干濕循環(huán)對(duì)全尾砂固結(jié)體強(qiáng)度的影響研究

1、有色金屬工程羅小峰等：干濕循環(huán)對(duì)尾砂固結(jié)體強(qiáng)度的影響研究有色金屬工程N(yùn)onferrous Metals Enginerring基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51674263）Fund：Supported by the National Natural Science Foundation of China（51674263）作者簡介：羅小峰（1997-），男，碩士，研究方向?yàn)榈V山固體廢棄物處理。干濕循環(huán)對(duì)全尾砂固結(jié)體強(qiáng)度的影響研究羅小峰，侯運(yùn)炳，閆浩東，孫翔，牟鴻濤（中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 能源與礦業(yè)學(xué)院 北京100083）摘要：ADDIN CNKISM.UserStyle為研究干濕循環(huán)條件下

2、全尾砂固結(jié)體單軸抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律，選取不同水泥摻量的固結(jié)體為研究對(duì)象，進(jìn)行干濕循環(huán)處理后的宏觀強(qiáng)度與微觀結(jié)構(gòu)檢測試驗(yàn)，探討了膠凝材料摻量與養(yǎng)護(hù)時(shí)間對(duì)固結(jié)體強(qiáng)度的影響，并對(duì)經(jīng)歷不同干濕循環(huán)次數(shù)及膠凝材料摻量下固結(jié)體微觀結(jié)構(gòu)變化規(guī)律進(jìn)行分析。結(jié)果表明：養(yǎng)護(hù)3d與7d的固結(jié)體試件，隨干濕循環(huán)作用的持續(xù)進(jìn)行，強(qiáng)度呈先增加，后降低趨勢(shì)，養(yǎng)護(hù)28d固結(jié)體試件強(qiáng)度呈逐漸下降趨勢(shì)；不同養(yǎng)護(hù)齡期下，水泥摻量越大，固結(jié)體干濕循環(huán)后強(qiáng)度衰減越低。隨干濕循環(huán)作用的繼續(xù)進(jìn)行，固結(jié)體微觀結(jié)構(gòu)呈先密實(shí)，后稀疏松散趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：干濕循環(huán)；尾砂固結(jié)體；單軸壓縮；掃描電鏡中圖分類號(hào)：TD981 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：AResearch

3、on the Influence of Dry and Wet Cycle Conditions on the Strength of Whole Tailings Consolidation Luo Xiaofeng, Hou Yunbing, Yan Haodong, Sun Xiang, Mou Hongtao(China University of Mining and Technology (Beijing) School of Energy and Mining, Beijing 100083)Abstract: The thesis is to study the changin

4、g law of the uniaxial compressive strength of the whole tailings consolidated body under the conditions of dry-wet cycle. The consolidated body with different cement content is selected as the research object, and the macro-strength and micro-structure test after the dry-wet cycle treatment are carr

5、ied out. , Discuss the influence of cementing material content and curing time on the strength of the consolidated body, and analyze the changes of the microstructure of the consolidated body under different dry-wet cycles and cementing material content. According to the experimental analysis: when

6、the curing time reaches 3d and 7d, the strength of the specimens selected in the experiment increases first and then decreases with the continuous action of the dry-wet cycle. The strength of the specimens cured for 28 days shows a gradually decreasing trend ; Under different curing ages, the greate

7、r the cement content, the lower the strength attenuation of the consolidated body after dry-wet cycles. As the dry-wet cycle continues, the microstructure of the consolidated body tends to be dense first, then sparse and loose.Keywords: dry-wet cycle； tailings consolidation； uniaxial compression； sc

