Экспериментальное исследование характеристик разрушения хвостов редкоземельной добычи, улучшенных методом BF-MICP

Почему важно превращать горные отходы в пригодный для строительства грунт

По всему югу Китая огромные кучи песка и ила, оставшиеся после добычи редкоземельных элементов, лежат под открытым небом, подвергаясь дождю и солнцу. Эти «хвосты» не только занимают землю и выделяют тяжёлые металлы, но и быстро разрушаются при намокании, что делает их небезопасными для застройки. Исследование, лежащее в основе этой статьи, изучает многообещающий способ превратить эти проблемные отходы в прочный, стабильный материал для дорожных оснований и фундаментов путём сочетания тонких горных волокон с полезными микроорганизмами, которые продуцируют натуральный цемент между зернами.

Проблема рыхлых остатков горной переработки

Редкоземельные элементы питают смартфоны, ветряные турбины и электромобили, но их добыча оставляет после себя огромные насыпи тонких, рыхлых хвостов. В влажном климате юга Китая эти насыпи неоднократно увлажняются и высыхают. Вода проникает внутрь, глинистые минералы разбухают, и материал превращается в грязь. Если применять такие хвосты напрямую в качестве грунта под фундамент, их быстрая дестабилизация приведёт к просадкам или трещинам дорог и зданий. Распространённые методы упрочнения, такие как цемент или химические вяжущие, могут работать первоначально, но часто теряют прочность при многократных циклах увлажнения–высыхания, стоят дорого и способны вносить новые экологические проблемы.

Два помощника: горные волокна и живой цемент

Исследователи опробовали комбинированный подход на основе двух средств. Первое — базальтовое волокно, прочная, тонкая нить, получаемая из расплавленной вулканической породы. При добавлении в грунт такие волокна действуют как крошечные арматурные стержни, связывая зерна и помогая противостоять растрескиванию. Второе — микробиально-индуцированное осаждение карбонатов (MICP). В почву вводят специальные бактерии вместе с раствором, содержащим мочевину и растворённый кальций. Питаясь, микробы превращают эти вещества в карбонат кальция — тот же минерал, что в известняке и раковинах — который растёт в виде микроскопических мостиков между частицами грунта, склеивая их в более монолитную массу и фиксируя часть тяжёлых металлов в безопасной минеральной форме.

Проверка новой смеси в водных испытаниях

Чтобы понять, насколько эти средства защищают хвосты редкоземельной добычи от разрушения, команда подготовила два типа проб: с одними только базальтовыми волокнами и с сочетанием волокон и микробиального минералообразования. Цилиндрические блоки обработанных хвостов погружали в воду на чувствительные весы, а камеры фиксировали изменения во времени. Для части образцов замачивание повторяли несколько раз с сушкой между погружениями, имитируя месяцы или годы муссонного сезона. Учёные отслеживали скорость потеря массы каждого блока, помутнение воды и изменения поверхности и внутренней структуры.

Что случилось с обработанными хвостами

Добавление только волокон давало лишь небольшую пользу. Блоки дольше держались вместе и теряли меньше зерен, но в конце концов всё равно распадались на рыхлые частицы. Существенное изменение наблюдалось при сочетании волокон с микробиальным цементом. В таких образцах даже после 80 минут под водой блоки в основном сохраняли форму и теряли лишь около трети до половины массы, вместо полного разрушения. После нескольких циклов увлажнения–высыхания общее количество смываемого материала фактически уменьшалось, особенно в смесях с большим содержанием волокна. В микроскопе необработанные хвосты выглядели рыхлыми и пористыми, тогда как комбинированная обработка давала плотные сгустки, где волокна, зерна грунта и образовавшийся карбонат кальция переплетались в трёхмерный каркас, заполняя поры, обвивая разбухающие глинистые частицы и связывая всё в более прочное целое.

От свалок отходов к полезному грунту

Проще говоря, это исследование показывает, что хвосты редкоземельной добычи, обычно слишком хрупкие для строительства, можно превратить в значительно более долговечный строительный материал, укрепив их горными волокнами и «вырастив» минерализующий клей с помощью бактерий. Волокна дают прочность на разрыв, а микробный известняк фиксирует зерна и волокна в стабильный скелет, выдерживающий повторное намокание и высыхание. При масштабировании такой подход мог бы сократить объёмы свалок горных отходов, снизить потребность в природном песке и гравии и создать более безопасные и долговечные дорожные основания и фундаменты в дождливых регионах — при этом опираясь на изобилующие горные материалы и живые микроорганизмы вместо больших доз традиционного цемента.

Цитирование: Guo, Z., Cao, X., Wu, J. et al. Experimental study on the disintegration characteristics of rare earth tailings improved by BF-MICP. Sci Rep 16, 11064 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41736-4

Ключевые слова: хвосты редкоземельной добычи, базальтовое волокно, микробное цементирование, стабилизация грунта, циклы увлажнения‑высыхания