鐵尾礦砂混凝土力學(xué)特性實驗研究

寧波，閆艷，左夏偉，梁仁旺

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院測繪與檢測學(xué)院，陜西 渭南 714000；2.太原理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，山西 太原 03002；3.山西工程技術(shù)學(xué)院土木與建筑工程系，山西陽泉 0450004；4.陽泉市人民政府金融工作辦公室，山西 陽泉 045000)

隨著經(jīng)濟不斷發(fā)展，對于礦產(chǎn)資源的開采也越來越多，但是資源開采之后會產(chǎn)生大量的礦產(chǎn)廢棄物-尾礦，尾礦進行資源化和無害化是當今處理尾礦的研究熱點[1-3]。據(jù)統(tǒng)計，截止2015年全國的尾礦大約有150億t左右，尾礦庫大約有1.5萬多座[4]，且這些尾礦庫大多數(shù)處于作業(yè)或者施工現(xiàn)場周圍，由于尾礦堆積高度過高會帶來流動，給周圍施工人員的安全帶來威脅，尤其是在雨季的時候，尾礦堆積體更容易發(fā)生滑動等運動[5]。尾礦庫中的尾礦砂在大多數(shù)條件都處于非飽和狀態(tài)下，故尾款庫的穩(wěn)定性不僅與其堆積的高度有關(guān)，也與尾礦砂中的含水率等條件有關(guān)[6-7]。為了解決尾礦庫廢棄物堆積的問題，本文將采用尾礦砂來制備混凝土，進而對其力學(xué)特性進行研究，分析不同含水率、尾礦顆粒粒徑和尾礦干密度對尾礦砂混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律、黏聚力和內(nèi)摩擦角的影響，對尾礦庫的穩(wěn)定性分析具有指導(dǎo)意義。

1 尾礦砂混凝土制備

1.1 原材料

本文中混凝土材料有水泥、粉煤灰、砂、石子、引氣劑和水，其中水泥選取山西太原某水泥廠生產(chǎn)的普通硅酸鹽水泥PO 32.5，其性能指標見表1。

表1 PO 32.5性能指標Table 1 Performance indicators of PO 32.5

而粉煤灰為太原電廠附屬產(chǎn)品，經(jīng)過相關(guān)單位檢測后，得出其成分及性能指標見表2。

表2 粉煤灰成分及性能指標Table 2 Composition and performance index fly ash

石子為山西大同煤礦附屬產(chǎn)品煤矸石，破碎處理后，石子的粒徑在5 ～ 15 mm之間，壓碎指標為5.63%，表觀密度2795 kg/m3。

1.2 尾礦砂級配

作為細集料的砂用尾礦砂進行代替。其中，尾礦級配指標如下：首先取1 kg尾礦砂作為級配試驗的研究對象，選取套篩的尺寸為20、10、5、2、1、0.5、0.25和0.075 mm八種篩孔直徑，將試樣尾礦砂放置于篩中進行振動，每一次大約振動10 min左右（保證上一級篩中的尾礦砂顆粒不再掉入下一級篩中），待振動完事之后依次稱取每一個篩中尾礦砂的質(zhì)量，計算出每一個篩中尾礦砂的質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比[8-9]。依據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制出級配曲線見圖1。

圖1 級配曲線Fig. 1 Gradation curve

根據(jù)式（1）計算尾礦砂不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc為：

式中，d60、d30、d10為小于某粒徑顆粒含量占總含量的60%、30%、10%。

由圖1和式（1）可知，粒徑在+0.25 mm的顆粒含量達到了50%以上，且尾礦砂不均勻系數(shù)Cu=16.13 和曲率系數(shù)Cc=2.82，故可以判斷本文選用尾礦砂為中砂且尾礦砂級配良好。

按照試驗要求將混凝土制備成100 mm（高度）×50 mm（直徑）的標準圓柱形試件并養(yǎng)護28 d后，采用TAW-2000試驗機其進行力學(xué)特性試驗。

2 尾礦砂混凝土力學(xué)性質(zhì)研究

從含水率、干密度和尾礦砂自身粒徑三個方面，開展實驗研究尾礦砂混凝土的力學(xué)性質(zhì)以及變形特性[10-11]。

2.1 含水率對性質(zhì)的影響

對于尾礦砂混凝土內(nèi)部含水率測定主要是指單位體積內(nèi)尾礦砂混凝土所含有的含水率[12-14]，即

式中，ω為含水率；mw為尾礦砂混凝土內(nèi)部水的質(zhì)量；ms為尾礦砂混凝土內(nèi)部干砂的重量。

設(shè)置四種不同的含水率，10%、12%、14%和16%四種，圍壓設(shè)置為0.5、1、1.5和2 MPa四種，對浸水達到目標含水率的尾礦砂混凝土試樣進行室內(nèi)試驗后，繪制出不同含水率尾礦砂混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖2，不同圍壓作用下應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖3（以圍壓1 MPa為例）。

