歐 孝 奪，秦 金 喜，羅 炳 雄，江 杰，陸 小 金

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004； 2.廣西大學(xué) 工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004； 3.廣西金屬尾礦安全防控工程技術(shù)研究中心，廣西 南寧 530004)

鋁土尾礦泥漿是指用清水對(duì)研磨的鋁土礦原礦沖洗，流出的無法用于生產(chǎn)而排入排泥庫的含水礦石殘?jiān)?。因研磨后泥漿自身顆粒極細(xì)且級(jí)配相當(dāng)均勻，導(dǎo)致其具有高含水量、低滲透性、高壓縮性、高液限等不良性質(zhì)，不利于排水固結(jié)。

摻砂是改良高液限土不良性質(zhì)的較好物理辦法。目前國內(nèi)外學(xué)者對(duì)摻砂改良高液限土性質(zhì)方面開展了較多的研究[1-4]，并分析了摻砂改良高液限土的具體力學(xué)行為，為之后的理論及實(shí)際運(yùn)用提供了指導(dǎo)[5-8]。針對(duì)摻砂改良鋁土尾礦泥漿性質(zhì)，可參考摻砂改良高液性土的研究方法和思路。王海湘等[9]從高液限紅黏土的性質(zhì)特點(diǎn)出發(fā)，摻砂改良后研究其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)與摻砂比的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)摻砂后的土樣凝聚力和內(nèi)摩擦角均有所提高。蘭恒水等[10]以摻砂比為控制因素，分析了摻砂改良高液限土基本物理力學(xué)特性，其強(qiáng)度指標(biāo)均有較大的提高，內(nèi)摩擦角逐漸升高而凝聚力則逐漸降低。李方華[11]在考慮影響改良土的多種因素后開展了大量的摻砂礫石試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)出不同液限范圍對(duì)應(yīng)的摻砂礫石比最佳比例建議值。方慶軍等[12]則利用室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M高液限土的干濕循環(huán)過程，研究了摻砂改良高液限土在干濕循環(huán)作用下抗剪性能的變化規(guī)律。此外，還有許多學(xué)者針對(duì)摻砂改良其它不良性質(zhì)土進(jìn)行了大量的研究[13-16]。通過上述文獻(xiàn)可以看出，摻砂可明顯提高高液限土的力學(xué)性質(zhì)，但對(duì)于不同種類高液限土及不同的摻砂比得出的結(jié)論會(huì)存在明顯差異。

本文采用室內(nèi)模型試驗(yàn)，將砂子均勻摻入鋁土尾礦泥漿中，打破鋁土尾礦原來的沉積結(jié)構(gòu)狀態(tài)，通過蒸發(fā)與降雨模擬試驗(yàn)效果，并開展固結(jié)快剪試驗(yàn)，分析摻砂鋁土尾礦泥漿在經(jīng)歷蒸發(fā)降雨作用后表觀現(xiàn)象及性質(zhì)改良情況，從而確定最佳的摻砂參數(shù)。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1試驗(yàn)用泥

試驗(yàn)所用的尾礦泥取自桂西中鋁廣西分公司1號(hào)鋁土排泥庫，選取洼地中心過濕性鋁尾黏土作為典型土樣，原狀泥漿物理性質(zhì)如表1所示，其顆分曲線如圖1所示。

表1 試驗(yàn)用泥物理力學(xué)參數(shù)及化學(xué)成分Tab.1 The physico-mechanical parameters and chemical composition of mud

圖1 鋁土尾礦泥顆分曲線Fig.1 Particle size distribution curve of bauxite tailing

1.1.2試驗(yàn)用砂

試驗(yàn)用砂取自混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的建筑用砂，采用標(biāo)準(zhǔn)土壤篩進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，得到顆粒粒徑分布曲線如圖2所示。由于大部分鋁土尾礦顆粒粒徑小于0.5 mm，再摻入相同顆粒大小的砂子對(duì)其顆粒級(jí)配改變較小，對(duì)泥漿性質(zhì)改良意義不大，故本次試驗(yàn)將顆粒粒徑小于0.5 mm的砂子篩除，選出顆粒粒徑分別為0.5～2.0 mm，2.0～5.0 mm與5.0～10.0 mm 3種粒徑范圍的砂子，標(biāo)記為細(xì)砂組、中砂組與粗砂組，將3種砂子等質(zhì)量混合，標(biāo)記為混合砂組。

