铜是我国重要的战略性矿产资源，在国民经济发展和基础设施建设中具有举足轻重的意义^{［ ［1］ 杨航，李伟光，申士富，等. 江西某铜尾矿制备发泡陶瓷的正交试验研究［J］. 铜业工程，2019（2）：78-86.
1 ］}。铜矿开采是重要的基础性产业之一，而铜尾矿是铜矿开采、破碎、粉磨、选别后剩余的固体废弃物。随着铜矿开采力度的加大和矿石品位的下降，铜尾矿的产量逐渐增加^{［ ［2］ 王国彬，肖庆飞，田厚源，等. 我国铜尾矿规模化消纳的研究进展［J］. 有色金属工程，2024，14（9）：169-183.
2 ］}。据统计，2023年我国尾矿的总产生量超过14亿吨，其中铜尾矿产生量超过3.6亿吨，而综合利用率仅为30.13%，大部分尾矿仍以堆存于尾矿库的形式进行处理^{［ ［3］ 张鸽，张弛，林星杰，等. 双碳背景下铜尾矿综合利用方向探讨［J］. 矿冶，2024，33（4）：600-606.
［4］ 陈玉芳，朱灿. 铜尾矿库尾矿全粒径规模化低碳消纳研究［J］. 铜业工程，2022（5）：31-37.
3-4 ］}。尾矿的堆存不仅占用了大量的土地，而且还会对土壤、地表水和地下水造成潜在的环境安全风险^{［ ［5］ XU R S，TONG H，KONG F H，et al. Potential of copper tailings as supplementary siliceous materials in the preparation of autoclaved aerated concrete［J］. Journal of Building Engineering，2024，98：111250-111250.
5 ］}。

近年来，针对铜尾矿的综合利用已开展了较多研究^{［ ［6］ 李炳蓉，于虎，林清泉，等. 循环经济模式下铜尾矿资源综合利用研究进展［J］. 铜业工程，2025（3）：93-105.
［7］ YI Y R，JAABAY D，LI C H，et al. Study on the gelation performance of mechanically wet-activated copper tailings［J］. Environmental Science and Pollution Research International，2025，32（9）：5320-5331.
6-7 ］}。主要包括：①有价金属再回收，采用浮选、浸出（酸浸/生物浸出）及选冶联合工艺回收残余铜、铁、金、银等元素^{［ ［8］ BAKALARZ A，DUCHNOWSKA M. Analysis of the possibility of copper recovery from flotation stratiform copper ore tailings［J］. Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review，2024，45（8）：943-949.
［9］ CONIĆ V，JANOŠEVIĆ M，BOŽIĆ D S，et al. Copper，zinc，and lead recovery from jarosite Pb–Ag tailings waste （part 2）［J］. Minerals，2024，14（8）：791.
8-9 ］}；②环境修复材料应用，利用其吸附性、碱性或矿物组成，处理废水或修复酸性土壤及矿区环境^{［ ［10］ 叶燕飞. 铜尾矿对模拟黑臭水中COD的净化实验研究［J］. 广东化工，2025，52（7）：113-115.
［11］ 毛喆，杨涛涛，张金桃，等. 基于铜尾矿生态化利用的矿山修复技术试验研究［J］. 地球环境学报，2024，15（5）：790-798.
10-11 ］}；③用于烧结建材的制备，将尾矿作为原料或掺合料用于生产砖、瓦、陶粒、微晶玻璃等烧结制品^{［ ［12］ 徐伟，鲁亚，刘松柏，等. 碱激发-碳养护对铜尾矿固化砖的作用机理研究［J］. 硅酸盐通报，2023，42（1）：188-195，221.
［13］ 李伟光，林荣琪，宋厚彬，等. 高硫铜尾矿制备多孔陶瓷材料及其孔结构性能研究［J］. 矿产保护与利用，2024，44（2）：91-98.
［14］ CHENG Y，LI J R，QIN C，et al. Template-free route to fabricate extra-lightweight ceramsite with a single large pore structure［J］. Ceramics International，2023，49（22）：36446-36457.
12-14 ］}；④用于矿山充填材料，通过胶凝材料固化尾矿，形成膏体或高浓度尾砂胶结充填体，用于回填井下采空区^{［ ［15］ 陈贤树，何勤，曲生华，等. 高硫超细铜尾矿充填胶凝材料的研究与应用［J］. 新型建筑材料，2020，47（9）：107-110，150.
［16］ 郭万进，吴明海，王阳，等. 我国铜矿尾矿资源化利用技术现状及进展［J］. 矿产综合利用，2023（5）：127-134.
15-16 ］}。尽管这些技术为铜尾矿资源化提供了多元途径，但其规模化消纳能力仍面临显著瓶颈，难以消纳历史堆存的巨量尾矿^{［ ［17］ 石孟利. 铜尾矿的稳定固化及安全处置工艺研究［D］. 昆明：昆明理工大学，2024.
［18］ 李亚民，黄凌云，李汶交，等. 有色金属矿山尾矿资源化利用研究进展［J］. 矿冶，2023，32（4）：93-103.
17-18 ］}。因此，探索能够大规模、高效消纳历史堆存及新增铜尾矿的新型技术路径，已成为当前行业亟待解决的关键问题。本研究提出的铜尾矿基路基材料制备技术，正是面向这一重大需求的有益探索。

