前景｡

1 铜尾矿综合利用研究

在我国，虽然相对集中的铜矿资源为铜尾矿资源化利用提供了保证，但原生铜矿资源相对匮乏､矿石自然品味较低､矿物成分复杂，加上采选加工技术和设备落后等问题，以致当前的铜尾矿资源利用率低下｡面对日益增加的铜尾矿，很多企业简单地堆放填埋，而尾矿库的建造不仅耗资巨大､占用大量土地资源，还会污染环境､形成安全隐患，阻碍了铜尾矿资源的二次利用｡

现阶段，铜尾矿的综合利用主要集中于矿坑回填､有价金属回选以及建筑材料利用等领域，其综合利用方式及优缺点见表1｡

铜尾矿在有价金属回选､矿坑回填以及生产其他高附加值产品等领域虽然取得了一定的成效，但依然存在诸多问题｡目前，欧洲部分发达国家采用无废料生产标准进行采矿作业以及后期加工处理，对尾矿的利用能效可达60%，而我国的尾矿利用能效只有18.9%｡除此以外，我国还存在着回选工艺的发展难以跟上铜尾矿的开采需求､低附加值的快速增长､研究成果难以转化为实际应用､存在二次污染等问题[16]｡

2 铜尾矿在道路工程应用中的可行性分析

近年来，我国公路建设发展迅速｡天然砂作为不可再生资源，需求量越来越大，过量开采将破坏河道，影响环境｡道路工程对砂石骨料的需求巨大，若能将铜尾矿改良后用于道路建设中，不仅能够降低道路建设成本､节省砂石等不可再生资源､防止生态破坏，还能有效处理尾矿，降低库存，具有良好的经济效益和社会效益｡

从化学成分方面分析，我国铜矿多为伴生矿，成矿因素各异，各地产出的铜尾矿在化合物元素类型上也各不相同｡国内外典型铜矿厂产物的主要化学成分见表2｡

由表2可知，不同矿厂的铜尾矿在化合物成分及含量上虽有差异，但都以SiO2，Fe2O3，CaO，Al2O3这几种化合物为主，其中Fe2O3，CaO，Al2O3等具有一定的活性，与无机结合料反应后可形成具有一定强度､刚度､耐久性的物质｡另外，铜尾矿中Si，Al，Fe等元素占比较大，与传统的道路建筑材料在成分上类似，为其在道路工程中的应用提供了良好的基础｡铜尾矿的矿物组成主要有石英､方解石､黄铜矿､白云石等｡这些成分与天然砂石骨料成分相近，因此将铜尾矿改良之后用于道路工程当中是合理的｡从物理力学性能方面分析，铜尾矿粒径小，重度较大，具有憎水性等特点，为改善其亲水性以及粘聚力，进而改善混合物压实特性以及结构稳定性，可以采用掺入无机结合料的方法，使铜尾矿改良土能满足相关规范的要求｡《公路路面基层施工技术细则》(JTG-T-F20-2015)中规定，基层材料应满足压缩率小，具有一定的强度､刚度､耐久性，以及良好的水稳定性的要求｡铜尾矿粒径相对普通砂较小，颗粒间粘聚力与摩擦阻力相对较大，更有利于与无机结合料进行胶结反应，有助于提高无机结合料的强度､耐久性等路用性能｡从环境影响方面分析，铜尾矿属于低品位无毒非惰性材料｡经《固体废物鉴别标准》(GB34330517)鉴定，低品位铜矿堆场中的堆积物属于第一类工业固体废弃物，可按第一类工业固体废弃物进行直接堆存，或者制备其他材料｡另外，已有研究[26-27]表明，建材产品在生产过程中形成水化凝胶及其他水化硅酸盐物质，能有效地将重金属固化在结晶内部，从而大大降低环境毒性｡将铜尾矿用于道路工程或者制备建筑产品，不仅节约资源，降低成本，还能有效解决区域铜尾矿直接堆存带来的污染问题｡用铜尾矿代替天然砂用于道路建设，不仅节约资源､提高经济效益，也为铜尾矿资源化利用提供一条切实可行的途径[28]｡综合上述分析，铜尾矿采用无机结合料改良后能够满足相关规范对道路工程材料的要求，因而使用铜尾矿改良土用于道路工程是可行的｡

3 铜尾矿用于道路工程的研究现状

3.1 试验研究

国外关于将铜尾矿用于道路工程的研究相对较早，主要研究了材料的物理力学性能､耐久性､稳定性､配合比设计､施工工艺等｡1979年，Sultan等[29]对亚利桑那州､爱达荷州和犹他州的几种铜尾矿进行了初步试验，对稳定铜尾矿用于道路建设进行了可行性研究，制定了尾矿材料的一系列施工参数，包括强度特性､压缩性和渗透特性，结果表明铜尾矿具有优良的工作性能，在路基材料､压实地基等方面具有良好的应用潜力｡

