固体废弃物混合料在堤坝工程中的强度特性研究

Study on Strength Characteristics of Solid Waste Mixture in Dam Engineering

摘要

针对尾矿砂与粉煤灰资源化利用问题，以两者为主要原料，开展固体废弃物混合料的力学性能研究。在分析材料基本物理性质的基础上，设计9种不同配比方案，采用0、3、7、28 d无侧限抗压强度试验，系统研究水泥、石灰及粉煤灰掺量对强度演化规律的影响。通过分析研究，提出了以尾矿砂与粉煤灰为主要原料的新型混合材料，用于道路基层与底基层结构层。结果表明： ${2}^{\#}\mathrm{、}{4}^{\#}\mathrm{、}{5}^{\#}\mathrm{、}{6}^{\#}\mathrm{、}{7}^{\#}$ 配比 7 d 强度分别为4.4、3.2、2.12、1.52、1.14 MPa，混合料强度随龄期延长显著提高，水泥掺量对强度增长起主导作用，粉煤灰通过二次水化反应可优化结构并提升后期强度，而石灰对强度贡献相对有限；不同配比材料均表现出由塑性向脆性转变的力学特征。基于试验结果，提出了适用于道路基层与底基层的尾矿砂-粉煤灰复合材料体系。

Abstract

Aiming at the problem of resource utilization of tailings sand and fly ash，this paper took the two as the main raw materials to study the mechanical properties of solid waste mixture.Based on the analysis of the basic physical properties of the material，nine different ratio schemes were designed， and the unconfined compressive strength tests of 0，3，7 and 28 d were used to systematically study the influence of cement，lime and fly ash content on the strength evolution law.Through analysis and research，a new mixed material with tailings sand and fly ash as the main raw material was proposed for the use in road base and subbase structure layer.The results show that the 7 d strength of ${2}^{\#},{4}^{\#},{5}^{\#},{6}^{\#},{7}^{\#}$ ratio is 4.4，3.2， 2.12,1.52,1.14MPa ，respectively.The strength of the mixture significantly increases with the extension of the age，and the cement content plays a leading role in the strength growth.The fly ash can optimize the structure and improve the later strength through the secondary hydration reaction，while the contribution of lime to the strength is relatively limited.The materials with different proportions show the mechanical characteristics of the transition from plasticity to brittleness.Based on the test results，a tailings sand-fly ash composite material system suitable for road base and subbase is proposed.

关键词

尾矿砂 / 粉煤灰 / 无侧限抗压强度 / 道路工程

Key words

tailings sand / fly ash / unconfined compressive strength / road engineering

参考文献

[1] 刘文博, 姚华彦, 王静峰, 等. 铁尾矿资源化综合利用现状[J]. 材料导报, 2020, 34(增刊1):268-270.

[2] Lu Chang, Yang Huamin, Wang Jie, et al. Utilization of iron tailings to prepare high-surface area mesoporous silica ma- terials[J]. Science of the Total Environment, 2020, 736: 139483.

[3] 中华人民共和国生态环境部.2024年中国生态环境状况公报[EB／OL].[2025-12-11].

[4] Benarchid Y, Taha Y, Argane R, et al. Concrete containing low-sulphide waste rocks as fine and coarse aggregates:pre- liminary assessment of materials[J]. Journal of Cleaner Production, 2019, 221:419-429.

[5] Simonsen T M A, Solismaa S, Hansen K H, et al. Evaluation of mine tailings＇potential as supplementary cementitious materials based on chemical,mineralogical and physical characteristics[J]. Waste Management, 2020, 102:710-721.

[6] 杨玉飞, 卢永琦, 刘婷婷, 等. 基于 CiteSpace 可视化分析粉煤灰堆存对水环境影响研究进展[J]. 科学技术与工程, 2025, 25(13):5285-5296.

[7] Liu Peng, Gu Xiaobin, Zhang Zhikai, et al. Capric acid hybridizing fly ash and carbon nanotubes as a novel shape-stabi- lized phase change material for thermal energy storage[J]. ACS Omega, 2019, 4(12):14962-14969.

[8] Gao Jianming, Yan Zhenwei, Ma Shujia, et al. Novel process for high value utilization of high-alumina fly ash:valuable metals recovery and mesoporous silica in situ preparation[J]. RSC Advances, 2024, 14:1782.