8、anning microscope引言尾砂固結(jié)排放是在尾砂干式排放的基礎(chǔ)上，經(jīng)過加入不同的外加劑和膠凝材料與水發(fā)生反應(yīng)來固結(jié)尾砂顆粒，在短期養(yǎng)護(hù)后使其成為具有一定強(qiáng)度的固結(jié)體，固結(jié)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)較尾砂堆體有大幅度的提升，確保了尾砂固結(jié)堆體的穩(wěn)定與安全。隨著尾礦干堆技術(shù)的發(fā)展，云南、安徽等南方多雨地區(qū)部分礦山也采用尾砂固結(jié)排放技術(shù)處理尾砂 1，2，這些地區(qū)季節(jié)性的干濕交替變化對(duì)固結(jié)堆體的強(qiáng)度有著顯著影響，而強(qiáng)度作為巖土工程中最主要的力學(xué)參數(shù)3,4,5，決定其穩(wěn)定性與安全性。王偉等6對(duì)大理巖進(jìn)行了試驗(yàn)，研究了不同干濕循環(huán)次數(shù)下大理巖強(qiáng)度的變化情況，發(fā)現(xiàn)大理巖單軸強(qiáng)度與干濕循環(huán)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，

9、在干濕循環(huán)初期劣化效應(yīng)明顯。穆坤等7通過干濕循環(huán)條件下紅黏土工程性狀的研究發(fā)現(xiàn)，干濕循環(huán)過程對(duì)紅黏土強(qiáng)度與內(nèi)摩擦角有衰減作用，在第1次循環(huán)時(shí)下降幅度最大。劉帥等8通過室內(nèi)干濕試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)紅砂巖在10次干濕循環(huán)時(shí)塑形特征明顯，單軸強(qiáng)度降幅與應(yīng)變?cè)龇S干濕循環(huán)次數(shù)遞增而減小。江強(qiáng)強(qiáng)等9采用掃描電鏡（SEM）與單軸試驗(yàn)結(jié)合的方法，對(duì)經(jīng)過不同干濕循環(huán)的話帶土進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)隨干濕循環(huán)作用的持續(xù)進(jìn)行，土體強(qiáng)度逐漸降低，內(nèi)部孔隙數(shù)量增多，產(chǎn)生貫通裂隙。已有學(xué)者10，11，12,13對(duì)尾礦在干濕循環(huán)作用下力學(xué)特性的變化進(jìn)行了試驗(yàn)分析。侯運(yùn)炳等14,15,16對(duì)全尾砂固結(jié)體膠凝材料的配比和凍融循環(huán)條件下的力學(xué)特性已

10、經(jīng)做了相關(guān)試驗(yàn)，本文在此基礎(chǔ)上，通過單軸強(qiáng)度及掃描電鏡(SEM)試驗(yàn)對(duì)干濕循環(huán)條件下尾砂固結(jié)體的強(qiáng)度特性進(jìn)行了研究。1 試驗(yàn)材料及方法1.1尾砂組成成分分析試驗(yàn)樣品所用尾砂取自李樓鐵礦，為更好的了解尾砂的物理化學(xué)性質(zhì)，對(duì)尾砂進(jìn)行XRD分析與粒度分析，尾砂化學(xué)礦物組成見表1，粒徑分布見表2與圖1。由尾砂化學(xué)礦物組成分析可見，尾砂中含量最多的是SiO2，占82.052%。全尾砂d10=27.57um，d30=72.53um，d60=172.05um，全尾砂不均勻系數(shù)與曲率系數(shù)可由計(jì)算得出：Cu=6.245， Cc=1.11，屬于級(jí)配良好材料。表1 尾砂化學(xué)礦物組成Table 1 Chemical

11、mineral composition of tailings成分MgOAl2O3SiO2CaO2Na2OMnOFe2O3總計(jì)含量2.4123.85082.0542.4590.1790.0228.00398.979Table 1 Chemical mineral composition of tailingsingredientMgOAl2O3SiO2CaO2Na2OMnOFe2O3totalcontent2.4123.85082.0542.4590.1790.0228.00398.979表2 尾砂粒徑分布Table 2 Particle size distribution of tailin

12、gsd10/umd30/umd60/um曲率系數(shù)不均勻系數(shù)27.5772.53172.051.116.24Table 2 Particle size distribution of tailingsd10/umd30/umd60/umCurvature coefficientUneven coefficient27.5772.53172.051.116.241.2試驗(yàn)方法及過程試驗(yàn)需制備3組145個(gè)固結(jié)體試件，每組試件質(zhì)量濃度為74%，膠凝材料選用普硅水泥，水泥摻量（占質(zhì)量濃度的百分?jǐn)?shù)）分別為4%、6%、8%，制備完成后的試塊進(jìn)行3d、7d、28d的養(yǎng)護(hù)。按設(shè)計(jì)的配比稱出尾砂、膠凝材料、水（未