圖2 不同含水率尾礦砂混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 2 Stress-strain curves of tailings concrete sand with different water contents

圖3 應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.3 Stress-strain curves

由圖3可知，不同含水率尾礦砂混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律基本一致，都是隨著應(yīng)變的增大應(yīng)力逐漸增大，當應(yīng)變增大一定值時應(yīng)力逐漸趨于平緩；同時，隨著圍壓的增大，尾礦砂混凝土應(yīng)力峰值點對應(yīng)的應(yīng)變值相對滯后。當尾礦砂混凝土的圍壓一定時，尾礦砂混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律和峰值應(yīng)力的數(shù)值大致一樣，故尾礦砂混凝土變形特性受含水率的影響作用較小，受到圍壓的影響作用較大。

根據(jù)上述尾礦砂混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)可以計算出不同含水率作用下黏聚力和內(nèi)摩擦角[15]，繪制出不同含水率作用下尾礦砂混凝土的黏聚力和內(nèi)摩擦角變化曲線見圖4。

圖4 黏聚力和內(nèi)摩擦角變化曲線Fig.4 Variations of cohesion and internal friction angle

由圖4可知，尾礦砂混凝土的黏聚力和內(nèi)摩擦角受含水率的影響作用較大，隨著含水率的不斷增大，尾礦砂混凝土的黏聚力呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律，且在含水率為14%時尾礦砂混凝土的黏聚力到達了較大值；但是隨著含水率的不斷增大，尾礦砂混凝土的內(nèi)摩擦角卻呈現(xiàn)出逐漸減小的變化規(guī)律。造成上述變化規(guī)律的主要原因為：當尾礦砂混凝土內(nèi)部含水率較小時，尾礦砂混凝土內(nèi)部空隙含有大量的空氣，使得其密度相對較低，進而造成尾礦砂混凝土的力學(xué)性能較差，當其內(nèi)部含水率逐漸增大時，水分將空隙的大量的空氣排出使得尾礦砂的密度和黏聚力逐漸增大，但是含水率的增大促進了尾礦砂混凝土內(nèi)部各個顆粒之間錯動等運動，故尾礦砂混凝土的內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)減小的趨勢；當含水率繼續(xù)增大后，尾礦砂內(nèi)部孔隙水壓力也逐漸增大，在一定程度上削弱了其抗剪強度，故尾礦砂混凝土的黏聚力和摩擦角呈現(xiàn)下降趨勢。

2.2 粒徑對性質(zhì)的影響

尾礦砂粒徑分別為選取粗砂（1 mm）、中砂（0.5 mm）和細砂（0.25 mm）三種制備混凝土，然后對尾礦砂混凝土試樣進行室內(nèi)試驗后，繪制出不同粒徑尾礦砂的尾礦砂混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖5（以圍壓1MPa為例）。

圖5 不同粒徑尾礦砂的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 5 Stress-strain curves of tailings sand concrete with different particle sizes

由圖5可知，不同粒徑尾礦砂的混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律基本一致，都是隨著應(yīng)變的增大應(yīng)力逐漸增大，當應(yīng)變增大一定值時應(yīng)力逐漸趨于平緩；其中細砂的峰值應(yīng)力最大，中砂的峰值應(yīng)力最小，粗砂的峰值應(yīng)力次之，且細砂的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在峰值應(yīng)力點之后的下降趨勢要比其他兩種粒徑砂的下降趨勢明顯。綜上所述，尾礦砂粒徑的大小對于混凝土變形特性影響較大，且尾礦砂粒徑較小可以有效提升其承載力。

繪制出不同粒徑尾礦砂的黏聚力和內(nèi)摩擦角變化曲線見圖6。

圖6 不同粒徑尾礦砂混凝土的黏聚力和內(nèi)摩擦角變化曲線Fig.6 Cohesion and internal friction angle of tailings concrete with different particle sizes

由圖6可知，隨著尾礦砂粒徑的不斷增大，尾礦砂混凝土的黏聚力呈現(xiàn)出增大變化規(guī)律，而內(nèi)摩擦角卻呈現(xiàn)出逐漸減小的變化規(guī)律，這是由于混凝土中的尾礦砂顆粒粒徑增大后，使得混凝土內(nèi)部顆粒表面更加粗糙、顆粒之間的接觸減少，有效增大了顆粒間連鎖產(chǎn)生的咬合力。

