基于玄武岩纤维‑微生物诱导碳酸盐沉淀法改良稀土尾矿解体特性试验研究

为何将矿山废料变为可用地重要

在中国南方，大量从稀土开采中遗留下的砂和泥堆，暴露在阳光和降雨之下。这些“尾矿”不仅占用土地并可能渗出重金属，而且在受浸后容易崩解，使其难以作为可建造的地基。本文所述的研究探讨了一种有前景的方法：通过将细小的岩石纤维与有益微生物结合，微生物在颗粒间生长出天然的“胶结物”，把这些问题多多的废料转化为可用于路基和地基的坚固稳定材料。

矿山残余物易崩解的问题

稀土元素为智能手机、风力发电机和电动汽车提供关键材料，但其开采留下了巨量细粒、松散的尾矿。在中国南方潮湿多雨的气候下，这些尾矿反复经历潮湿与干燥。水分渗入使黏土矿物膨胀，材料分解成泥体。如果直接用作填土，快速的解体会导致道路和建筑下沉或开裂。常用的处理方法如水泥或化学粘结剂起初有效，但在多次湿干循环下常会丧失强度，且成本高昂，可能带来新的环境负担。

两种助力：岩石纤维与“活的”胶结

研究人员测试了一种基于两种手段的复合方法。其一是玄武岩纤维，这是一种由熔融火山岩拉制而成的强韧、如发丝般细的纤维。掺入土中时，这些纤维类似微小的钢筋，将颗粒相互牵连，帮助抵抗开裂。其二是微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）。向体系中加入特定细菌和含有尿素与溶解钙的溶液，微生物代谢时将这些化学物转化为碳酸钙——与石灰石和贝壳相同的矿物——在土粒间生长出微观桥结，将颗粒粘结成更致密的整体，并以矿物形态钝化部分重金属。

对新混合材料进行“水的折磨”试验

为评估这些手段在防止稀土尾矿解体方面的效果，研究团队制备了两类试样：一种仅含玄武岩纤维，另一种同时包含纤维和微生物诱导的矿化产物。将处理过的尾矿制成圆柱块，浸没在装有精密天平的水中，同时用相机记录随时间的变化。对于部分试样，浸泡在几次之间带有干燥过程的重复循环，以模拟数月或数年的季风影响。研究者监测每块试样的失重速率、水体浑浊程度，以及表面和内部结构的变化。

处理后尾矿的变化

仅加入纤维的样品效果有限。试块能稍微维持更长时间、脱落颗粒减少，但最终仍会完全崩解为松散颗粒。真正明显的改进出现在纤维与微生物胶结结合的样品中。在这些试样中，即便在水中浸泡80分钟，试块总体仍保留形状，仅失去约三分之一到一半的质量，而不是完全碎散。经过数个湿干循环后，总体流失的物质量实际减少，尤其是在纤维含量较高的混合物中。在显微镜下，未经处理的尾矿呈松散多孔；而联合处理的样品显示出致密的团聚体，纤维、土粒和新生成的碳酸钙交织成三维框架，填充孔隙、包裹膨胀的黏土颗粒，并将一切束缚成更坚韧的整体。

从废石堆到可用地基

通俗地说，本研究表明，本来太脆弱难以承载建筑的稀土尾矿，在玄武岩纤维增强和细菌“生长”出的矿物粘结下，可以转化为更耐久的地基材料。纤维提供韧性，微生物生成的碳酸钙则将土粒与纤维锁定为稳定的骨架，能抵御反复的浸润与干燥。如果推广应用，这一方法有助于缩减矿山废堆、降低对天然砂石的需求，并在多雨地区构筑更安全、更耐久的路基和地基——且依赖的是丰富的岩石资源与微生物，而非大量传统水泥。

引用: 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

关键词: 稀土尾矿, 玄武岩纤维, 微生物诱导碳酸盐沉淀, 土壤加固, 湿干循环