13、經(jīng)處理的自來水）攪拌均勻制作直徑50mm，高100mm的圓柱狀試件。試塊制備后靜置24h拆模，放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。將制作好并養(yǎng)護(hù)至設(shè)定齡期的試件取出放入烘箱中進(jìn)行12h的干燥，溫度設(shè)置為50，干燥后的試樣放入浸泡盆中浸泡吸水12h，此為一次干濕循環(huán)。對(duì)完成0、3、6、9、12次循環(huán)的試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。取單軸壓縮試驗(yàn)后試塊中心部分碾碎成粉末狀，烘干至質(zhì)量不再發(fā)生變化后對(duì)樣品鍍膜進(jìn)行SEM試驗(yàn)。圖1圖2為固結(jié)體的干濕試驗(yàn)與單軸壓縮試驗(yàn)。 圖1固結(jié)體干濕處理 圖2單軸壓縮試驗(yàn)Figure 1 Dry and wet treatment Figure2Uniaxial compress

14、ion testof consolidation body2試驗(yàn)結(jié)果及分析對(duì)水泥摻量為4%、6%、8%，養(yǎng)護(hù)至3d、7d、28d的固結(jié)體試件進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，研究不同齡期下干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)固結(jié)體強(qiáng)度的影響，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的點(diǎn)線圖如圖3所示 HYPERLINK C:UsersDellDesktop修3d.opju 3d.opju HYPERLINK C:UsersAdministratorDesktop修7d.opju 7d.opju HYPERLINK C:UsersAdministratorDesktop修28d.opju 28d.opju圖3固結(jié)體強(qiáng)度隨干濕循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律Figure 3

15、The strength of the consolidated body changes with the number of wet and dry cycles Figure 3 The strength of the consolidated body changes with the number of wet and dry cycles2.1干濕循環(huán)次數(shù)對(duì)固結(jié)體強(qiáng)度的影響對(duì)上圖分析可知，養(yǎng)護(hù)至不同齡期的固結(jié)體強(qiáng)度隨干濕循環(huán)作用的持續(xù)進(jìn)行呈現(xiàn)不同變化規(guī)律，養(yǎng)護(hù)齡期為3d和7d的固結(jié)體強(qiáng)度隨干濕循環(huán)作用的持續(xù)進(jìn)行先上升，后降低，28d的固結(jié)體強(qiáng)度呈逐漸降低趨勢(shì)。這可以解釋為：水泥與水

16、是逐步反應(yīng)的，且在反應(yīng)初期最為強(qiáng)烈，養(yǎng)護(hù)齡期較短時(shí)固結(jié)體內(nèi)部生成的水化產(chǎn)物少，孔隙多，水泥未能與水充分接觸完成水化反應(yīng)。浸水時(shí)，水分的滲入使水泥與水充分接觸，水化反應(yīng)加快，生成的水化產(chǎn)物逐漸填滿孔隙；同時(shí)干燥過程溫度的升高使水化溶液中離子運(yùn)動(dòng)加快，進(jìn)一步提升水化反應(yīng)的速度。因此，對(duì)于養(yǎng)護(hù)3d與7d的固結(jié)體試件，干濕循環(huán)作用使水化反應(yīng)加速進(jìn)行生成了更多的水化產(chǎn)物，固結(jié)體內(nèi)部孔隙率降低，強(qiáng)度逐漸增加。養(yǎng)護(hù)3d、7d、28d固結(jié)體強(qiáng)度分別經(jīng)過9次、6次、3次干濕循環(huán)后強(qiáng)度低于初始強(qiáng)度，固結(jié)體養(yǎng)護(hù)齡期越短，干濕循環(huán)使其強(qiáng)度下降需要的循環(huán)次數(shù)越多。這是因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)齡期較短的固結(jié)體水泥水化反應(yīng)進(jìn)行的程度越低，

