酸性环境下沥青与骨料黏附性的实验探究

谭 航

（西安理工大学，陕西 西安 710048）

尾矿坝是将废弃尾矿有序储存并堆积碾压而成的坝体，一般分为初期坝和尾矿堆积坝两个阶段[1]，具有浸出矿渣、澄清液体废物和提供返回用水的作用，有助于提高矿山区的安全性、环境保护和治理[2]。但在另一方面，尾矿坝所形成的尾矿库是人造的具有高势能的泥石流库，是一个重大的危险源[3]。由于尾矿库存在溃坝的危险，因此给其下游居民的生活和财产安全带来了严重的威胁，并且会伴随着许多生态环境问题的产生[4]。

因此，为了防止尾矿坝的短期突然性破坏，确保尾矿坝的长期安全运行，尾矿坝溃坝已经成为了一个重要的研究问题，国内外对造成溃坝的原因做了大量的研究并提出了相应的解决措施。其中防渗结构对坝体破坏有着一定的影响，而不同的坝体在防渗方面的结构设置不同。在以沥青混凝土心墙为防渗体的尾矿坝中，心墙的防渗性和沥青与骨料的黏结力是分不开的[5]。尾矿坝长期处于酸性环境中，酸性条件下对于沥青和骨料的黏附性是否有影响以及影响的程度对于研究尾矿坝的沥青防渗方面起着一定的作用，并对尾矿坝溃坝的成因和防治方面有着重要的意义。本文通过实验探究酸性水质这一因素对沥青与骨料的黏附性是否有影响以及影响程度。

1 实验方法和材料

1.1 实验目的

本次实验主要是将裹有沥青的碱性粗骨料放置在特定pH值的酸性环境下，长时间观察其表面沥青膜的情况变化，在不同试验周期结束后进行水煮法试验，根据实验现象和结果判定粗骨料和沥青的黏附性，分析酸性环境这一因素对沥青与碱性粗骨料黏附性的影响程度。

1.2 试验所需器材1.2.1 试验材料

碱性粗骨料：石灰岩（选择粒径在13.2mm~19.0mm之间，形状较为规整）24颗（如图1所示）；沥青（实验室用克拉玛依70号A级沥青）；浓硫酸。

图1 实验用石灰岩骨料

1.2.2 试验仪器设备

750 mL玻璃密封瓶4个；尼龙丝线足够长；筛：筛孔尺寸13.2mm，19.0mm；烘箱：200℃，可自动控温；加热沥青容器：500mL；烧杯：1000mL，2 个；量筒：125mL，2 个；滴管：2 个；玻璃棒；加热器具：电炉；pH计（读数精确至0.1）。

1.3 试验步骤

①用筛子筛取粒径在13.2 mm~19.0 mm形状接近于立方体的粗骨料颗粒24个，洗净，置于105℃±5℃的烘箱内烘干，取出冷却至室温备用；

②取浓硫酸配制pH值在2，4，6的硫酸溶液各450mL，将密封瓶分为4组分别装入pH值为2，4，6的硫酸溶液，并设置一组对比组，装入蒸馏水（pH 值为 7），即每组为 pH=2，4，6，7的4瓶溶液环境，做好标记；

③将骨料颗粒用尼龙丝线 (具有一定的抗酸腐蚀能力)系牢，置于105℃±5℃的烘箱内烘约1个小时；

④将烘好的骨料颗粒逐个提起，浸入预先加热至130℃至150℃的沥青中45s，使骨料颗粒表面完全被沥青裹覆；将裹覆沥青的骨料颗粒悬挂于试验架上，使多余的沥青流掉，并在室温下冷却；

⑤待沥青冷却至适当时间，将该骨料颗粒悬挂于密封瓶中（各玻璃密封瓶中分别放置6颗石料），与瓶壁没有太大接触，并使溶液浸没沥青骨料颗粒，封好瓶子；将所有密封瓶置于阴凉处静置，记录每日密封瓶所处室温以及瓶内的变化情况；

