寧辰禹, 王瑞雪, 蔚 健, 吳 迪

(1.鞍鋼集團礦業(yè)設計研究院有限公司,遼寧 鞍山 114000; 2.北京科技大學 土木與資源工程學院, 北京 100083)

1 前言

大孤山鐵礦隸屬鞍鋼集團礦業(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高的孤山頂采至當前-354 m左右的大型深凹露天鐵礦。目前大孤山鐵礦正在進行露天生產(chǎn),經(jīng)設計估算,露天開采預計2024年3月結束,屆時將由露天開采轉為井下開采,同時需要對露天礦坑進行回填復墾,恢復礦區(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體的強度與穩(wěn)定性,又是影響封底加固層制備成本的重要因素[3-4]。全尾砂具有顆粒細小、級配不合理、含泥量高、脫水困難等特點。水泥添加量較低時,全尾砂無法完全膠結,堆排體在降雨、地震工程擾動下會泥化、流化、失穩(wěn)[5-6]。尾砂中重金屬也會隨水浸出,排放到環(huán)境中,對環(huán)境造成損傷。水泥添加量較大時,全尾砂能夠較好的膠結,但膠結成本高[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)選廠和大孤山球團廠選廠的尾砂作為試驗原材料,對不同濃度及不同灰砂比條件下的尾砂膠結體進行物理力學特性試驗,研究尾砂膠結體強度與配比之間的關系,為選擇合適的膠凝材料配比提供依據(jù)。

2 試驗

2.1 試驗材料

實驗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(標號P.O42.5)和水,其中實驗用水為普通自來水。尾砂粒級組成是影響最終形成膠結體力學性能的重要物理參數(shù),對封底加固層的力學性能有直接影響,這既與脫水工藝相關,更與膠凝材料用量有關。若尾砂中細粒級物料含量多,達到相同的膠結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得的全尾砂粒度分布圖和基本性能參數(shù)。通常認為,尾砂中小于-20 μm的顆粒占比超過15%時,該尾砂所制料漿具有較好的保水性,從試驗結果可知該尾砂的該項參數(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 試驗全尾砂基本性能參數(shù)

圖1 全尾砂粒度分布圖

2.2 試驗方案

本試驗設置68%、70%和72%三種料漿濃度,灰砂比則設置有1∶4、1∶10、1∶15、1∶20四種,養(yǎng)護齡期為3 d、7 d和28 d。采用全面試驗。對不同齡期試塊做單軸抗壓試驗和楔形剪切試驗,其中楔形剪切試驗采用20°、30°、40°和45°的四種模具進行測試,每個模具均需要進行試驗,以提高擬合精確度,每次試驗需要3個試塊,求其平均值作為本次試驗的結果。表2為具體的試驗方案。

表2 單軸抗壓強度試驗結果

表2 膠結體力學參數(shù)試驗方案

2.3 試驗設備與方法

試驗主要包括尾砂等原材料的準備(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、性能參數(shù)測試。試驗過程中需要用到的設備主要包括JJ-5型水泥膠砂攪拌機、東測試驗壓力機、標準恒溫恒濕養(yǎng)護箱、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、振動臺、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度試驗的試件制作,7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm試模則是用于楔形剪切試驗的試件制作。

1) 原材料準備

從選廠取出的尾砂由于含水量較大,需要對其進行80 ℃高溫下烘干處理,在此溫度下尾砂內部成分不會發(fā)生化學反應,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

將適量的水泥、全尾砂倒入攪拌鍋內,開動水泥膠砂攪拌機,使其攪拌均勻,然后停機,注水,繼續(xù)攪拌160 s,機器暫停時將粘在葉片上的料漿刮下,然后繼續(xù)攪拌80 s后停機,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,內壁均勻刷涂一薄層機油,以便于脫模。將料漿利用刮刀刮入試模中,置于膠砂振動臺震動,使其均勻密實,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。編號后,將試模放入水泥混凝土標準養(yǎng)護箱養(yǎng)護,試塊成型24 h后拆模,繼續(xù)置入養(yǎng)護箱內養(yǎng)護。養(yǎng)護溫度為20±1 ℃、濕度≥95%,養(yǎng)護齡期為3 d、7 d、28 d。試塊澆筑與養(yǎng)護過程如圖3所示。