2.3 干密度對性質(zhì)的影響

尾礦砂混凝土的干密度分別為選取1.5、1.7、1.9和2.1kg/cm3四種，對制備好的尾礦砂混凝土試樣進行室內(nèi)試驗后，繪制出不同干密度的尾礦砂混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖7（以圍壓1MPa為例）。

圖7 不同干密度的尾礦砂應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 7 Stress-strain curves of tailings concrete sand concrete with different dry densities

由圖7可知，不同干密度尾礦砂的混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線變化規(guī)律基本一致，都是隨著應(yīng)變的增大應(yīng)力逐漸增大，當應(yīng)變增大一定值時應(yīng)力逐漸趨于平緩，都呈現(xiàn)出明顯的非線性變形特性。在同一圍壓作用下，隨著干密度的增大，尾礦砂混凝土的峰值應(yīng)力逐漸增大，這是由于尾礦砂的干密度越大，尾礦砂混凝土內(nèi)部含有固體顆粒越多，尾礦砂混凝土的結(jié)構(gòu)就越加密實，進而使得其內(nèi)部顆粒之間的相互咬合力增大，在宏觀上呈現(xiàn)出尾礦砂混凝土強度的提升。

繪制出不同干密度尾礦砂混凝土的黏聚力和內(nèi)摩擦角變化曲線見圖8。

圖8 不同干密度尾礦砂的黏聚力和內(nèi)摩擦角變化曲線Fig. 8 Variation curves of cohesion and internal friction angle of tailing sands concrete with different dry densities

由圖8可知，隨著尾礦砂干密度的不斷增大，尾礦砂混凝土的黏聚力和內(nèi)摩擦角都呈現(xiàn)出增大變化規(guī)律，這是由于當尾礦砂混凝土的干密度增大時，尾礦砂混凝土內(nèi)部含有固體顆粒越多，在單位體積內(nèi)尾礦砂混凝土的密實度就越好，使得顆粒間的咬合力和接觸增大、顆粒間的相對運動變少，故干密度越大尾礦砂混凝土的力學(xué)性能越好。同時，尾礦砂混凝土的干密度較小時，單位體積混凝土內(nèi)的顆粒數(shù)量不是很多，顆粒的間距較大，當干密度增大后使得尾礦砂混凝土內(nèi)部的顆粒間接觸增多、間距變小，進而內(nèi)摩擦角快速增大；當干密度增大到一定值時，單位體積混凝土內(nèi)的顆粒數(shù)量很多，顆粒間距減小，導(dǎo)致顆粒間的咬合力增加幅度有所下降，故尾礦砂混凝土的內(nèi)摩擦角增加趨勢有所減緩。

3 結(jié) 論

（1）粒徑在+0.25 mm達到了50%以上，且尾礦砂不均勻系數(shù)Cu=16.13 和曲率系數(shù)Cc=2.82，故可以判斷本文選用尾礦砂級配良好。

（2）尾礦砂混凝土變形特性受含水率的影響作用較小，受到圍壓的影響作用較大；含水率的增大促進了尾礦砂混凝土內(nèi)部各個顆粒之間錯動等運動，故尾礦砂混凝土的內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)減小的趨勢；當含水率繼續(xù)增大后，尾礦砂混凝土內(nèi)部孔隙水壓力也逐漸增大，在一定程度上削弱了其抗剪強度，故尾礦砂混凝土的黏聚力和摩擦角呈現(xiàn)下降趨勢。

（3）當尾礦砂顆粒粒徑增大后，使得混凝土內(nèi)部顆粒表面更加粗糙、顆粒之間的接觸減少，有效增大了顆粒間連鎖產(chǎn)生的咬合力，使得隨著尾礦砂粒徑的不斷增大，尾礦砂混凝土的黏聚力呈現(xiàn)出增大變化規(guī)律，而內(nèi)摩擦角卻呈現(xiàn)出逐漸減小的變化規(guī)律。

（4）隨著尾礦砂干密度的不斷增大，尾礦砂混凝土的黏聚力和內(nèi)摩擦角都呈現(xiàn)出增大變化規(guī)律，這是由于當尾礦砂混凝土的干密度增大時，尾礦砂混凝土內(nèi)部含有固體顆粒越多，在單位體積內(nèi)尾礦砂混凝土的密實度就越好，使得顆粒間的咬合力和接觸增大、顆粒間的相對運動變少，故干密度越大尾礦砂混凝土的力學(xué)性能越好。