酸性環境下瀝青與骨料黏附性的實驗探究

譚 航

（西安理工大學，陜西 西安 710048）

尾礦壩是將廢棄尾礦有序儲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，有助于提高礦山區的安全性、環境保護和治理[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能的泥石流庫，是一個重大的危險源[3]。由于尾礦庫存在潰壩的危險，因此給其下游居民的生活和財產安全帶來了嚴重的威脅，并且會伴隨著許多生態環境問題的產生[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行，尾礦壩潰壩已經成為了一個重要的研究問題，國內外對造成潰壩的原因做了大量的研究并提出了相應的解決措施。其中防滲結構對壩體破壞有著一定的影響，而不同的壩體在防滲方面的結構設置不同。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力是分不開的[5]。尾礦壩長期處于酸性環境中，酸性條件下對于瀝青和骨料的黏附性是否有影響以及影響的程度對于研究尾礦壩的瀝青防滲方面起著一定的作用，并對尾礦壩潰壩的成因和防治方面有著重要的意義。本文通過實驗探究酸性水質這一因素對瀝青與骨料的黏附性是否有影響以及影響程度。

1 實驗方法和材料

1.1 實驗目的

本次實驗主要是將裹有瀝青的堿性粗骨料放置在特定pH值的酸性環境下，長時間觀察其表面瀝青膜的情況變化，在不同試驗周期結束后進行水煮法試驗，根據實驗現象和結果判定粗骨料和瀝青的黏附性，分析酸性環境這一因素對瀝青與堿性粗骨料黏附性的影響程度。

1.2 試驗所需器材1.2.1 試驗材料

堿性粗骨料：石灰巖（選擇粒徑在13.2mm~19.0mm之間，形狀較為規整）24顆（如圖1所示）；瀝青（實驗室用克拉瑪依70號A級瀝青）；濃硫酸。

圖1 實驗用石灰巖骨料

1.2.2 試驗儀器設備

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

1.3 試驗步驟

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，洗凈，置于105℃±5℃的烘箱內烘干，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，并設置一組對比組，裝入蒸餾水（pH 值為 7），即每組為 pH=2，4，6，7的4瓶溶液環境，做好標記；

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℃的烘箱內烘約1個小時；

④將烘好的骨料顆粒逐個提起，浸入預先加熱至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待瀝青冷卻至適當時間，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的變化情況；

⑥一個實驗周期（7天）后取出一組進行水煮法實驗，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，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，進行對比按規定評定其黏結力等級（評定標準見表1）；并測定密封瓶內溶液的pH值；

表1 黏結力等級評定標準

⑧2個實驗周期（14天）及以后按上述步驟進行水煮法試驗，觀察實驗現象，記錄實驗結果；

⑨根據所有試驗結果，整理數據，每組實驗結果進行橫向對比和縱向對比，即酸性環境下瀝青黏結力與中性（pH=7）水環境瀝青黏結力對比，不同實驗周期段酸性環境下瀝青黏結力對比；

⑩考慮pH值與溫度的變化因素對實驗結果的影響，結合各階段的實驗現象進行分析，得出酸性水質環境下對瀝青與骨料黏附性的影響程度。

2 實驗現象及結果

2.1 四個周期（28天）水煮法實驗現象及結果

各周期結束先測定溶液的pH值，然后對骨料進行水煮法實驗，根據實驗現象及相關標準判定瀝青與骨料在不同溶液環境下的粘結力等級。

第一周期取一組溶液測其pH值，分別為3.7、5.4、6.6、7；分別進行水煮法實驗，原pH=2溶液中骨料經過3min的浸煮，發現該粗骨料表面的瀝青膜小部分被水移動，漂浮在水面上，剝離面積百分率小于10%，粘結力等級為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，粘結力等級為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象，剝離面積接近于0，粘結力等級為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%，但高于上一次實驗周期結果，粘結力等級為4；原pH=4溶液中骨料瀝青粘結力等級為4；原pH=6溶液中骨料瀝青膜剝離面積接近于0，粘結力等級為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力等級為4；原pH=4溶液中骨料瀝青粘結力等級為4；原pH=6溶液中骨料瀝青粘結力等級為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力等級為4；原pH=4溶液中骨料瀝青粘結力等級為4；原pH=6溶液中骨料瀝青粘結力等級為5。

浸泡在蒸餾水（pH=7）環境下的對比實驗組，在4個實驗周期內，粘結力等級為5，其水環境的pH值幾乎無變化。

2.2 溶液中的現象

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，隨著時間推移，氣泡數量減少，直到氣泡消失，少部分骨料露出且存在腐蝕現象，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6.5，一段時間，裹有瀝青的堿性骨料表面陸續出現小氣泡，接著小氣泡消失，氣泡消失處露出極少量骨料，腐蝕現象不太明顯，瓶壁出現少量黑褐色現象。

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象發生。

pH=7溶液pH值沒有變化，裹有瀝青的骨料基本沒有現象出現。

圖2 pH值變化圖

圖3 瀝青膜脫落面積百分率變化圖

圖4 粘結力等級變化圖

3 試驗結果分析

從圖2可以看出，在為期28天的實驗周期內，除pH=7的水溶液外，其他的水溶液的pH值均呈現出上升的趨勢，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個實驗周期（28天）中，pH=2溶液中裹有瀝青的骨料在第3個實驗周期時進行水煮法實驗，瀝青膜脫落面積約為8%（如圖3），粘結力等級為4（如圖4），之后1個周期內保持穩定不變；pH=4溶液中裹有瀝青的骨料在第2個實驗周期時進行水煮法實驗，瀝青膜脫落面積約為3%，粘結力等級為4，之后2個周期內保持穩定不變；pH=6和pH=7溶液中裹有瀝青的骨料在整個實驗周期進行水煮法實驗，瀝青膜脫落面積幾乎為0，粘結力等級為5。

根據實驗結果及整理分析得出：

(1)與中性（pH=7）水環境相比，酸性水環境下，在相同的實驗周期中，pH值越小的水溶液下的瀝青骨料呈現的現象變化越明顯，瀝青膜的脫落情況越嚴重，骨料與瀝青的黏附性（黏結力等級)下降得越快；

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

4 結語

根據相關的實驗現象及結果表明：不同pH的硫酸溶液對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驗周期內下降地越快。根據結果，初步認為酸性水質這一因素對瀝青與骨料的黏附性有影響，且酸性越強（pH值越大），黏附性影響程度越大。

由于尾礦壩潰壩的這一結果直接是由于尾礦壩結構不穩定所造成的，對于設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的措施，必須盡可能全面地找出影響壩體結構穩定性的因素。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。雖然排放至庫內的尾礦廢水進行過中和處理，但依然存在大量的H+，使得尾礦壩體長期處在酸性水質環境下[6]。由于廢水的腐蝕性很強，它能與一些金屬廢渣以及堿性礦料發生反應[7]。這些化學反應對壩體材料的性質和結構將會造成不可忽視的影響，進而影響壩體穩定性。因此，本實驗的初步探究結果可作為進一步探究在長期酸性水質環境下尾礦壩體的瀝青與骨料黏附性的情況以及對壩體在運行階段的穩定性的影響程度的實驗基礎。

[1]于廣明,宋傳旺,潘永戰,等.尾礦壩安全研究的國外新進展及我國的現狀和發展態勢[J].巖石力學與工程學報,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環境影響評價[J].金屬礦山,2012,11:121-124.

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