寧辰禹, 王瑞雪, 蔚 健, 吳 迪

(1.鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,遼寧 鞍山 114000; 2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院, 北京 100083)

1 前言

大孤山鐵礦隸屬鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)有限公司,是鞍鋼鐵礦石原料主要生產(chǎn)基地之一,自建礦以來,歷經(jīng)多年的開采,從原來260 m高的孤山頂采至當(dāng)前-354 m左右的大型深凹露天鐵礦。目前大孤山鐵礦正在進(jìn)行露天生產(chǎn),經(jīng)設(shè)計(jì)估算,露天開采預(yù)計(jì)2024年3月結(jié)束,屆時(shí)將由露天開采轉(zhuǎn)為井下開采,同時(shí)需要對(duì)露天礦坑進(jìn)行回填復(fù)墾,恢復(fù)礦區(qū)原有生態(tài)環(huán)境[1-2]。

眾所周知,膠凝材料的添加量既決定尾砂膠結(jié)體的強(qiáng)度與穩(wěn)定性,又是影響封底加固層制備成本的重要因素[3-4]。全尾砂具有顆粒細(xì)小、級(jí)配不合理、含泥量高、脫水困難等特點(diǎn)。水泥添加量較低時(shí),全尾砂無法完全膠結(jié),堆排體在降雨、地震工程擾動(dòng)下會(huì)泥化、流化、失穩(wěn)[5-6]。尾砂中重金屬也會(huì)隨水浸出,排放到環(huán)境中,對(duì)環(huán)境造成損傷。水泥添加量較大時(shí),全尾砂能夠較好的膠結(jié),但膠結(jié)成本高[7-8]。為滿足大孤山鐵礦露天坑回填要求,本文將選取東部礦區(qū)選廠和大孤山球團(tuán)廠選廠的尾砂作為試驗(yàn)原材料,對(duì)不同濃度及不同灰砂比條件下的尾砂膠結(jié)體進(jìn)行物理力學(xué)特性試驗(yàn),研究尾砂膠結(jié)體強(qiáng)度與配比之間的關(guān)系,為選擇合適的膠凝材料配比提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用到的材料主要包括鞍山大孤山鐵礦全尾砂、普通硅酸鹽水泥(標(biāo)號(hào)P.O42.5)和水,其中實(shí)驗(yàn)用水為普通自來水。尾砂粒級(jí)組成是影響最終形成膠結(jié)體力學(xué)性能的重要物理參數(shù),對(duì)封底加固層的力學(xué)性能有直接影響,這既與脫水工藝相關(guān),更與膠凝材料用量有關(guān)。若尾砂中細(xì)粒級(jí)物料含量多,達(dá)到相同的膠結(jié)效果則需要更多的膠凝材料。圖1和表1為采用丹東百特儀器有限公司生產(chǎn)的Bettersize2600型激光粒度分析儀測(cè)得的全尾砂粒度分布圖和基本性能參數(shù)。通常認(rèn)為,尾砂中小于-20 μm的顆粒占比超過15%時(shí),該尾砂所制料漿具有較好的保水性,從試驗(yàn)結(jié)果可知該尾砂的該項(xiàng)參數(shù)為27.86%,滿足基本要求。另外,從不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)來看,該尾砂的粒徑分布范圍和分布連續(xù)性均滿足尾砂充填的一般性要求。

表1 試驗(yàn)全尾砂基本性能參數(shù)

圖1 全尾砂粒度分布圖

2.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)設(shè)置68%、70%和72%三種料漿濃度,灰砂比則設(shè)置有1∶4、1∶10、1∶15、1∶20四種,養(yǎng)護(hù)齡期為3 d、7 d和28 d。采用全面試驗(yàn)。對(duì)不同齡期試塊做單軸抗壓試驗(yàn)和楔形剪切試驗(yàn),其中楔形剪切試驗(yàn)采用20°、30°、40°和45°的四種模具進(jìn)行測(cè)試,每個(gè)模具均需要進(jìn)行試驗(yàn),以提高擬合精確度,每次試驗(yàn)需要3個(gè)試塊,求其平均值作為本次試驗(yàn)的結(jié)果。表2為具體的試驗(yàn)方案。