路基材料是道路工程建设中用于构建路基的主要材料，需要具备良好的稳定性、强度和耐久性，主要作用是承受和消解车辆荷载。路基材料的性能直接影响道路面层的承载力、耐久性和使用寿命^{［ ［19］ 王超毅. 赤泥基稳定型路基材料综合性能研究与应用［D］. 重庆：重庆交通大学，2024.
19 ］}。近年来，随着我国基础设施建设的不断推进，道路材料的需求量越来越大。与此同时，环保政策的日益趋紧和传统资源的大量消耗，导致路基材料的成本大幅上升。路基材料作为道路工程的主要承重层，其性能与道路使用寿命和服务年限密切相关^{［ ［20］ 吕晓明. 不同改性材料对路基填料性能影响分析［J］. 黑龙江交通科技，2024，47（12）：40-46.
20 ］}。因此，开发一种廉价、无害、数量大的替代材料来减少水泥和传统材料的消耗十分必要。

从矿山固废规模化消纳处置的角度出发，以铜尾矿为主要原料制备路基材料，可以减少尾矿的堆存，提高铜尾矿的潜在价值，拓宽路基材料的原材料来源，环境效益和社会效益显著。本文研究了不同水泥掺量对铜尾矿路基材料力学性能和耐久性能的影响规律，并对铜尾矿基路基材料的环境性能进行了评价。本研究有助于铜尾矿的规模化利用，减少传统筑路资源的消耗，符合当下“绿色矿山”和“无废城市”的建设理念。

铜尾矿由江西铜业集团有限公司提供，塑性土取自九江市某取土场，水泥为强度等级为42.5的普通水泥。分别利用X射线荧光光谱（XRF）和X射线衍射光谱（XRD）对铜尾矿进行化学成分和物相组成分析，结果见表1和图1。由表1可知，铜尾矿的主要化学成分包括Si，Al，K，Ca，Fe。由图1可知，铜尾矿的主要物相组成为石英、长石、云母以及透长石，铜尾矿的成分稳定，可作为路基材料的原材料使用^{［ ［21］ PEI T R，ZHENG Y，WANG Y L，et al. Utilization of copper tailings in the preparation of low-calcium Portland cement clinker and carbonation-hardening mechanism［J］. Construction and Building Materials，2024，457：139362.
21 ］}。利用马尔文粒度分析仪对铜尾矿和塑性土的粒度分布情况进行了分析，结果见图2。由图2可知：铜尾矿粒度按Dv（10）为2.87 μm、Dv（50）为11.1 μm、Dv（90）为48.4 μm；塑性土粒度Dv（10）为0.886 μm、Dv（50）为6.98 μm、Dv（90）为62.2 μm。利用液塑限联合测定法对铜尾矿和塑性土的液塑限指数进行测定，结果见表2。铜尾矿的液限为17.43，塑限为11.79；塑性土的液限为31.17，塑限为14.53；塑性指数为16.64。通过向铜尾矿中复配适量塑性土可以改善铜尾矿的塑性指数。

