综述：回收工业尾矿砂用于交通基础设施：可持续方法综述

《Journal of Road Engineering》：Recycling industrial tailings sands for transportation infrastructure: A review of sustainable approaches

　　

摘要：尾矿砂（tailings sand，TS）是一种全球储量丰富的工业副产品，然而其大面积低值利用造成了资源浪费与环境负担。随着天然砂资源日益匮乏，TS的可持续回收利用日益受到关注，特别是在交通岩土工程领域。本综述系统考察了TS的物理、化学及岩土工程特性，并借助CiteSpace软件分析了近期研究趋势与当前热点。目前TS的工程应用主要包括道路基层修筑、路基加固以及地聚合物粘结剂（geopolymer binder）的开发。当材料中加入水泥（cement）、石灰（lime）或碱激发剂（alkali activator）等稳定剂，又与粉煤灰和废橡胶等工业副产品混合使用时，TS可有效改善岩土材料的力学性能、耐久性与长期稳定性。上述多组分协同不仅降低了施工成本，并因减少废弃物填埋和降低传统材料的碳足迹，因此提高了环境可持续性。本综述还基于工程应用成果研究了TS的工程应用可行性。未来重要科研方向包括增强性能、扩大规模工程、应用耐久性评估、以及全生命周期可持续性研究。总之，TS作为天然砂在交通基础设施工程中的可持续替代材料，具有巨大潜力和显著经济、生态效益。该研究为工业固废高值化利用战略提供了新的理论补充，并推动了更环保、更永续岩土工程的实现与推进。

1. 引言
随着经济快速发展与传统固废的大量堆存，工业固体废弃物的累积总量持续增长。尾矿矍（tailings sand，TS）作为其中的主要类型，因其自身比重较大、治理难度高而被大量存放于尾矿库，既占用大量土地，又存在安全保障问题，严重制约了流域生态与资源。同时，全球天然砂石，强度持续紧张。基于循环经济与可持续发展的理念，资源化利用TS于交通基础设施已是岩土工程领域研究的热点，则该综述正是针对这一主题展开。

2. TS的基本特性
2.1 生产与分类
TS是选矿与采矿活动后的废弃物，是世界上排放量最大的工业固废之一。以全球水平看，每年矿山尾矿与废石排放量超过100亿吨；我国2020年产生的工业固废已逾30亿吨，其中TS占80%以上，而大量使用且利用率仅有14%。依次按材质主要包括铁矿矍（iron tailings sand）、铜尾砂（copper tailings sand）和黄金尾砂（gold tailings sand），三者约占全部尾矿的83%。根据的粒径形态既又可分为粗粒骨料与可替代天然细骨料到TS。

2.2 物理与化学特征
TS颗粒粒径集中在0.02–0.3 mm范围，多为粉粒或极细砂，级配一般较差，未充分满足普通建筑混凝土标准；但作为孔隙材料用于填充土骨架具备潜力。形貌上，TS颗粒角明显，表面粗糙，多呈针状、棱状和薄片状，其球度和圆度都较天然河砂差，导致其用水量偏高；但尖角的存在则可能增强颗粒间嵌锁与摩擦结合。化学组成上，TS主要含SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃以及CaO和MgO，不同矿物类型与产地的含量差异甚大，但主体均以石英（quartz）及长石（类）矿物为主，因此矿物骨架组成整体接近。

2.3 学工程物理地质
TS的压缩性受细颗粒含量（fines content，FC）显著影响：研究表明细粒含量在20%以下时，压缩指数（C_c）基本不变；当FC从30%增加到95%时，C_c总体表现为增大，但随着不同微结构成因而发生相反趋势，部分试验表明C_c随FC提高（15%~91%）而逐步减小。从渗透性来看，孔隙率与FC相关特征的TS其渗透系数（k）在FC从12%增大到50%时降低可达20倍以上；FC继续增加>50%之后，细粒对渗透性的影响作用趋于减弱。动态特性方面，循环抗阻力比（cyclic resistance ratio，CRR）同样随TS种类而异：在红泥（laterite）砂中CRR随初始固结荷载提高而增大，而铜砂（CTS）和金砂（GTS）对于有效固结应力较不敏感；含蒙脱石的土比含高岭石具有更强的抗循环荷载能力。以上特征对构造稳定性计算和地震层面评价都有重要作用。

2.4 TS堆积的环境风险评估
TS的常规堆存方式为尾矿库，全球近8000座（我国约有8000座）矿山尾矿库均是具有巨大蓄势覆能的松低源，其失稳概率相较湖坝年均降。据1971至南（Brumadinho）、2011年日本及2008年山西等溃坝灾难事件均可印证。为了把控风险，工程上已引入InSAR（合成干涉孔雷达）和GNSS等变形监测。同时TS露天堆存经风化—淋滤、大气降水与酸碱氧化，会让Cd，Pb，Zn等重金属进入水土，威胁周边人体健康；为此在土壤评价时可采用的单项指数法、内梅污染指数法等。

