酸性環(huán)境下瀝青與骨料黏附性的實(shí)驗(yàn)探究

譚 航

（西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048）

尾礦壩是將廢棄尾礦有序儲(chǔ)存并堆積碾壓而成的壩體，一般分為初期壩和尾礦堆積壩兩個(gè)階段[1]，具有浸出礦渣、澄清液體廢物和提供返回用水的作用，有助于提高礦山區(qū)的安全性、環(huán)境保護(hù)和治理[2]。但在另一方面，尾礦壩所形成的尾礦庫是人造的具有高勢(shì)能的泥石流庫，是一個(gè)重大的危險(xiǎn)源[3]。由于尾礦庫存在潰壩的危險(xiǎn)，因此給其下游居民的生活和財(cái)產(chǎn)安全帶來了嚴(yán)重的威脅，并且會(huì)伴隨著許多生態(tài)環(huán)境問題的產(chǎn)生[4]。

因此，為了防止尾礦壩的短期突然性破壞，確保尾礦壩的長期安全運(yùn)行，尾礦壩潰壩已經(jīng)成為了一個(gè)重要的研究問題，國內(nèi)外對(duì)造成潰壩的原因做了大量的研究并提出了相應(yīng)的解決措施。其中防滲結(jié)構(gòu)對(duì)壩體破壞有著一定的影響，而不同的壩體在防滲方面的結(jié)構(gòu)設(shè)置不同。在以瀝青混凝土心墻為防滲體的尾礦壩中，心墻的防滲性和瀝青與骨料的黏結(jié)力是分不開的[5]。尾礦壩長期處于酸性環(huán)境中，酸性條件下對(duì)于瀝青和骨料的黏附性是否有影響以及影響的程度對(duì)于研究尾礦壩的瀝青防滲方面起著一定的作用，并對(duì)尾礦壩潰壩的成因和防治方面有著重要的意義。本文通過實(shí)驗(yàn)探究酸性水質(zhì)這一因素對(duì)瀝青與骨料的黏附性是否有影響以及影響程度。

1 實(shí)驗(yàn)方法和材料

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本次實(shí)驗(yàn)主要是將裹有瀝青的堿性粗骨料放置在特定pH值的酸性環(huán)境下，長時(shí)間觀察其表面瀝青膜的情況變化，在不同試驗(yàn)周期結(jié)束后進(jìn)行水煮法試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果判定粗骨料和瀝青的黏附性，分析酸性環(huán)境這一因素對(duì)瀝青與堿性粗骨料黏附性的影響程度。

1.2 試驗(yàn)所需器材1.2.1 試驗(yàn)材料

堿性粗骨料：石灰?guī)r（選擇粒徑在13.2mm~19.0mm之間，形狀較為規(guī)整）24顆（如圖1所示）；瀝青（實(shí)驗(yàn)室用克拉瑪依70號(hào)A級(jí)瀝青）；濃硫酸。

圖1 實(shí)驗(yàn)用石灰?guī)r骨料

1.2.2 試驗(yàn)儀器設(shè)備

750 mL玻璃密封瓶4個(gè)；尼龍絲線足夠長；篩：篩孔尺寸13.2mm，19.0mm；烘箱：200℃，可自動(dòng)控溫；加熱瀝青容器：500mL；燒杯：1000mL，2 個(gè)；量筒：125mL，2 個(gè)；滴管：2 個(gè)；玻璃棒；加熱器具：電爐；pH計(jì)（讀數(shù)精確至0.1）。

1.3 試驗(yàn)步驟

①用篩子篩取粒徑在13.2 mm~19.0 mm形狀接近于立方體的粗骨料顆粒24個(gè)，洗凈，置于105℃±5℃的烘箱內(nèi)烘干，取出冷卻至室溫備用；

②取濃硫酸配制pH值在2，4，6的硫酸溶液各450mL，將密封瓶分為4組分別裝入pH值為2，4，6的硫酸溶液，并設(shè)置一組對(duì)比組，裝入蒸餾水（pH 值為 7），即每組為 pH=2，4，6，7的4瓶溶液環(huán)境，做好標(biāo)記；

③將骨料顆粒用尼龍絲線 (具有一定的抗酸腐蝕能力)系牢，置于105℃±5℃的烘箱內(nèi)烘約1個(gè)小時(shí)；

④將烘好的骨料顆粒逐個(gè)提起，浸入預(yù)先加熱至130℃至150℃的瀝青中45s，使骨料顆粒表面完全被瀝青裹覆；將裹覆瀝青的骨料顆粒懸掛于試驗(yàn)架上，使多余的瀝青流掉，并在室溫下冷卻；

⑤待瀝青冷卻至適當(dāng)時(shí)間，將該骨料顆粒懸掛于密封瓶中（各玻璃密封瓶中分別放置6顆石料），與瓶壁沒有太大接觸，并使溶液浸沒瀝青骨料顆粒，封好瓶子；將所有密封瓶置于陰涼處靜置，記錄每日密封瓶所處室溫以及瓶內(nèi)的變化情況；