表2 單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

表2 膠結(jié)體力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)方案

2.3 試驗(yàn)設(shè)備與方法

試驗(yàn)主要包括尾砂等原材料的準(zhǔn)備(大塊剔除、烘干等)、原材料的稱量與料漿配制、試塊制作與養(yǎng)護(hù)、性能參數(shù)測(cè)試。試驗(yàn)過程中需要用到的設(shè)備主要包括JJ-5型水泥膠砂攪拌機(jī)、東測(cè)試驗(yàn)壓力機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱、普通天平、電子天平、5 cm×10 cm圓柱型試模和7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm試模、振動(dòng)臺(tái)、刮刀以及量筒等。需要說明的是5 cm×10 cm圓柱型試模是用于單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的試件制作,7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm試模則是用于楔形剪切試驗(yàn)的試件制作。

1) 原材料準(zhǔn)備

從選廠取出的尾砂由于含水量較大,需要對(duì)其進(jìn)行80 ℃高溫下烘干處理,在此溫度下尾砂內(nèi)部成分不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),烘干過程如圖2所示。

圖2 尾砂烘干處理

2) 試塊制作與養(yǎng)護(hù)

將適量的水泥、全尾砂倒入攪拌鍋內(nèi),開動(dòng)水泥膠砂攪拌機(jī),使其攪拌均勻,然后停機(jī),注水,繼續(xù)攪拌160 s,機(jī)器暫停時(shí)將粘在葉片上的料漿刮下,然后繼續(xù)攪拌80 s后停機(jī),再將粘在葉片上的料漿刮下,取下攪拌鍋。

成型前,將試模擦凈,四周模板均勻涂抹黃油,緊密裝配,防止漏漿和變形,內(nèi)壁均勻刷涂一薄層機(jī)油,以便于脫模。將料漿利用刮刀刮入試模中,置于膠砂振動(dòng)臺(tái)震動(dòng),使其均勻密實(shí),然后用刮刀將試塊表面多余的料漿刮去并抹平,然后給試塊編號(hào)。編號(hào)后,將試模放入水泥混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱養(yǎng)護(hù),試塊成型24 h后拆模,繼續(xù)置入養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)溫度為20±1 ℃、濕度≥95%,養(yǎng)護(hù)齡期為3 d、7 d、28 d。試塊澆筑與養(yǎng)護(hù)過程如圖3所示。

圖3 試塊澆筑與養(yǎng)護(hù)

3) 性能參數(shù)測(cè)試

在養(yǎng)護(hù)齡期達(dá)到設(shè)定值后,即可將試件取出并進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度測(cè)試,測(cè)試過程如 圖4 所示。進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試時(shí),需清除試塊受壓面和上下加壓板間的砂粒或雜物,將試塊放置在壓力試驗(yàn)機(jī)壓板中心,壓力機(jī)的加載速度按規(guī)定應(yīng)為5.0±0.5 kN;而進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測(cè)試時(shí),采用的即傾斜壓模法,通過該方法獲得到尾砂膠結(jié)體的內(nèi)摩擦角φ和黏聚力C的值,以及剪切破壞面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力。試驗(yàn)中所使用的每個(gè)角度的模具均取3～5個(gè)試塊進(jìn)行測(cè)試,以保證結(jié)果的可靠性。

圖4 抗壓與抗剪強(qiáng)度測(cè)試

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 單軸抗壓強(qiáng)度與分析

通常來說影響全尾砂膠結(jié)體強(qiáng)度的因素主要包括料漿濃度、灰砂比和養(yǎng)護(hù)時(shí)間三類,本文將針對(duì)這三類因素對(duì)膠結(jié)體的單軸抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律展開研究,為后續(xù)充填料漿配比的選擇提供可靠依據(jù)。試件單軸抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果見表2,包括了不同濃度下不同灰砂比各齡期的單軸抗壓強(qiáng)度數(shù)據(jù)。

1) 灰砂比對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律分析

圖5可知,在料漿濃度68%、70%、72%水平下,3 d單軸抗壓強(qiáng)度的分布曲線為上凸型,曲率較大,曲線很平緩,原因是3 d水泥的強(qiáng)度為初凝強(qiáng)度;料漿濃度較小時(shí)(68%),7 d、28 d單軸抗壓強(qiáng)度增長較慢,料漿濃度較大時(shí)(70%、72%),7 d、28 d單軸抗壓強(qiáng)度增長較快;灰砂比小于1∶15時(shí),3 d,7 d,28 d的單軸抗壓強(qiáng)度距離較近,膠結(jié)體試件抗壓強(qiáng)度增長速度并不明顯。當(dāng)灰砂比較大(1∶15以上),抗壓強(qiáng)度增長速度變得明顯起來?？梢钥闯?通常情況下7 d、28 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度增長速度較為接近,而3 d時(shí)的抗壓強(qiáng)度增長速度受濃度影響較大;在低摻量(水泥)范圍內(nèi),由于膠結(jié)能力得不到發(fā)揮,各齡期在絕對(duì)值上差異不明顯,隨著摻量增大,抗壓強(qiáng)度增大倍數(shù)稍高于或等于摻量增長率。