17、干濕循環(huán)過程中水化反應(yīng)仍在進(jìn)行。養(yǎng)護(hù)28d時(shí)固結(jié)體水化反應(yīng)已基本完成，此時(shí)干濕循環(huán)對(duì)固結(jié)體只有損傷作用，水分的入滲和干燥過程水分從孔隙中蒸發(fā)會(huì)對(duì)固結(jié)體造成損傷，因此干濕循環(huán)作用的持續(xù)進(jìn)行會(huì)導(dǎo)致固結(jié)體強(qiáng)度逐漸下降。2.2水泥含量對(duì)干濕循環(huán)過程中固結(jié)體強(qiáng)度的影響從圖三數(shù)據(jù)可得，不同水泥含量固結(jié)體在相同齡期下，強(qiáng)度變化趨勢(shì)相同，但上升與下降的幅度有著顯著差異，水泥含量越高，固結(jié)體強(qiáng)度下降幅度越低。以養(yǎng)護(hù)28d固結(jié)體為例，水泥含量4%固結(jié)體經(jīng)12次干濕循環(huán)后強(qiáng)度由0.67MPa下降至0.4MPa，降幅為45%；水泥含量6%固結(jié)體強(qiáng)度由1.22MPa降至0.8MPa，降幅為34.4%；水泥含量8%固結(jié)體

18、強(qiáng)度由2.22MPa降至1.67MPa，降幅為24.7%。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是：干濕循環(huán)對(duì)固結(jié)體的損傷主要是固結(jié)體浸水過程中水分入滲使固結(jié)體內(nèi)部氣體排出，造成固相骨架的破壞；以及干濕循環(huán)引起固結(jié)體內(nèi)部顆粒熱脹冷縮造成的顆粒接觸處拉應(yīng)力壓應(yīng)力頻繁轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致固結(jié)體內(nèi)部孔隙增多，部分孔隙聯(lián)通形成裂隙，固結(jié)體內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，水分進(jìn)一步進(jìn)入固結(jié)體，固結(jié)體出現(xiàn)損傷。水泥含量越高，固結(jié)體內(nèi)部生成的水化產(chǎn)物越多，顆粒連接的愈緊密，浸水時(shí)水分更難滲入固結(jié)體內(nèi)部。同時(shí)，水泥含量的增加使固結(jié)體內(nèi)部孔隙減少，存在于孔隙間的氣體變少，水分入滲過程中孔隙間氣體排出造成的固相骨架破壞效果減弱；固結(jié)體內(nèi)部存在密閉與聯(lián)通兩

19、種孔隙，水泥含量低時(shí)，固結(jié)體內(nèi)部孔隙率較高，顆粒間粘聚力弱，頻繁的干濕循環(huán)引起顆粒熱脹冷縮使顆粒集合體逐漸解散，密閉孔隙變?yōu)殚_口孔隙，孔隙間互相連通產(chǎn)生裂隙，固結(jié)體強(qiáng)度降低。水泥含量越高，固結(jié)體內(nèi)部孔隙越少，生成的水化產(chǎn)物使顆粒間粘聚力增強(qiáng)，孔隙間難以聯(lián)通形成裂隙。2.3干濕循環(huán)對(duì)固結(jié)體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響對(duì)養(yǎng)護(hù)7d，水泥含量為6%的固結(jié)體進(jìn)行掃描電鏡試驗(yàn)，圖4是固結(jié)體干濕循環(huán)0次、3次、12次的掃描電鏡結(jié)果。由圖4所展示的固結(jié)體掃描電鏡圖片可得：固結(jié)體經(jīng)過3次干濕循環(huán)后，孔隙呈現(xiàn)明顯減少趨勢(shì)，內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)連接更加緊密。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是養(yǎng)護(hù)齡期較短的固結(jié)體，內(nèi)部水化反應(yīng)還未完全結(jié)束，干濕循環(huán)對(duì)