3. 基于CiteSpace的研究量分析
利用CiteSpace对Web of Science核心集（2009–2022年）检索对照1013篇文献进行了合作网络、共被引与关键词聚类分析。统计结果显示：加拿大、中国和美国在TS岩土研究中的发文量位居前列，分别有216、99和76篇；以University of Alberta、University of Saskatchewan等为代表的机构为研究主力军。被引作者形成若干研究集群（如Ahmari与Duxson等）。关键词时序表明在研究热点从早期的"重金属固定""生物降解"和”环境污染“等地球化学背景，逐步过渡向"混凝土""强度""耐久性""地聚合物"及"细河骨料"等岩土工程方向迁移，且以道路土工和绿色交通发展为特征的研究态势日趋明显。

4. TS作为交通土方应用
4.1 使用TS作土方路基基座填料
TS因自身强度较低，必须转化为一定比例的水泥、石灰等稳定材料或火山灰材料等使用。对于水泥—TS体系，水化产物生成网状水化硅酸钙（C-S-H）凝砂，可填筑土粒间隙，增密粒料与骨料的界面过渡区，明显提高其灌注和无侧限抗压强度（unconfined compressive strength，UCS）。研究表明掺入15%水泥后的TS可达到柔性道路基层强度指标；部分碎料在5%水泥掺度下7和28 d抗压下分别可达4.37与7.17 MPa。添加塑料和橡胶橡胶颗粒能吸收动载能量，提高TS路面的延性和抗震动力，但大量橡胶会削弱强度；而粉煤灰、钢渣等桥接复合，可进一步增强工程性能与生态适用性。

4.2 TS利用于软弱路基土改善
TS对软弱土尤其膨胀性和黑棉土（black cotton soil）具有稳定效果。将TS与水泥、石灰等混合或单掺，可改善：使膨胀土塑性降低、内磨角提高、剪切强度显著增大，同时有效抑制胀缩；当单掺TS含量20%~30%时作用最优。复合掺时（如下8%水泥+8%石灰与TS混合），对黑棉土路面加固与提高CBR作用明显。对细粒土则可用于吸附固Pb污染，约束排污与秸秆固化；对红土、赤泥等特定土种的结果也均取得了一定的指导性结论。

4.3 TS基地聚合物地建材料
TS富含硅铝氧化物，可替代天然砂或固结剂在碱激发下合成“地聚合物”（geopolymer）。通过调整碱液NaOH摩尔浓度、温度、含水率与配合比等，可以使TS基材UCS达到2.5~5.32 MPa，满足交通部世界标准基层路段对强度的要求；同时此类胶凝对重金属（Pb²⁺）具有相当高的固化率（96%以上），展现较高在特殊土固化、道路保全等领域的潜力。

5. 工程案例研究
5.1 某高速路路基：某地103即一座尾矿粉区针段，采用CFG桩（水泥-粉煤灰-碎石桩，cent豁免）加固拔线土尾矿填充路基；桩径0.5 m、桩长15 m、上铺10.5 m厚，桩距1.75 m，布桩呈梅形，处理后得到软弱路基承载稳定，沉降峰值9.83 mm，低于设计可接受值，沉降收敛性好且过程满足稳定。
5.2 摩洛哥加恩图尔磷矿区（Morocco：Gantour）试验路堤：以加少量水泥混磷酸盐尾砂作为填土工程，施工分三压实层（0.30 m/层），在场获得最佳压实量 moisture 条件为（0.9±1.1）W_opn，采用V4客压实机压实。结果评估，该混合料可填筑15 m高路堤而仍满足无显著变形与规范沉降要求。

5.3 小结与问题：上述已验项目表明TS可应用于实际交通设施，但工程耐久性、环境保护性及长期标准仍然欠缺，配套工程规范仍属不足系数需进一步补齐。

6. 未来研究
（1）传统改性TS道路填充材料的长期天空性能（カ）评价不足，应增加；
（2）TS稳定土薄弱土体方向尚度土、粉沙娑、砂土领域不断扩展；
（3）TS基聚合物在交通方向各的大规模试验和工程化程度低，尚有耐久性、浸出毒性仍需深化研究；

（4）除铁、铜尾矿外，铅、锌、石墨和其他非金属尾矿矍的系统资源化利用理论少开；
（5）基于全生命周期可持续性评价与行业标准化急需体系工程建设。

7. 结语
TS资源化利用通过矿物填土、路基改性与聚合物地聚物等多元技术路径，实现了交通岩土工程质量要求、生态环保要素的协调一致。其结果不仅为缓解天然砂瓶颈和削减固废储量提供工程路径；且借助低碳高性能材料的发展，进一步推进了交通基础在环境、耐高压与功能持久方面良好的综合潜力。未来还有大量基础实验与标准体系需要投入，使该技术从研究到实际道路交通工程真正落地。