圖5 抗壓強(qiáng)度-灰砂比增長曲線

綜上可以看出,灰砂比在1∶20～1∶4,隨著灰砂比的增加,膠結(jié)體抗壓強(qiáng)度增加,其增長幅度隨受養(yǎng)護(hù)齡期影響較小,受濃度影響較大。

2) 濃度對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度的影響規(guī)律分析

圖6中的(a),(b),(c),(d)為相同灰砂比條件下,不同齡期、濃度條件下強(qiáng)度的增長變化曲線。圖中可以看出,當(dāng)齡期增大時(shí),膠結(jié)體抗壓強(qiáng)度顯著增加;而隨著料漿濃度增加,膠結(jié)體抗壓強(qiáng)度有一定的增加,但整體變化趨勢(shì)并不顯著。

圖6 不同灰砂比下抗壓強(qiáng)度隨濃度及齡期變化曲線

可以看出,膠結(jié)體強(qiáng)度隨料漿濃度變化并非線性增加或減小,濃度的這種影響在養(yǎng)護(hù)28 d后比較顯著,養(yǎng)護(hù)3 d、7 d時(shí)不夠顯著。整體上看,濃度對(duì)膠結(jié)體強(qiáng)度影響較小,且并非濃度越大膠結(jié)體強(qiáng)度越大。料漿濃度過大,水泥添加量較小時(shí)反應(yīng)可能不充分,導(dǎo)致膠結(jié)體強(qiáng)度較低;料漿濃度過小,泌水量較大,孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)育,也會(huì)導(dǎo)致膠結(jié)體強(qiáng)度降低。

3) 齡期-標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)階段增長規(guī)律

圖7所示為不同濃度下標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)階段料漿齡期-灰砂比強(qiáng)度關(guān)系曲線,可以看出灰砂比對(duì)試件強(qiáng)度隨齡期增長的變化影響極其明顯,無論何種濃度,都具有同一性,灰砂比越大,曲線越陡,即強(qiáng)度增長越快。同時(shí)灰砂比對(duì)于試塊早期3 d的強(qiáng)度的影響較小,對(duì)于長期7 d,28 d的影響逐漸增大,曲線呈現(xiàn)下凹形證明了這一點(diǎn)。

圖7 不同濃度下標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)階段料漿齡期-灰砂比強(qiáng)度關(guān)系曲線

不同于井下充填,尾砂地面堆排時(shí)受地表環(huán)境影響較大。多雨地區(qū)料漿養(yǎng)護(hù)要受到雨水的影響而稀釋;寒區(qū)堆排,膠結(jié)體要受到凍融的循環(huán)損傷;干旱地區(qū),會(huì)產(chǎn)生干縮裂紋。因此,采取合理的工藝,保證全尾砂膠結(jié)的養(yǎng)護(hù)條件也尤為重要。

4) 單軸抗壓強(qiáng)度與各因素的數(shù)值關(guān)系

如圖8所示,將3 d,7 d,28 d強(qiáng)度作為因變量,灰砂比作為單一變量作圖分析,說明灰砂比因素與強(qiáng)度的關(guān)系。而且圖8(a),(b),(c)中灰砂比小于1∶20時(shí),各濃度的強(qiáng)度值差距較小;三條曲線都是由灰砂比較大時(shí)的放射狀離散,隨著灰砂比的減小逐漸聚合一點(diǎn),呈現(xiàn)牛角狀分布;如果控制各濃度水平料漿的灰砂比為固定值,對(duì)于3 d,7 d強(qiáng)度曲線,灰砂比大于1∶15以后,72%濃度的強(qiáng)度偏離70%和68%濃度的強(qiáng)度曲線,而這兩條曲線在灰砂比小于1∶10時(shí)彼此平行且距離很近,灰砂比大于1∶15以后彼此才產(chǎn)生偏離,說明灰砂比越大,濃度的效應(yīng)越明顯,摻量較小時(shí)濃度作用微弱。68%濃度曲線和70%濃度曲線在28 d強(qiáng)度值上是近于平行的,這說明在一定濃度范圍內(nèi),在灰砂比固定的情況下28 d強(qiáng)度的差值是固定的,這與圖8(a),(b)中牛角狀分布曲線的偏離規(guī)律不同,但根據(jù)牛角分布曲線末端的發(fā)展趨勢(shì)也是符合差值固定規(guī)律的。