[9] 吴锦文, 邓小伟, 焦飞硕, 等. 煤基灰／渣的大宗固废资源化利用现状及发展趋势[J]. 煤炭科学技术, 2024, 52(6):238-252.

[10] 王笑天, 华绍广, 裴德健, 等. 铁尾矿管控与综合利用的现状与前景[J]. 金属矿山, 2025(7):243-253.

[11] Ou Xiaoduo, Chen Fugui, Lyu Zhengfan, et al. Synthesis of backfill foam lightweight soil from bauxite tailings slurry and industrial byproducts[J]. Journal of Central South University, 2025, 32(8):3057-3069.

[12] 邵伟华, 刘广学, 刘磊, 等. 云南省某石英砂岩矿提纯及尾矿综合利用研究[J]. 中国矿业, 2025, 34(7):106-114.

[13] 王琦, 杨梁宇, 任明昊, 等. 安徽某铁尾矿中粉矿回收试验及工业应用研究[J]. 现代矿业, 2025, 41(9):125-129.

[14] 杜芳芳. 某铅锌锡矿尾矿综合回收利用试验研究[J]. 湖南有色金属, 2025, 41(4):5-7.

[15] 白月娇, 林哗, 孟棒棒, 等. 电解锰渣-赤泥-粉煤灰路面砖的力学性能及浸出毒性研究[J]. 环境科学研究, 2024, 37(2):388-396.

[16] 孙勇, 蒋平, 马征宇, 等. 低碳经济视角下水泥-粉煤灰-碳化钢渣胶凝体系在尾砂充填中的性能研究[J／OL]. 矿业研究与开发,2025-10-23.https:／／doi.org／10.13827／j.cnki.kyyk.20251017. 001.https:／／doi.org／10.13827／j.cnki.kyyk.20251017.001.

[17] 宋林琳, 李常泵, 张学明, 等. 铁尾矿砂 UHDC 修复钢筋混凝土梁抗弯性能试验研究[J]. 石家庄铁道大学学报(自然科学版), 2025, 38(2):16-22.

[18] 李铁铮. 矿粉-粉煤灰-偏高岭土地聚物的性能研究[J]. 石家庄铁道大学学报(自然科学版), 2025, 38(1):84-90.

[19] 马春锋, 李玉耀, 褚付克, 等. 工业固废固化剂稳定土施工耐候性及耐久性[J]. 石家庄铁道大学学报(自然科学版), 2023, 36( 3 ):85-91.

[20] 孟涛, 钱匡亮, 钱晓倩, 等. 纳米碳酸钙中间浆体对粉煤灰混凝土长期性能的影响研究[C]//超高层混凝土泵送与超高性能混凝土技术的研究与应用国际研讨会论文集(中文版), 2008:240-244.

[21] 李慧娜, 郑淑珍, 周红, 等. 有机-无机复合材料在水泥基材料力学性能提升中的应用与研究进展[J]. 高分子材料科学与工程, 2025, 41(9):169-178.

[22] 王营, 顾晓薇, 王青, 等. 石灰基矿渣-钢渣复合胶凝材料性能及水化机理[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2024, 45(10):1459-1468.

[23] 孙振平, 闫珠华, 张挺, 等. 火山灰质材料的火山灰活性检测方法综述[J]. 材料导报, 2024, 38(1):117-122.

[24] 张海虎, 钱劲松. 固废基可控低强度材料性能的研究进展[J／OL]. 吉林大学学报(工学版),2026-01-21.https:／／doi.org／10.13229／j.cnki.jdxbgxb.20241305.https:／／doi.org／10.13229／j.cnki.jdxbgxb.20241305.

[25] 李平江, 史美伦, 陈志源. 粉煤灰细度与其火山灰活性的关系[J]. 建筑材料学报, 2004(2):207-209.

[26] 巴恒静, 冯奇, 杨英姿. 粉煤灰、硅灰及纳米硅与 C₃ S 水化反应产物的显微结构研究[J]. 硅酸盐学报, 2002(6):780-784.

[27] 林灼杰, 尹健, 李益进. 水泥-粉煤灰复合胶凝材料水化特性研究[J]. 铁道科学与工程学报, 2005(6):76-82.