基于铜尾矿的基础理化性质和路基材料的性能要求设计配合比，见表3。参照JTG 3441—2024进行试验研究^{［ ［22］ 中华人民共和国交通运输部. 公路工程无机结合料稳定材料试验规程：JTG 3441—2024［S］. 北京：人民交通出版社，2024.
22 ］}。

击实试验按照JTG 3441—2024之T 0804—1994中的甲法进行，以获得混合料的最大干密度和最佳含水率。无侧限抗压强度试验按照T 0805—1994进行，压力机测量精度为±1%，同时具有加载速率指示或加载速率控制的装置，压力机加载速度可以有效控制在1 mm/min^{［ ［22］ 中华人民共和国交通运输部. 公路工程无机结合料稳定材料试验规程：JTG 3441—2024［S］. 北京：人民交通出版社，2024.
22 ］}。

根据击实试验获得的最大干密度和最佳含水率试验结果，按照JTG 3430—2020的试验方法，开展CBR贯入试验^{［ ［23］ 中华人民共和国交通运输部. 公路土工试验规程：JTG 3430—2020［S］. 北京：人民交通出版社，2020.
23 ］}。CBR试验值是评价路基土和路面材料强度和承载能力的指标。在CBR试验贯入过程中，试件的局部与整体间发生相对位移时，CBR试验值可反映试件中产生相对位移的剪切面上抗剪切力的大小，表征试件的抗局部剪切强度。根据曲线推导贯入量的单位压力值：当贯入量为2.5 mm时，CBR值按式（1）计算；当贯入量为5 mm时，CBR值按式（2）计算。

冻融循环试验按照JTG 3441—2024中的T 0858—1994进行。首先，将成型后的样品养护28 d。随后进行冻融循环试验，将可程式恒温恒湿试验机设定温度为-18 ℃，冷冻时间为16 h；同时保证样品周围留20 mm空隙，以利于冷空气流通。冷冻试验结束后取出样品，立即放入20 ℃的水中进行融化，并确保水面高出样品20 mm。融化8 h后取出样品，擦干表面水分，至此为1次冻融循环。样品分别循环5和10次后，进行抗压强度试验。抗冻性强度损失率（BDR）按照式（3）计算^{［ ［22］ 中华人民共和国交通运输部. 公路工程无机结合料稳定材料试验规程：JTG 3441—2024［S］. 北京：人民交通出版社，2024.
22 ］}。

式中：BDR为经过n次冻融循环后样品的抗压强度比，%；R_DC为经过n次冻融循环后样品的抗压强度，MPa；R_c为对比样品的抗压强度，MPa。

养护28 d样品用于干湿循环试验。将样品浸水（常温）5 h；然后放入烘干箱，在70 ℃下烘干42 h；随后在空气中干燥1 h，此为1次循环。测试抗压强度前应浸水2 h，空气干燥至少2 h。分别测试5，10，15，20，25次循环后的无侧限抗压强度。

由于水泥掺量对路基材料的吸水率和密度有较大影响，不同水泥掺量路基材料的最佳含水率和最大干密度存在较大差异，通过击实试验测得水泥掺量分别为1%，3%，5%，7%样品的干密度与含水率关系见图3。由图3可知，水泥掺量分别为1%，3%，5%，7%的样品，其最大干密度分别为2.077，2.072，2.068，2.063 g/cm³，最佳含水率分别9.91%，10.22%，10.50%，10.82%。

为了探究水泥掺量对铜尾矿基路基材料的7 d无侧限抗压强度的影响，基于击实试验获得的最佳含水率和最大干密度制备标准试块，养护7 d后，进行抗压强度测试，结果见图4。由图4可知，当水泥掺量分别为1%，3%，5%，7%时，养护7 d后样品抗压强度分别为1.25，2.04，5.23，6.19 MPa。随着水泥掺量的增加，路基材料的无侧限抗压强度逐渐升高。当水泥掺量为5%~7%时，路基材料的无侧限抗压强度满足JTG/T F20—2015中对高速公路及一级公路中、轻交通基层的强度要求（3.0~5.0 MPa）^{［ ［24］ 中华人民共和国交通运输部. 公路路面基层施工技术细则：JTG/T F20—2015［S］. 北京：人民交通出版社，2015.
24 ］}。值得注意的是，未添加水泥的样品组，浸水后样品会发生形变。 此外，过多的水泥掺量将增加成本，同时会导致路面基层材料异常收缩。