圖8 不同齡期下標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)階段尾砂膠結(jié)體試塊抗壓強(qiáng)度增長曲線

分析圖8可知,隨著膠凝材料添加量的增加,膠結(jié)體強(qiáng)度增加。這種增加在濃度較高時(shí)更為明顯(72%)。濃度降低時(shí),強(qiáng)度隨膠凝材料增長趨勢(shì)降低。此外,分析還可看出,灰砂比由1∶20增加到1∶15時(shí),膠結(jié)體強(qiáng)度變化幅度不大,由1∶15增加到1∶4時(shí),膠結(jié)體強(qiáng)度增加開始明顯。

3.2 抗剪強(qiáng)度與分析

評(píng)價(jià)尾砂膠結(jié)體抗剪強(qiáng)度大小,僅從單一的黏聚力或內(nèi)摩擦角來考察是不夠全面的,這主要是因?yàn)樯Ⅲw物料的抗剪強(qiáng)度是由內(nèi)摩擦角和黏聚力共同產(chǎn)生的,要將兩者區(qū)分清楚十分困難,因此,除將兩者綜合考慮,采用散體抗剪強(qiáng)度來綜合評(píng)價(jià),且需探討內(nèi)摩擦角和黏聚力作用的大小。通過對(duì)剪切試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合等處理后可得到不同試件各齡期的剪切參數(shù),具體結(jié)果見表9、表10、表11。

表10 養(yǎng)護(hù)7 d不同濃度、灰砂比的C和φ

表11 養(yǎng)護(hù)28 d不同濃度、灰砂比的C和φ

1) 濃度及灰砂比對(duì)內(nèi)聚力的影響規(guī)律

對(duì)于非飽和土,由于水的張力作用會(huì)產(chǎn)生負(fù)孔隙水壓力,在外表現(xiàn)為有效應(yīng)力-即表觀內(nèi)聚力;對(duì)于超膠結(jié),超壓密的飽和黏土,由于歷史上的卸荷作用,土體回彈使含水率增大;若不能充分吸水,則土體中產(chǎn)生負(fù)孔隙水壓力,代替卸荷的有效應(yīng)力,此時(shí)土體非常堅(jiān)硬,表觀黏聚力非常大。在本次試驗(yàn)中,黏聚力主要是水泥的化學(xué)作用,考慮到砂漿泌水膠結(jié)也是正常膠結(jié)過程,所以忽略表觀黏聚力與真黏聚力的差別,統(tǒng)一作為內(nèi)聚力。

圖9所示為料漿濃度及灰砂比對(duì)內(nèi)聚力c的影響曲線,比較灰砂比與單軸抗壓強(qiáng)度的關(guān)系曲線,可知內(nèi)聚力對(duì)這兩個(gè)因變量的影響具有一致性。隨著灰砂比的增加,膠結(jié)體內(nèi)聚力呈增長趨勢(shì),隨著料漿濃度的增大,內(nèi)聚力也有顯著的增大。內(nèi)聚力增加說明水化反應(yīng)增加了尾砂顆粒之間的黏結(jié)力,而灰砂比的增加恰恰提供了更多的水化產(chǎn)物,增大了這種黏結(jié)力。料漿濃度的增加雖有可能降低反應(yīng)的程度,但由于其泌出水少,孔隙較少,膠結(jié)體內(nèi)顆粒間黏結(jié)力更大。

圖9 料漿濃度及灰砂比-內(nèi)聚力曲線

從圖10可以看出,隨著膠結(jié)體養(yǎng)護(hù)齡期的增加,膠結(jié)體內(nèi)聚力顯著增加。其中,相比于養(yǎng)護(hù)3 d時(shí)的變化曲線,養(yǎng)護(hù)7 d、28 d時(shí)的膠結(jié)體內(nèi)聚力增加更為顯著。由于水泥性能的發(fā)揮,3 d內(nèi)聚力增長倍數(shù)與摻量增長倍數(shù)幾乎相等,但是7 d、28 d增長倍數(shù)就遠(yuǎn)高于摻量的增大。