圖2 試驗(yàn)用砂顆分曲線Fig.2 Particle size distribution curve of experiment sand

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用直徑為160 mm，高為250 mm，并用堵頭封底、玻璃膠防漏處理的PVC管作為盛放摻砂鋁土尾礦泥漿的容器裝置，自制裝置及用砂如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)裝置及用砂分類Fig.3 Test equipment and sand classification

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

采用摻砂改良鋁土尾礦泥漿性質(zhì)，存在一種合理的摻砂粒徑以及對(duì)應(yīng)的摻砂比，使得改良后的鋁土尾礦的顆粒與骨架相互適應(yīng)，其力學(xué)性質(zhì)達(dá)到最佳狀態(tài)。將篩分得到的粗砂組、中砂組、細(xì)砂組以及混合砂組作為不同粒徑的摻入材料，考慮到試驗(yàn)條件與改良的成本經(jīng)濟(jì)性，設(shè)計(jì)了0%，10%，20%，30%共4種摻砂比，尋找一種合理的摻砂粒徑及對(duì)應(yīng)的摻砂比，具體的摻砂方案設(shè)計(jì)見表2。為保證摻砂與泥漿混合均勻，將烘干后含水量在3%范圍內(nèi)的鋁土尾礦泥與水按照設(shè)計(jì)濃度攪拌均勻，分3次倒入裝置內(nèi)，每次靜置10 min后均勻撒入相應(yīng)比例的砂子，然后再進(jìn)行下一次的泥漿倒入—靜置—撒砂，重復(fù)該操作直至泥漿摻砂完成，放其靜置沉積24 h，待液面澄清則摻砂鋁土尾礦泥漿制備過程完成。

表2 摻砂方案設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Design parameters of sand mixing schemes

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 蒸發(fā)及降雨模擬試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1.1摻砂鋁土尾礦泥首次蒸發(fā)分析

為了更加直觀地描述鋁土尾礦泥漿質(zhì)量變化與摻砂情況的關(guān)系，繪制出摻不同砂組的泥漿蒸發(fā)量隨摻砂比的變化曲線如圖4所示。在整個(gè)日照蒸發(fā)過程中，前3 d同一砂組鋁土尾礦泥漿每日水分蒸發(fā)量相近，說明在鋁土尾礦泥漿水分蒸發(fā)前期，摻砂比的影響區(qū)別不大，隨后影響開始明顯。未摻砂的鋁土尾礦泥漿蒸發(fā)量最大，隨著摻砂比的增大，泥漿蒸發(fā)量反而呈現(xiàn)逐漸降低趨勢?？紤]原因?yàn)椋轰X土尾礦顆粒極細(xì)，試驗(yàn)前期泥漿含水量很高，泥漿表面尚未形成裂縫，在日照影響下泥漿中的水分主要通過內(nèi)部毛細(xì)通道先上升至表面再蒸發(fā)消散，摻砂后會(huì)破壞毛細(xì)作用，延長毛細(xì)通道甚至形成堵塞，使得水分蒸發(fā)的有效途徑減少，從而產(chǎn)生摻砂比增大而泥漿蒸發(fā)量反而降低的現(xiàn)象。從蒸發(fā)量來看，由于不同的摻砂粒徑大小對(duì)泥漿中水分上升的阻礙作用不同，摻不同砂組的鋁土尾礦泥漿蒸發(fā)效果優(yōu)劣排序?yàn)椋簱街猩敖M>摻混合砂組>摻細(xì)砂組>摻粗砂組。

圖4 自然光照泥漿蒸發(fā)量Fig.4 Evaporation of slurry under natural sunshine

經(jīng)歷了8 d的冬季自然低強(qiáng)度日照蒸發(fā)后，僅有個(gè)別泥樣表面局部產(chǎn)生微小裂縫，蒸發(fā)效果不明顯。改用燈光模擬夏季高強(qiáng)度蒸發(fā)后，摻砂鋁土尾礦泥漿各方面情況很快產(chǎn)生明顯變化。鋁土尾礦泥漿蒸發(fā)量與不同摻砂情況的關(guān)系曲線如圖5所示，由圖5可知，摻砂比在0%～30%的增加過程中，蒸發(fā)量先緩慢下降后呈明顯上升趨勢。蒸發(fā)量大小排序?yàn)椋簱街猩敖M>摻粗砂組>摻細(xì)砂組>摻混合砂組、摻粗砂組>摻中砂組>摻細(xì)砂組>摻混合砂組。