⑥一个实验周期（7天）后取出一组进行水煮法实验，即将一部分骨料从密封瓶中取出，浸入盛有沸水的烧杯中央，加热至烧杯中的水保持微沸状态，但不允许有沸开的泡沫；

⑦浸煮3min后，将骨料从水中取出，观察估料颗粒表面沥青膜的脱落程度，进行对比按规定评定其黏结力等级（评定标准见表1）；并测定密封瓶内溶液的pH值；

表1 黏结力等级评定标准

⑧2个实验周期（14天）及以后按上述步骤进行水煮法试验，观察实验现象，记录实验结果；

⑨根据所有试验结果，整理数据，每组实验结果进行横向对比和纵向对比，即酸性环境下沥青黏结力与中性（pH=7）水环境沥青黏结力对比，不同实验周期段酸性环境下沥青黏结力对比；

⑩考虑pH值与温度的变化因素对实验结果的影响，结合各阶段的实验现象进行分析，得出酸性水质环境下对沥青与骨料黏附性的影响程度。

2 实验现象及结果

2.1 四个周期（28天）水煮法实验现象及结果

各周期结束先测定溶液的pH值，然后对骨料进行水煮法实验，根据实验现象及相关标准判定沥青与骨料在不同溶液环境下的粘结力等级。

第一周期取一组溶液测其pH值，分别为3.7、5.4、6.6、7；分别进行水煮法实验，原pH=2溶液中骨料经过3min的浸煮，发现该粗骨料表面的沥青膜小部分被水移动，漂浮在水面上，剥离面积百分率小于10%，粘结力等级为4；原pH=4溶液中骨料沥青膜完全保存，剥离面积百分率接近于0，几乎无沥青漂浮于水面，粘结力等级为5；原pH=6溶液中骨料沥青膜完全保存，没有沥青漂浮于水面的现象，剥离面积接近于0，粘结力等级为5。

第二周期其pH值分别为4.7、5.8、6.8、7；原pH=2溶液中骨料表面的沥青膜剥离面积百分率小于10%，但高于上一次实验周期结果，粘结力等级为4；原pH=4溶液中骨料沥青粘结力等级为4；原pH=6溶液中骨料沥青膜剥离面积接近于0，粘结力等级为5。

第三周期其pH值分别为5.4、6.3、6.9、7；原pH=2溶液中骨料与沥青粘结力等级为4；原pH=4溶液中骨料沥青粘结力等级为4；原pH=6溶液中骨料沥青粘结力等级为5。

第四周期其pH值分别为5.5、6.4、7、7；原pH=2溶液中骨料沥青粘结力等级为4；原pH=4溶液中骨料沥青粘结力等级为4；原pH=6溶液中骨料沥青粘结力等级为5。

浸泡在蒸馏水（pH=7）环境下的对比实验组，在4个实验周期内，粘结力等级为5，其水环境的pH值几乎无变化。

2.2 溶液中的现象

pH=2溶液的pH值由2上升到4.5，裹有沥青的碱性骨料表面开始出现透明小气泡，在骨料的棱角边处较为明显，接着气泡变大变多，随着时间推移，气泡数量减少，直到气泡消失，少部分骨料露出且存在腐蚀现象，瓶壁附有少量明显的沥青，成黑褐色。

pH=4溶液的pH值由4上升到6.5，一段时间，裹有沥青的碱性骨料表面陆续出现小气泡，接着小气泡消失，气泡消失处露出极少量骨料，腐蚀现象不太明显，瓶壁出现少量黑褐色现象。

pH=6溶液的pH值由6上升到7，裹有沥青的骨料没有明显的现象发生。

pH=7溶液pH值没有变化，裹有沥青的骨料基本没有现象出现。

图2 pH值变化图

图3 沥青膜脱落面积百分率变化图

图4 粘结力等级变化图

3 试验结果分析

从图2可以看出，在为期28天的实验周期内，除pH=7的水溶液外，其他的水溶液的pH值均呈现出上升的趋势，且pH=2、pH=4和pH=6的溶液pH值前期变化幅度较大，后期变化幅度较小。