圖3 試塊澆筑與養(yǎng)護

3) 性能參數(shù)測試

在養(yǎng)護齡期達到設定值后,即可將試件取出并進行單軸抗壓強度和抗剪強度測試,測試過程如 圖4 所示。進行單軸抗壓強度測試時,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機壓板中心,壓力機的加載速度按規(guī)定應為5.0±0.5 kN;而進行抗剪強度測試時,采用的即傾斜壓模法,通過該方法獲得到尾砂膠結體的內摩擦角φ和黏聚力C的值,以及剪切破壞面上的正應力和剪應力。試驗中所使用的每個角度的模具均取3～5個試塊進行測試,以保證結果的可靠性。

圖4 抗壓與抗剪強度測試

3 試驗結果與分析

3.1 單軸抗壓強度與分析

通常來說影響全尾砂膠結體強度的因素主要包括料漿濃度、灰砂比和養(yǎng)護時間三類,本文將針對這三類因素對膠結體的單軸抗壓強度的影響規(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)。試件單軸抗壓強度的試驗結果見表2,包括了不同濃度下不同灰砂比各齡期的單軸抗壓強度數(shù)據(jù)。

1) 灰砂比對單軸抗壓強度的影響規(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水泥的強度為初凝強度;料漿濃度較小時(68%),7 d、28 d單軸抗壓強度增長較慢,料漿濃度較大時(70%、72%),7 d、28 d單軸抗壓強度增長較快;灰砂比小于1∶15時,3 d,7 d,28 d的單軸抗壓強度距離較近,膠結體試件抗壓強度增長速度并不明顯。當灰砂比較大(1∶15以上),抗壓強度增長速度變得明顯起來。可以看出,通常情況下7 d、28 d時的抗壓強度增長速度較為接近,而3 d時的抗壓強度增長速度受濃度影響較大;在低摻量(水泥)范圍內,由于膠結能力得不到發(fā)揮,各齡期在絕對值上差異不明顯,隨著摻量增大,抗壓強度增大倍數(shù)稍高于或等于摻量增長率。

圖5 抗壓強度-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,膠結體抗壓強度增加,其增長幅度隨受養(yǎng)護齡期影響較小,受濃度影響較大。

2) 濃度對單軸抗壓強度的影響規(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、濃度條件下強度的增長變化曲線。圖中可以看出,當齡期增大時,膠結體抗壓強度顯著增加;而隨著料漿濃度增加,膠結體抗壓強度有一定的增加,但整體變化趨勢并不顯著。

圖6 不同灰砂比下抗壓強度隨濃度及齡期變化曲線

可以看出,膠結體強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28 d后比較顯著,養(yǎng)護3 d、7 d時不夠顯著。整體上看,濃度對膠結體強度影響較小,且并非濃度越大膠結體強度越大。料漿濃度過大,水泥添加量較小時反應可能不充分,導致膠結體強度較低;料漿濃度過小,泌水量較大,孔隙結構發(fā)育,也會導致膠結體強度降低。

3) 齡期-標準養(yǎng)護階段增長規(guī)律

圖7所示為不同濃度下標準養(yǎng)護階段料漿齡期-灰砂比強度關系曲線,可以看出灰砂比對試件強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,即強度增長越快。同時灰砂比對于試塊早期3 d的強度的影響較小,對于長期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。