不同铜尾矿掺量对路基材料无侧限抗压强度的影响结果见图5。由图5可知，随着铜尾矿掺量的增加，路基材料的7 d无侧限抗压强度呈现先升高后降低的趋势。当铜尾矿掺量在40%~80%时，路基材料的无侧限抗压强度超过了5.00 MPa，满足JTG/T F20—2015中对高速公路及一级公路中、轻交通基层的强度要求（3.0~5.0 MPa）。为了最大程度利用铜尾矿，选取铜尾矿掺量为80%开展下一步试验^{［ ［24］ 中华人民共和国交通运输部. 公路路面基层施工技术细则：JTG/T F20—2015［S］. 北京：人民交通出版社，2015.
24 ］}。

吸水量和膨胀量过高会引起路基材料在服役过程中发生膨胀，导致道路面层产生开裂、鼓包等现象，缩短道路材料使用寿命。不同水泥掺量路基材料浸水72 h后的膨胀量和吸水量变化情况见图6。由图6可知，未添加水泥的样品组浸水72 h后的膨胀量为0.901 mm、吸水量为365.17 g。添加水泥之后样品组的膨胀量和吸水量随着水泥掺量增加而降低。水泥的加入可以改善材料的堆积状态和孔隙结构，提高材料的整体密实度，降低试件的吸水量，减少试件的体积膨胀，有利于提高其作为路基材料的各项性能。当水泥掺量为5%时，膨胀量为0.117 mm、吸水量为145.3 g。

根据CBR值计算公式推导样品的CBR值，结果见表4。由表4可知，随着水泥掺量增加，样品的CBR值逐渐升高，未添加水泥的样品组CBR值未能满足路基材料的指标要求，当水泥掺量为3%时，铜尾矿基路基材料的CBR值为101.7%，可满足标准要求。

根据标准T 0858—2009对不同水泥掺量路基材料的抗冻性进行评价。试样养护28 d后，经过1，3，5，7，10次冻融循环后进行无侧限抗压强度测试，测试结果见图7，冻融后样品见图8。由图7可知，养护28 d后样品的强度显著提高。冻融循环1次后，样品的抗压强度继续增加，这主要是由于部分水泥未完全发生水化，随着反应进行仍能继续保持强度。继续开展冻融循环试验，不同水泥掺量样品的抗压强度均随着冻融循环次数的增加而降低。当水泥掺量为5%时，冻融循环5次和10次后的抗压强度分别为6.71，4.98 MPa，仍可满足JTG/T F20—2015中对高速公路及一级公路中、轻交通基层的强度要求（3.0~5.0 MPa）^{［ ［24］ 中华人民共和国交通运输部. 公路路面基层施工技术细则：JTG/T F20—2015［S］. 北京：人民交通出版社，2015.
24 ］}。

同时，基于冻融循环5次和10次的强度结果，计算其抗冻性评价指标——抗冻性强度损失率（BDR），结果见表5。由表5可知，当水泥掺量为5%时，冻融循环5次后的BDR值为88.41%，满足大于80%的指标要求，冻融循环10次后的BDR值为65.61%，仍超过60%，表明路基材料抗冻性能较好，这说明以铜尾矿为主要原料制备的路基材料具有良好的抗冻性^{［ ［22］ 中华人民共和国交通运输部. 公路工程无机结合料稳定材料试验规程：JTG 3441—2024［S］. 北京：人民交通出版社，2024.
22 ］}。