圖10 養(yǎng)護(hù)齡期及灰砂比-內(nèi)聚力曲線

2) 內(nèi)摩擦角變化規(guī)律分析

摩擦強(qiáng)度取決于剪切面上的正應(yīng)力σ和內(nèi)摩擦角φ。從微觀角度來描述,內(nèi)摩擦包括顆粒之間相互滑動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦和顆粒之間的咬合摩擦,即剪脹分量。密砂的強(qiáng)度主要由滑動(dòng)及咬合摩阻力構(gòu)成,而松砂主要來源為滑動(dòng)摩阻力及顆粒重分布摩阻力。

滑動(dòng)摩擦一般是固定的常數(shù),太沙基認(rèn)為顆粒間接觸面非常小,所以常會(huì)在凸起的點(diǎn)產(chǎn)生屈服,滑動(dòng)力是由接觸面積與抗剪強(qiáng)度決定?，F(xiàn)代鉆著摩擦理論指出,土體的摩擦強(qiáng)度也是一種分子行為,因?yàn)榻佑|處距離是單分子尺度,會(huì)形成吸附作用。

對(duì)于細(xì)砂或粗砂等粗粒土,在低應(yīng)力作用下,峰值內(nèi)摩擦角取決于初始孔隙比e,周圍壓力對(duì)內(nèi)摩擦角的影響較小,這與黏性土取決于剪破時(shí)的孔隙比不同。如果空隙比e相同,那么內(nèi)摩擦角就相同;由于細(xì)砂最大密實(shí)度要大于粗砂,在相同的相對(duì)密度條件下,粗砂的內(nèi)摩擦角要大于細(xì)砂。一般將砂土的天然休止角認(rèn)為是剩余摩擦角,而且與初始孔隙比無關(guān),無塑性粉砂的剩余摩擦角為26°～30°,中密粉砂為28°～32°,密實(shí)粉砂為30°～34°。

圖11所示為料漿濃度、灰砂比對(duì)內(nèi)摩擦角的影響曲線。可以從看出,隨著灰砂比的增加,膠結(jié)體內(nèi)摩擦角呈增大的趨勢(shì);而隨著濃度的變化,內(nèi)摩擦角的變化并無一致規(guī)律。整體上看,膠結(jié)體試件內(nèi)摩擦角變化范圍為5°～35°。

圖11 料漿濃度及灰砂比-內(nèi)摩擦角曲線

圖12所示為養(yǎng)護(hù)齡期灰砂比對(duì)內(nèi)摩擦角的影響曲線。可以看出,養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)的內(nèi)摩擦角影響也無一致規(guī)律,膠結(jié)體內(nèi)摩擦角變化范圍為5°～35°。

圖12 不同濃度下的養(yǎng)護(hù)齡期灰砂比-內(nèi)摩擦角曲線

4 結(jié)論

(1)灰砂比在1∶20～1∶4范圍內(nèi),隨著灰砂比的增加,膠結(jié)體抗壓強(qiáng)度增加,其增長幅度隨受養(yǎng)護(hù)齡期影響較小,受濃度影響較大;濃度對(duì)于膠結(jié)體的早期(3 d和7 d)強(qiáng)度強(qiáng)度影響較小,對(duì)后期(28 d)強(qiáng)度的影響相對(duì)顯著

(2)灰砂比對(duì)試件強(qiáng)度隨齡期增長的變化影響極其明顯,無論何種濃度,都具有同一性,灰砂比越大,曲線越陡,即強(qiáng)度增長越快。同時(shí)灰砂比對(duì)于試塊早期3 d的強(qiáng)度的影響較小,對(duì)于長期7 d,28 d的影響逐漸增大。

(3)隨著灰砂比和料漿濃度的增加,膠結(jié)體內(nèi)聚力呈增長趨勢(shì);隨著膠結(jié)體養(yǎng)護(hù)齡期的增加,膠結(jié)體內(nèi)聚力也顯著增加,相比于養(yǎng)護(hù)3 d時(shí)的變化曲線,養(yǎng)護(hù)7 d、28 d時(shí)的膠結(jié)體內(nèi)聚力增加更為顯著。

(4)隨著灰砂比的增加,膠結(jié)體內(nèi)摩擦角呈增大的趨勢(shì),而料漿濃度和養(yǎng)護(hù)齡期的變化對(duì)內(nèi)摩擦角的變化并無一致規(guī)律,整體上看,試驗(yàn)涉及的膠結(jié)體試件內(nèi)摩擦角變化范圍為5°～35°。