圖7 不同濃度下標準養(yǎng)護階段料漿齡期-灰砂比強度關系曲線

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

4) 單軸抗壓強度與各因素的數(shù)值關系

如圖8所示,將3 d,7 d,28 d強度作為因變量,灰砂比作為單一變量作圖分析,說明灰砂比因素與強度的關系。而且圖8(a),(b),(c)中灰砂比小于1∶20時,各濃度的強度值差距較小;三條曲線都是由灰砂比較大時的放射狀離散,隨著灰砂比的減小逐漸聚合一點,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,對于3 d,7 d強度曲線,灰砂比大于1∶15以后,72%濃度的強度偏離70%和68%濃度的強度曲線,而這兩條曲線在灰砂比小于1∶10時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,濃度的效應越明顯,摻量較小時濃度作用微弱。68%濃度曲線和70%濃度曲線在28 d強度值上是近于平行的,這說明在一定濃度范圍內,在灰砂比固定的情況下28 d強度的差值是固定的,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)展趨勢也是符合差值固定規(guī)律的。

圖8 不同齡期下標準養(yǎng)護階段尾砂膠結體試塊抗壓強度增長曲線

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

3.2 抗剪強度與分析

評價尾砂膠結體抗剪強度大小,僅從單一的黏聚力或內摩擦角來考察是不夠全面的,這主要是因為散體物料的抗剪強度是由內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,采用散體抗剪強度來綜合評價,且需探討內摩擦角和黏聚力作用的大小。通過對剪切試驗結果進行擬合等處理后可得到不同試件各齡期的剪切參數(shù),具體結果見表9、表10、表11。

表10 養(yǎng)護7 d不同濃度、灰砂比的C和φ

表11 養(yǎng)護28 d不同濃度、灰砂比的C和φ

1) 濃度及灰砂比對內聚力的影響規(guī)律

對于非飽和土,由于水的張力作用會產(chǎn)生負孔隙水壓力,在外表現(xiàn)為有效應力-即表觀內聚力;對于超膠結,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)生負孔隙水壓力,代替卸荷的有效應力,此時土體非常堅硬,表觀黏聚力非常大。在本次試驗中,黏聚力主要是水泥的化學作用,考慮到砂漿泌水膠結也是正常膠結過程,所以忽略表觀黏聚力與真黏聚力的差別,統(tǒng)一作為內聚力。

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

圖9 料漿濃度及灰砂比-內聚力曲線

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

圖10 養(yǎng)護齡期及灰砂比-內聚力曲線

2) 內摩擦角變化規(guī)律分析

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

滑動摩擦一般是固定的常數(shù),太沙基認為顆粒間接觸面非常小,所以常會在凸起的點產(chǎn)生屈服,滑動力是由接觸面積與抗剪強度決定?，F(xiàn)代鉆著摩擦理論指出,土體的摩擦強度也是一種分子行為,因為接觸處距離是單分子尺度,會形成吸附作用。

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

圖11所示為料漿濃度、灰砂比對內摩擦角的影響曲線?？梢詮目闯?隨著灰砂比的增加,膠結體內摩擦角呈增大的趨勢;而隨著濃度的變化,內摩擦角的變化并無一致規(guī)律。整體上看,膠結體試件內摩擦角變化范圍為5°～35°。

圖11 料漿濃度及灰砂比-內摩擦角曲線

圖12所示為養(yǎng)護齡期灰砂比對內摩擦角的影響曲線?？梢钥闯?養(yǎng)護齡期對的內摩擦角影響也無一致規(guī)律,膠結體內摩擦角變化范圍為5°～35°。

圖12 不同濃度下的養(yǎng)護齡期灰砂比-內摩擦角曲線

4 結論

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

(2)灰砂比對試件強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,即強度增長越快。同時灰砂比對于試塊早期3 d的強度的影響較小,對于長期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,膠結體內聚力呈增長趨勢;隨著膠結體養(yǎng)護齡期的增加,膠結體內聚力也顯著增加,相比于養(yǎng)護3 d時的變化曲線,養(yǎng)護7 d、28 d時的膠結體內聚力增加更為顯著。

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