近年来，对铜尾矿用于道路工程的研究仍在继续｡Oluwasola等[23]研究了电炉钢渣和铜尾矿替代常规骨料用于道路建设的适用性｡研究结果表明，含有80%钢渣和20%铜尾矿的混合物产生了较好的效果｡该混合物的弹性模量随温度升高而降低，显著增加了老化过程中的弹性模量，提高了沥青混合料的性能｡Ahmari等[30]将氢氧化钠(NaOH)溶液用作碱性土聚剂，通过地质聚合的方法，对铜尾矿作为道路基层材料的性能进行了初步研究｡结果表明，掺入2%氢氧化钠后，混合物的7d无侧限抗压强度达到2.5MPa，强度显著提高｡

我国对铜尾矿用于筑路材料的应用研究相对较晚，且不够系统或深入｡现阶段，国内外对于铜尾矿用于道路工程的研究主要集中在铜尾矿改良土的配合比设计､施工工艺及施工参数的研究，且研究手段多以室内土工试验以及小规模试验为主，缺少大规模的应用实例[31]｡成岳等[32]将铜矿尾砂､粉煤灰､水泥，以及加气剂等混合搅拌成泥浆体，制备出低强度可控性填料(CLSM)，具有低强度､高流动性的特点，可用于市政工程､路基填料等｡王喜刚等[33]设计了不同应力条件下的静态三轴试验，以验证尾矿粉对水泥改良土的增强效应｡试验表明，尾矿粉可以提高水泥改良土的强度，并确定了尾矿粉在改良土中的最佳掺入量｡

3.2 微观结构研究

近年来，铜尾矿用于筑路材料受到了越来越多的关注｡除了研究路用性能，学者们还从化学反应和微观结构的角度分析了改良土强度的形成机理｡Ahmari等[34]提出，铜尾矿中富含的SiO2和Al2O3可作为生产土工高聚物的潜在原料｡其通过微观试验研究发现，在相对较低的NaOH浓度下，不仅存在水合物(CSH)凝胶，还形成了土工聚合物凝胶｡这种凝胶有助于提高强度｡但是NaOH浓度过高时，将对CSH凝胶和土工聚合物凝胶的形成产生不利影响，从而降低其强度｡之后，Manjarrez等[35]拟用铜尾矿材料替代传统道路基层施工材料，将铜尾矿与不同浓度氢氧化钠溶液混合，研究其强度特性｡结果表明，在恒定的含水率下，混合物抗压强度随NaOH浓度升高至一定程度然后降低，适当的选择含水量和NaOH浓度，能满足美国不同州和美国联邦公路管理局(FHWA)对路基强度的要求｡赵飞[36]研究了水泥稳定尾矿砂的路用性能，通过化学反应分析以及扫描电镜技术解释水泥稳定尾矿砂固化机理｡试验结果表明，水化早期主要形成CSH凝胶，Ca(OH)2，(AFt)和(AFm)水化产物，晶体形态发育不完全，呈现针状､草状等分散的簇状，水化程度不彻底;28d水化后主要形成了纤维交错､网状的钙矾石(AFt)，呈立方体､板状结构的Ca(OH)2以及花朵状的(AFm)水化产物，形成紧凑密实的整体结构｡不同龄期水泥尾矿砂的SEM图如图1所示｡

运用扫描电镜等微观测试技术可以很好地解释铜尾矿填料强度的形成机理，帮助研究人员建立多尺度分析理论与研究方法｡目前，对于铜尾矿筑路材料的微观结构研究通常通过观察土体的骨架颗粒､胶结状态和孔隙等特征来定性分析无机结合料与外部环境对其强度的影响，而没有从微观结构的角度对材料的变形特性以及破坏时的力学诱因作很好地解释｡换言之，已有的研究都倾向于强度的形成机理研究，对受力过程中土体骨架特征以及孔隙裂隙发展研究涉及较少｡

3.3 数值模拟研究

目前，铜尾矿用于筑路材料的研究多以室内土工试验和小规模试验为主，研究内容多集中在施工参数及施工工艺方面｡在实际工程中，获取铜尾矿应用于道路工程的沉降变形数据有很大的局限性｡因此，数值分析成为研究结构物沉降变形的一种重要手段｡

数值模拟方法具有高效､可操作性强等优点｡近年来，各种仿真模拟软件的快速发展为铜尾矿改良土填料变形特性研究提供了有效的研究手段｡已有的研究大多是基于尾矿不同配比和不同环境下的基本参数，来分析路基稳定性以及道路基层沉降的变形特性｡在铜尾矿填料的变形特性研究方向，已有的研究并没有考虑实际工程中的外部环境､荷载等多场因素耦合作用的影响(例如:应力场､渗流场，以及化学场)｡稳定铜尾矿多场耦合关系如图2所示，这类问题还有待进一步研究｡