在4个实验周期（28天）中，pH=2溶液中裹有沥青的骨料在第3个实验周期时进行水煮法实验，沥青膜脱落面积约为8%（如图3），粘结力等级为4（如图4），之后1个周期内保持稳定不变；pH=4溶液中裹有沥青的骨料在第2个实验周期时进行水煮法实验，沥青膜脱落面积约为3%，粘结力等级为4，之后2个周期内保持稳定不变；pH=6和pH=7溶液中裹有沥青的骨料在整个实验周期进行水煮法实验，沥青膜脱落面积几乎为0，粘结力等级为5。

根据实验结果及整理分析得出：

(1)与中性（pH=7）水环境相比，酸性水环境下，在相同的实验周期中，pH值越小的水溶液下的沥青骨料呈现的现象变化越明显，沥青膜的脱落情况越严重，骨料与沥青的黏附性（黏结力等级)下降得越快；

(2)酸性水环境下，不同pH值下的水溶液对沥青与骨料的黏附性都有不同程度的影响，均呈现出下降的趋势。

4 结语

根据相关的实验现象及结果表明：不同pH的硫酸溶液对沥青与骨料的黏附性均有一定的影响，且pH值越小，其黏附性在相同的实验周期内下降地越快。根据结果，初步认为酸性水质这一因素对沥青与骨料的黏附性有影响，且酸性越强（pH值越大），黏附性影响程度越大。

由于尾矿坝溃坝的这一结果直接是由于尾矿坝结构不稳定所造成的，对于设有沥青混凝土心墙的尾矿坝而言，要研究其可能溃坝的原因以及采取相应的措施，必须尽可能全面地找出影响坝体结构稳定性的因素。在坝体工程中，修筑尾矿坝选用的坝体材料具有一定的特殊性，它是由一些金属矿渣等工业废料组成的。矿山酸性废水水量较大，pH值较低，并含高浓度的硫酸盐和可溶性的重金属离子。虽然排放至库内的尾矿废水进行过中和处理，但依然存在大量的H+，使得尾矿坝体长期处在酸性水质环境下[6]。由于废水的腐蚀性很强，它能与一些金属废渣以及碱性矿料发生反应[7]。这些化学反应对坝体材料的性质和结构将会造成不可忽视的影响，进而影响坝体稳定性。因此，本实验的初步探究结果可作为进一步探究在长期酸性水质环境下尾矿坝体的沥青与骨料黏附性的情况以及对坝体在运行阶段的稳定性的影响程度的实验基础。

[1]于广明,宋传旺,潘永战,等.尾矿坝安全研究的国外新进展及我国的现状和发展态势[J].岩石力学与工程学报,2014,33(1):3238-3248.

[2]周振民,李香园.我国尾矿坝溃坝事故成因及生态环境影响评价[J].金属矿山,2012,11:121-124.

[3]魏勇,许开立,郑欣.尾矿坝溃坝事故致因分析[J].中国矿业,2009,18(6):98-99.

[4]RICO M,BENITO G,SALGUEIRO A R,et al.Reported tailings dam failures:a review of the European incidents in theworldwide context[J].JournalofHazardousMaterials,2008,152(2)：846-852.

[5]黄欢.沥青混凝土心墙发展现状及其特性研究[J].农村经济与科技,2016,27(6):19-21.

[6]李芬,郭锐,黄蔚源.酸性环境下尾矿坝长期运行稳定性评估[J].安全与环境工程,2016,23(3):158-162.

[7]左莉娜,贺前锋.酸性矿山废水的治理技术现状及进展[J].环境工程,2013,31(5):35-38.