圖5 模擬日照泥漿蒸發(fā)量Fig.5 Evaporation of slurry under simulated sunshine

2.1.2摻砂鋁土尾礦泥吸濕情況分析

在模擬降雨過程中，鋁土尾礦泥漿表面被軟化，未摻砂的泥漿表面容易被雨水沖刷帶起細(xì)顆粒，摻砂后泥漿表面較硬，泥顆粒與砂顆粒之間相互粘結(jié)形成整體，起到防沖刷作用。在雨水浸泡過程中，泥顆粒表現(xiàn)出遇水軟化并伴隨有吸水微脹的特點(diǎn)，鋁土尾礦泥漿裂縫邊緣出現(xiàn)崩解，裂縫與裂縫之間形成新裂縫相互連接貫通。未摻砂的鋁土尾礦泥漿周邊裂縫軟化崩解，重新形成沉積泥，中間部位幾乎不出現(xiàn)新裂縫?？偨Y(jié)可知：原先泥漿裂縫寬而少的容易崩解，加寬裂縫，同時(shí)產(chǎn)生新的連接裂縫；原先泥漿裂縫細(xì)而多的崩解現(xiàn)象不明顯，難以形成新裂縫且形成的新裂縫也較細(xì)。

摻砂鋁土尾礦泥漿在蒸發(fā)后經(jīng)歷降雨入滲過程，雨水主要通過裂縫面被重新吸收至泥漿內(nèi)部，不同摻砂情況的鋁土尾礦泥漿吸水量變化曲線如圖6所示。摻中砂組的鋁土尾礦泥漿在蒸發(fā)過程的裂縫開裂程度極高，裂縫寬而深，吸水量明顯較多，而其余3組摻砂鋁土尾礦泥漿的吸水量較少，且比較接近。

圖6 泥漿吸水量Fig.6 Water absorption mass of slurry

2.1.3摻砂鋁土尾礦泥再次蒸發(fā)情況分析

降雨浸水后，再次利用燈照模擬蒸發(fā)，同首次蒸發(fā)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理一樣，繪制出鋁土尾礦泥漿蒸發(fā)量與不同摻砂情況的關(guān)系曲線如圖7所示。蒸發(fā)量隨摻砂比的變化曲線都是呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，對(duì)于摻中砂組的鋁土尾礦泥漿，蒸發(fā)量峰值出現(xiàn)在摻砂比為10%時(shí)，其余3組摻砂鋁土尾礦泥漿蒸發(fā)量峰值均出現(xiàn)在摻砂比為20%時(shí)。值得注意的是，摻粗砂組與摻細(xì)砂組的鋁土尾礦泥漿吸水量遠(yuǎn)沒有摻中砂組的鋁土尾礦泥漿吸水量多，但在再次蒸發(fā)試驗(yàn)中，摻砂比為20%，30%時(shí)，摻粗砂組與摻細(xì)砂組的鋁土尾礦泥漿蒸發(fā)量明顯比摻中砂組的鋁土尾礦泥漿蒸發(fā)量多，可知摻粗砂組與摻細(xì)砂組在降雨浸水后更有利于鋁土尾礦泥漿水分的蒸發(fā)。

圖7 摻砂鋁土尾礦降雨浸水后的蒸發(fā)量Fig.7 Evaporation of bauxite tailings mixed with sand after rainfall leaching

2.2 固結(jié)快剪試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)經(jīng)歷上述干濕循環(huán)過程組別取土樣進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn)，可繪制剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系曲線，得出模擬試驗(yàn)后其抗剪強(qiáng)度與摻砂情況的關(guān)系。觀察各剪應(yīng)力與剪切位移的關(guān)系曲線，發(fā)現(xiàn)并無峰值出現(xiàn)，故本次固結(jié)快剪試驗(yàn)取剪切位移為4 mm時(shí)所對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力作為該級(jí)垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度。根據(jù)各組摻砂鋁土尾礦泥剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系以及抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系，可以得到不同摻砂情況下的鋁土尾礦泥固結(jié)快剪試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 固結(jié)快剪試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.3 The statistical data of consolidation fast shear test results