罗敖等[37]采用强度折减法，以特征部位的位移拐点作为评价标准，对粘土包边尾矿路基稳定性进行了研究｡分析结果表明，随着包边粘土粘聚力的增大或者尾矿砂内摩擦角的增大，边坡的安全系数也逐渐增大，并且稳定性满足规范要求｡赵飞[36]利用数值模拟对3种不同环境下尾矿改良土的静态弹性模量､道路基层拉压应力应变和沉降量进行了研究｡结果表明，随尾矿砂掺量的增加，正常环境下道路的抗压强度､路面抗裂性能降低，沉降量增加;清水浸水环境下，水泥尾矿砂道路的水稳定性得到提高;冻融环境下，水泥尾矿砂道路沉降量减小，抗压强度､抗裂性能有所提高，反映出其抗冻融性能得到提升｡另外，将铜尾矿应用于筑路材料时，其重金属迁移析出应满足国家相关标准规定的排放要求｡因此，需考虑到尾矿中重金属的迁移与固化效果，以及在迁移过程中化学场对构筑物力学效应等的影响｡这类问题通常在尾矿坝稳定性分析[38-39]､环境影响分析[40-42]，以及尾矿固结排放研究[41]中考虑较多｡饶宝文[40]基于渗流场理论建立了某尾矿库污染物迁移的二维数值渗流模型，引入溶质迁移子模型进行耦合运算，探索了尾矿库重金属污染迁移扩散对环境的影响｡数值模拟结果表明，污染物初始浓度以及路径是污染物迁移的重要指标，提出改良后的渗透系数函数更接近重金属泄漏的过程实际情况｡刘畅[41]开展了多场耦合下尾矿固结过程中重金属迁移的阻滞效应研究，构建了考虑多场耦合作用尾矿固结排放的污染物浸出-迁移行为数学模型，描述了化学场作用下渗流和溶质的迁移行为，揭示了水泥对尾矿重金属的固化效应｡目前，铜尾矿固化改良后用于道路工程的研究中对于重金属迁移固化问题的探索并未见诸于文献｡这类问题对于改良铜尾矿在筑路材料方向的应用研究也具有重要的研究意义[43-44]｡

4 结论与展望

对铜尾矿用于道路工程方向的研究进行了分析和归纳，得出以下结论｡

1)目前对于铜尾矿用于筑路材料的研究多以室内土工试验和小规模试验为主，缺少大规模实际应用｡研究内容多为掺合料､含水率､混合物配比等因素对改良铜尾矿的强度､流动度以及沥青老化､抗疲劳等路用性能的影响｡

2)针对铜尾矿筑路材料的结构试验研究较少，已有的研究主要考虑材料配比以及外部环境对微观结构的影响，旨在定性分析材料强度的形成机理，但对于受力过程中土体骨架变化特征和孔隙裂隙的发展研究涉及较少｡

3)在变形特性研究方面，不仅缺少实际的监测数据与已有的研究成果形的成对比研究，对非饱和铜尾矿填料的多场耦合作用研究目前还处于空白阶段｡

针对铜尾矿用于道路工程方向的研究现状，给出以下建议｡

1)三轴试验可供在复杂的应力条件下研究土体的力学特性，非饱和铜尾矿用于道路工程的应力-应变特性问题仍值得进一步地研究探讨，这也为后期结构物变形特性研究参数的选择提供依据｡

2)以往的研究重点为混合物配比以及外部环境对材料强度特性的影响｡在这样的定位下，材料破坏时的力学诱因并未受到太多的关注，在研究微观结构时对裂隙发展和孔隙特征考虑不周｡因此，对改良铜尾矿材料的微观试验也应当切合工程实际｡除了考虑外加剂掺量､混合物配比､外部环境等因素对微观形态和强度等的影响外，还应该关注变形破坏的过程｡

3)利用数值模拟方法研究铜尾矿用于道路工程的变形和受力特性时，应当把外部环境以及附加荷载等多场耦合作用考虑进来，例如应力场､水分场､化学场，及其耦合效应对结构变形特性的影响｡另外，模型试验虽然成本高､可操作性不强，但是其具有直观性强､可靠性高等优点｡将合理的数值模拟结果与模型试验结果进行对比分析，可以弥补试验工作中的不足，也可以检验数值模拟方法的可靠性，但针对铜尾矿用于道路工程模型试验的研究还鲜有文献报道｡这种研究手段也值得我们进一步地探索｡

文章作者：江志杰，程涛，刘强，屈刘盼盼等

文章来源：湖北理工学院

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