⑥一個(gè)實(shí)驗(yàn)周期（7天）后取出一組進(jìn)行水煮法實(shí)驗(yàn)，即將一部分骨料從密封瓶中取出，浸入盛有沸水的燒杯中央，加熱至燒杯中的水保持微沸狀態(tài)，但不允許有沸開的泡沫；

⑦浸煮3min后，將骨料從水中取出，觀察估料顆粒表面瀝青膜的脫落程度，進(jìn)行對(duì)比按規(guī)定評(píng)定其黏結(jié)力等級(jí)（評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)見表1）；并測(cè)定密封瓶內(nèi)溶液的pH值；

表1 黏結(jié)力等級(jí)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

⑧2個(gè)實(shí)驗(yàn)周期（14天）及以后按上述步驟進(jìn)行水煮法試驗(yàn)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果；

⑨根據(jù)所有試驗(yàn)結(jié)果，整理數(shù)據(jù)，每組實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行橫向?qū)Ρ群涂v向?qū)Ρ?，即酸性環(huán)境下瀝青黏結(jié)力與中性（pH=7）水環(huán)境瀝青黏結(jié)力對(duì)比，不同實(shí)驗(yàn)周期段酸性環(huán)境下瀝青黏結(jié)力對(duì)比；

⑩考慮pH值與溫度的變化因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，結(jié)合各階段的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行分析，得出酸性水質(zhì)環(huán)境下對(duì)瀝青與骨料黏附性的影響程度。

2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果

2.1 四個(gè)周期（28天）水煮法實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果

各周期結(jié)束先測(cè)定溶液的pH值，然后對(duì)骨料進(jìn)行水煮法實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)判定瀝青與骨料在不同溶液環(huán)境下的粘結(jié)力等級(jí)。

第一周期取一組溶液測(cè)其pH值，分別為3.7、5.4、6.6、7；分別進(jìn)行水煮法實(shí)驗(yàn)，原pH=2溶液中骨料經(jīng)過3min的浸煮，發(fā)現(xiàn)該粗骨料表面的瀝青膜小部分被水移動(dòng)，漂浮在水面上，剝離面積百分率小于10%，粘結(jié)力等級(jí)為4；原pH=4溶液中骨料瀝青膜完全保存，剝離面積百分率接近于0，幾乎無瀝青漂浮于水面，粘結(jié)力等級(jí)為5；原pH=6溶液中骨料瀝青膜完全保存，沒有瀝青漂浮于水面的現(xiàn)象，剝離面積接近于0，粘結(jié)力等級(jí)為5。

第二周期其pH值分別為4.7、5.8、6.8、7；原pH=2溶液中骨料表面的瀝青膜剝離面積百分率小于10%，但高于上一次實(shí)驗(yàn)周期結(jié)果，粘結(jié)力等級(jí)為4；原pH=4溶液中骨料瀝青粘結(jié)力等級(jí)為4；原pH=6溶液中骨料瀝青膜剝離面積接近于0，粘結(jié)力等級(jí)為5。

第三周期其pH值分別為5.4、6.3、6.9、7；原pH=2溶液中骨料與瀝青粘結(jié)力等級(jí)為4；原pH=4溶液中骨料瀝青粘結(jié)力等級(jí)為4；原pH=6溶液中骨料瀝青粘結(jié)力等級(jí)為5。

第四周期其pH值分別為5.5、6.4、7、7；原pH=2溶液中骨料瀝青粘結(jié)力等級(jí)為4；原pH=4溶液中骨料瀝青粘結(jié)力等級(jí)為4；原pH=6溶液中骨料瀝青粘結(jié)力等級(jí)為5。

浸泡在蒸餾水（pH=7）環(huán)境下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)組，在4個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，粘結(jié)力等級(jí)為5，其水環(huán)境的pH值幾乎無變化。

2.2 溶液中的現(xiàn)象

pH=2溶液的pH值由2上升到4.5，裹有瀝青的堿性骨料表面開始出現(xiàn)透明小氣泡，在骨料的棱角邊處較為明顯，接著氣泡變大變多，隨著時(shí)間推移，氣泡數(shù)量減少，直到氣泡消失，少部分骨料露出且存在腐蝕現(xiàn)象，瓶壁附有少量明顯的瀝青，成黑褐色。

pH=4溶液的pH值由4上升到6.5，一段時(shí)間，裹有瀝青的堿性骨料表面陸續(xù)出現(xiàn)小氣泡，接著小氣泡消失，氣泡消失處露出極少量骨料，腐蝕現(xiàn)象不太明顯，瓶壁出現(xiàn)少量黑褐色現(xiàn)象。

pH=6溶液的pH值由6上升到7，裹有瀝青的骨料沒有明顯的現(xiàn)象發(fā)生。

pH=7溶液pH值沒有變化，裹有瀝青的骨料基本沒有現(xiàn)象出現(xiàn)。

圖2 pH值變化圖

圖3 瀝青膜脫落面積百分率變化圖

圖4 粘結(jié)力等級(jí)變化圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

從圖2可以看出，在為期28天的實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，除pH=7的水溶液外，其他的水溶液的pH值均呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)，且pH=2、pH=4和pH=6的溶液pH值前期變化幅度較大，后期變化幅度較小。