不同水泥掺量的铜尾矿基路基材料经过25次干湿循环后，样品的无侧限抗压强度变化情况见图9。由图9可知，水泥掺量分别为5%和7%的样品经过25次干湿循环后的抗压强度分别达到3.97 MPa和4.69 MPa，符合路基材料的标准，具有良好的抗干湿性能。值得注意的是，在以铜尾矿为主要原料制备的路基材料中，经过5次循环的样品，其无侧限抗压强度均呈现出不同的上升趋势，继续进行干湿循环，样品的强度逐渐下降。这主要是由于在前5次循环中，浸水能够促进水化反应的进行，使未反应的水泥充分发生反应，在70 ℃的干燥环境中同样可以加速水泥水化反应的进行。经过5次循环后，抗压强度随着路基材料中原材料的消耗与内部结构的变化而降低^{［ ［25］ 刘晓明，唐彬文，尹海峰，等. 赤泥—煤矸石基公路路面基层材料的耐久与环境性能［J］. 工程科学学报，2018，40（4）：438-445.
25 ］}。随着干湿循环次数的增加，材料的孔隙率逐渐增大，材料之间的结合强度逐渐减弱，抗压强度逐渐降低。

为探究路基材料微观结构演变，对水泥掺量为5%、养护28 d的基准样品，以及经历不同冻融循环和干湿循环周期的样品进行了傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，结果见图10。其中，图10（a）展示了养护28 d样品及经1次、5次冻融循环样品的FTIR谱图；图10（b）展示了养护28 d样品及经5次、10次干湿循环样品的FTIR谱图。由图10可知，通过不同波数下的吸收带，可以对分子基团进行分析和鉴定。3597 cm⁻¹处的吸收带与Ca（OH）₂中的Ca-OH有关，这在养护28 d后的样品中强度最高，说明养护28 d后样品中仍含有较多的Ca（OH）₂；冻融循环和干湿循环样品对应的吸收带相对较弱，证明冻融循环和干湿循环过程促进了样品中二次水化反应的持续进行^{［ ［26］ KUCHARCZYK S，SITARZ M，ZAJAC M，et al. The effect of CaO/SiO2 molar ratio of CaO-Al2O3-SiO2 glasses on their structure and reactivity in alkali activated system［J］. Spectrochimica Acta Part A：Molecularand Biomolecular Spectroscopy，2018，194：163-171.
26 ］}，消耗了Ca（OH）₂，提升了强度。3402 cm⁻¹处的吸收带与样品中Si-OH的伸缩振动有关。1621 cm⁻¹处的吸收带与H-O-H的弯曲振动有关。873 cm⁻¹和1479 cm⁻¹处O-C-O键的不对称伸缩振动吸收带与CO₃²⁻有关，这与样品中碳酸盐的存在有关^{［ ［27］ LIU X M，ZHAO X B，YIN H F，et al. Intermediate-calcium based cementitious materials prepared by MSWI fly ash and other solid wastes：hydration characteristics and heavy metals solidification behavior［J］. Journal of Hazardous Materials，2018，349：262-271.
27 ］}。值得注意的是，998 cm⁻¹和1124 cm⁻¹处的吸收带与Si-O-T（T=Si，Al）硅氧键和铝硅氧桥以及Si-O断裂硅氧桥的不对称拉伸振动有关^{［ ［26］ KUCHARCZYK S，SITARZ M，ZAJAC M，et al. The effect of CaO/SiO2 molar ratio of CaO-Al2O3-SiO2 glasses on their structure and reactivity in alkali activated system［J］. Spectrochimica Acta Part A：Molecularand Biomolecular Spectroscopy，2018，194：163-171.
26 ］}，这代表了水泥水化产生的凝胶^{［ ［28］ BRZEZIŃSKA-MIECZNIK J，JELEŃ P，HABERKO K，et al. The effect of NaOH and KOH treatment on the behavior of CO32− and OH− groups in natural origin hydroxyapatite［J］. Ceramics International，2017，43（15）：12540-12545.
28 ］}。在691 cm⁻¹处的吸收带代表SO₄²⁻的伸缩振动带。474 cm⁻¹的吸收带与Si-O-Si的弯曲振动有关。这代表了硅酸盐，包括晶体和非晶态^{［ ［29］ SHI Z G，SHI C J，WAN S，et al. Effect of alkali dosage and silicate modulus on carbonation of alkali-activated slag mortars［J］. Cement and Concrete Research，2018，113：55-64.
29 ］}。