20、固結(jié)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成損傷破壞的同時(shí)，也在加速水化反應(yīng)的進(jìn)行。固結(jié)體內(nèi)部尾砂顆粒被大量的 C-S-H 凝膠與鈣礬石覆蓋，層狀疊加，且 C-S-H 與 鈣礬石相互交叉連接，逐漸填滿固結(jié)體內(nèi)部孔隙，使其結(jié)構(gòu)更加致密。此現(xiàn)象與固結(jié)體早期強(qiáng)度隨干濕循環(huán)的增加呈上升趨勢(shì)的情況相吻合。隨著干濕循環(huán)的繼續(xù)進(jìn)行，當(dāng)循環(huán)次數(shù)增加至12次時(shí)，鈣礬石晶體與水化硅酸鈣構(gòu)建成的固相骨架受到破壞，將尾砂顆粒包裹住的水化產(chǎn)物脫落，固結(jié)體內(nèi)部緊密的結(jié)構(gòu)變得多孔脆弱，且部分孔隙聯(lián)通生成裂隙，固結(jié)體受到破壞，這也與固結(jié)體后期強(qiáng)度隨干濕循環(huán)作用的進(jìn)行逐漸下降的現(xiàn)象相符。由以上對(duì)固結(jié)體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的分析可得，固結(jié)體掃描電鏡試驗(yàn)結(jié)果與強(qiáng)度

21、試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。0次循環(huán) 3次循環(huán)12次循環(huán)圖4不同循環(huán)次數(shù)下固結(jié)體的SEM圖片F(xiàn)igure 4 SEM pictures of the consolidated body under different cycles3結(jié)論1）不同養(yǎng)護(hù)齡期的固結(jié)體強(qiáng)度隨干濕循環(huán)作用的持續(xù)進(jìn)行呈現(xiàn)不同變化規(guī)律，養(yǎng)護(hù)齡期為3d和7d的固結(jié)體強(qiáng)度隨干濕循環(huán)作用的進(jìn)行先上升，后降低，28d的固結(jié)體強(qiáng)度呈逐漸降低趨勢(shì)。不同水泥含量固結(jié)體在相同齡期下，強(qiáng)度變化趨勢(shì)相同，但上升與下降的幅度有著顯著差異，水泥含量越高，固結(jié)體強(qiáng)度下降幅度越低。2）固結(jié)體養(yǎng)護(hù)齡期較短時(shí)，干濕循環(huán)作用對(duì)固結(jié)體的損傷效果不明顯，這是因?yàn)楦蓾裱h(huán)對(duì)

22、固結(jié)體造成損傷的同時(shí)，也在加速水化反應(yīng)的進(jìn)行。固結(jié)體養(yǎng)護(hù)齡期越短，水化反應(yīng)進(jìn)行的越不完全，干濕循環(huán)造成的損傷效果比水化反應(yīng)帶來的強(qiáng)度增長效果要弱。3）通過掃描電鏡試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨干濕循環(huán)次數(shù)的增加，養(yǎng)護(hù)齡期較短的固結(jié)體內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)呈先密實(shí)，后稀疏松散趨勢(shì)。干濕循環(huán)進(jìn)行到3次時(shí)，固結(jié)體內(nèi)部生成更多的水化產(chǎn)物，孔隙逐漸被填滿；干濕循環(huán)增加至12次時(shí)，固結(jié)體內(nèi)部緊密的結(jié)構(gòu)變得稀疏松散，孔隙明顯增多且聯(lián)通生成裂隙，固結(jié)體受到破壞。微觀掃描電鏡試驗(yàn)結(jié)果與單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。參考文獻(xiàn)1劉殿閣. 尾礦干堆工藝發(fā)展及應(yīng)用J. 黑龍江冶金, 2015(2):60-60.LIU Diange. Developm

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31、rties of Tailings MateriJ.Nonferrous Metals Engineering,2020,10(07):93-99.11郭要輝,田亞坤,伍玲玲,張志軍,竇玫琦,賀桂成,喻清.干濕循環(huán)作用下不同圍壓尾砂的力學(xué)特性J.有色金屬工程,2020,10(04):87-93. GUO Yaohui, TIAN Yakun,WU Lingling,et al. echanical Properties of Tailings under Different Confining Pressures and the Circulation of Moisture Absorption and DesorptionJ.Nonferrous Metals Engineering,2020,10(07):93-99.12安鵬飛. 干濕循環(huán)作用下某金屬尾砂的宏細(xì)觀力學(xué)特性研究D.南華大學(xué),2019. AN Pengfei. Study on the Macro-Micro Mechanical Pr