在4個(gè)實(shí)驗(yàn)周期（28天）中，pH=2溶液中裹有瀝青的骨料在第3個(gè)實(shí)驗(yàn)周期時(shí)進(jìn)行水煮法實(shí)驗(yàn)，瀝青膜脫落面積約為8%（如圖3），粘結(jié)力等級(jí)為4（如圖4），之后1個(gè)周期內(nèi)保持穩(wěn)定不變；pH=4溶液中裹有瀝青的骨料在第2個(gè)實(shí)驗(yàn)周期時(shí)進(jìn)行水煮法實(shí)驗(yàn)，瀝青膜脫落面積約為3%，粘結(jié)力等級(jí)為4，之后2個(gè)周期內(nèi)保持穩(wěn)定不變；pH=6和pH=7溶液中裹有瀝青的骨料在整個(gè)實(shí)驗(yàn)周期進(jìn)行水煮法實(shí)驗(yàn)，瀝青膜脫落面積幾乎為0，粘結(jié)力等級(jí)為5。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及整理分析得出：

(1)與中性（pH=7）水環(huán)境相比，酸性水環(huán)境下，在相同的實(shí)驗(yàn)周期中，pH值越小的水溶液下的瀝青骨料呈現(xiàn)的現(xiàn)象變化越明顯，瀝青膜的脫落情況越嚴(yán)重，骨料與瀝青的黏附性（黏結(jié)力等級(jí))下降得越快；

(2)酸性水環(huán)境下，不同pH值下的水溶液對(duì)瀝青與骨料的黏附性都有不同程度的影響，均呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。

4 結(jié)語

根據(jù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果表明：不同pH的硫酸溶液對(duì)瀝青與骨料的黏附性均有一定的影響，且pH值越小，其黏附性在相同的實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)下降地越快。根據(jù)結(jié)果，初步認(rèn)為酸性水質(zhì)這一因素對(duì)瀝青與骨料的黏附性有影響，且酸性越強(qiáng)（pH值越大），黏附性影響程度越大。

由于尾礦壩潰壩的這一結(jié)果直接是由于尾礦壩結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定所造成的，對(duì)于設(shè)有瀝青混凝土心墻的尾礦壩而言，要研究其可能潰壩的原因以及采取相應(yīng)的措施，必須盡可能全面地找出影響壩體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的因素。在壩體工程中，修筑尾礦壩選用的壩體材料具有一定的特殊性，它是由一些金屬礦渣等工業(yè)廢料組成的。礦山酸性廢水水量較大，pH值較低，并含高濃度的硫酸鹽和可溶性的重金屬離子。雖然排放至庫內(nèi)的尾礦廢水進(jìn)行過中和處理，但依然存在大量的H+，使得尾礦壩體長期處在酸性水質(zhì)環(huán)境下[6]。由于廢水的腐蝕性很強(qiáng)，它能與一些金屬廢渣以及堿性礦料發(fā)生反應(yīng)[7]。這些化學(xué)反應(yīng)對(duì)壩體材料的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)將會(huì)造成不可忽視的影響，進(jìn)而影響壩體穩(wěn)定性。因此，本實(shí)驗(yàn)的初步探究結(jié)果可作為進(jìn)一步探究在長期酸性水質(zhì)環(huán)境下尾礦壩體的瀝青與骨料黏附性的情況以及對(duì)壩體在運(yùn)行階段的穩(wěn)定性的影響程度的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

[1]于廣明,宋傳旺,潘永戰(zhàn),等.尾礦壩安全研究的國外新進(jìn)展及我國的現(xiàn)狀和發(fā)展態(tài)勢(shì)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2014,33(1):3238-3248.

[2]周振民,李香園.我國尾礦壩潰壩事故成因及生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)[J].金屬礦山,2012,11:121-124.

[3]魏勇,許開立,鄭欣.尾礦壩潰壩事故致因分析[J].中國礦業(yè),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]黃歡.瀝青混凝土心墻發(fā)展現(xiàn)狀及其特性研究[J].農(nóng)村經(jīng)濟(jì)與科技,2016,27(6):19-21.

[6]李芬,郭銳,黃蔚源.酸性環(huán)境下尾礦壩長期運(yùn)行穩(wěn)定性評(píng)估[J].安全與環(huán)境工程,2016,23(3):158-162.

[7]左莉娜,賀前鋒.酸性礦山廢水的治理技術(shù)現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].環(huán)境工程,2013,31(5):35-38.