为了揭示微观结构演变与宏观性能的关联，对水泥掺量为5%、养护28 d的基准样品，以及经历不同冻融循环和干湿循环周期的样品进行了扫描电子显微镜（SEM）分析，结果见图11。图11（a~e）分别为养护28 d，1次、5次冻融循环，以及5次、10次干湿循环试验样品的SEM图像。由图11（a~c）可知：相较于养护28 d的样品［图11（a）］，经1次冻融循环后的样品［图11（b）］表面产生了更丰富的絮状胶凝产物，这些产物填充了孔隙，紧密包裹并桥接骨料颗粒，形成更为致密的整体结构，这与其宏观强度的提升相吻合^{［ ［30］ XU Y T，LIU X M，ZHANG Y L，et al. Investigation on sulfate activation of electrolytic manganese residue on early activity of blast furnace slag in cement-based cementitious material［J］. Construction and Building Materials，2019，229：116831.
30 ］}；然而，经5次冻融循环后［图11（c）］，在低温和饱水环境的反复作用下，前期水化形成的絮状胶凝产物发生劣化，使得材料致密性降低、孔隙率增加，从而导致路基材料强度下降。通过对比图11（a，d，e）可知，经5次干湿循环后的样品［图11（d）］同样产生了更加丰富的絮状胶凝产物，水化产物的增加及其对内部孔隙结构的优化，是该阶段抗压强度得以提高的微观基础^{［ ［31］ WANG Y G，GAO S，LIU X M，et al. Preparation of non-sintered permeable bricks using electrolytic manganese residue：Environmental and NH3-N recovery benefits［J］. Journal of Hazardous Materials，2019，378：120768.
31 ］}。相较于冻融样品［图11（b）］，干湿循环样品表面的致密性明显提高，主要是由于干湿循环过程具备的饱水和烘干阶段高于室温的条件，共同营造了更有利于持续水化和结构致密化的环境，从而使强度得到更显著提升。

铜尾矿是选矿过程产生的固体废弃物，尾矿中含有多种重金属元素，因此，评估其资源化利用产品的环境安全性至关重要。为考察铜尾矿基路基材料的环境友好性，本研究参照HJ 557—2010对铜尾矿原料及水泥掺量为5%、养护7 d的路基材料开展浸出试验^{［ ［32］ 环境保护部. 固体废物浸出毒性浸出方法 水平振荡法：HJ 557—2010［S］. 北京：中国环境科学出版社，2010.
32 ］}。将浸出液中重金属离子的质量浓度分析结果与 GB/T 5749—2022限值进行对比，结果见表6^{［ ［33］ 国家市场监督管理总局，国家标准化管理委员会.生活饮用水卫生标准： GB/T 5749—2022［S］.北京：中国标准出版社，2022.
33 ］}。由表6可知，铜尾矿原料浸出液中部分重金属离子（如Pb，Mn等）含量超出GB/T 5749—2022中的质量浓度限定，而养护7 d后的路基材料重金属离子质量浓度均低于GB/T 5749—2022的限值要求，这充分说明了铜尾矿基路基材料具有良好的环境安全性能。

本研究系统探究了水泥稳定铜尾矿基路基材料的综合性能，主要结论如下：

1）路基材料无侧限抗压强度与水泥掺量正相关。当水泥掺量为5%时，7 d养护后试样强度达5.23 MPa，满足标准要求。

2）经5次冻融循环后，试样抗压强度比（BDR）>80%；经25次干湿循环后，抗压强度仍>3.00 MPa。表明路基材料具有优良的耐久性能。

3）养护7 d后的路基材料，其重金属浸出浓度均低于GB/T 5749—2022限值，表明其环境风险可控。

4）路基材料性能优良，成本效益显著，工艺兼容性强，环境风险可控，具备潜在的工程应用可行性。

综上，铜尾矿基路基材料兼具优良的力学性能、耐久性与环境安全性，为铜尾矿规模化消纳提供了创新技术路径。该材料的合理应用可缓解资源消耗压力，降低尾矿库环境风险，对推动“无尾矿山”建设与交通基础设施的绿色化发展具有重要实践意义。