由表3可繪制不同摻砂情況下鋁土尾礦泥凝聚力與tanφ值隨摻砂比變化曲線，如圖8～9所示。由圖8可知：摻砂后鋁土尾礦泥的凝聚力隨摻砂比先增大后減小，說明適當(dāng)摻砂可以增加顆粒間的粘結(jié)作用，提高鋁土尾礦泥的粘聚力，其提高程度與摻砂粒徑大小直接相關(guān)。當(dāng)摻砂比在0～20%范圍內(nèi)，摻中砂組與摻細(xì)砂組對(duì)鋁土尾礦泥的凝聚力提高比較明顯。當(dāng)摻砂比大于20%時(shí)，過大的摻砂比極大地弱化了鋁土尾礦泥中粘粒的粘結(jié)作用，摻中砂組與摻細(xì)砂組的鋁土尾礦泥的凝聚力開始呈下降趨勢；而摻混合砂組別由于混合砂與鋁土尾礦顆粒形成良好的級(jí)配分布，顆粒之間粘結(jié)作用得到加強(qiáng)，其凝聚力反而有增大的趨勢。摻粗砂組的鋁土尾礦泥的粘聚力在摻砂比為10%時(shí)略有提高，但該組摻砂粒徑過大，與鋁土尾礦顆粒混合后對(duì)顆粒間粘結(jié)主要起負(fù)作用，其后隨著摻砂比增大而逐漸下降。

圖8 摻砂鋁土尾礦泥凝聚力變化Fig.8 The variation of cohesion of bauxite tailings slime mixed with sand

從圖9可以看出：當(dāng)摻砂比在0～30%范圍內(nèi)，摻砂后增大了鋁土尾礦固體成分中粗顆粒的含量，改變了級(jí)配單一的情況，顆粒間的摩擦作用增加，各組鋁土尾礦泥的內(nèi)摩擦角均有所增大。隨著摻砂比的改變，不同摻砂粒徑對(duì)鋁土尾礦泥的內(nèi)摩擦角的影響程度有所差異。摻砂比為10%，20%，30%的內(nèi)摩擦角排序分別為：摻中砂組>摻混合砂組>摻粗砂組>摻細(xì)砂組、摻混合砂組>摻中砂組>摻粗砂組>摻細(xì)砂組、摻混合砂組>摻中砂組>摻細(xì)砂組>摻粗砂組，總體上看摻中砂組與摻混合砂組對(duì)鋁土尾礦泥的內(nèi)摩擦角的影響程度較高。

圖9 摻砂鋁土尾礦泥tanφ值變化Fig.9 The variation of tanφ value of bauxite tailings slime mixed with sand

3 結(jié) 論

(1) 在冬季自然光及模擬夏季強(qiáng)光照射下?lián)街猩敖M20%的鋁土尾礦泥漿在上述2種條件下的泥漿蒸發(fā)量均較大，蒸發(fā)效果較好，但裂縫開展程度也最高。

(2) 降雨入滲后再次蒸發(fā)過程中摻中砂組的鋁土尾礦泥漿蒸發(fā)量峰值出現(xiàn)在摻砂比為10%時(shí)，其余3組摻砂鋁土尾礦泥漿蒸發(fā)量峰值均出現(xiàn)在摻砂比為20%時(shí)。

(3) 摻砂后鋁土尾礦泥的內(nèi)摩擦角均有所增大，當(dāng)摻砂比在0%～30%范圍時(shí)，內(nèi)摩擦角隨著摻砂比的增大而逐漸增長，摻中砂組與摻混合砂組對(duì)鋁土尾礦泥的內(nèi)摩擦角的影響程度較高。

(4) 摻砂后鋁土尾礦泥的凝聚力隨摻砂比的變化曲線呈現(xiàn)先增大后減小的情況，摻中砂組與摻細(xì)砂組對(duì)鋁土尾礦泥的凝聚力的影響較顯著，當(dāng)摻砂比在0%～20%范圍內(nèi)，摻砂鋁土尾礦泥的凝聚力明顯提高，但當(dāng)摻砂比大于20%時(shí)，其凝聚力開始呈下降趨勢。

(5) 根據(jù)各組蒸發(fā)效果及改良后抗剪強(qiáng)度指標(biāo)等綜合分析，摻砂粒徑為2.0～5.0 mm，摻砂比為20%改良效果最佳。