击实对全尾砂固结体强度及渗透性影响

时间：2024-07-28

侯运炳乔德峡

（中国矿业大学（北京）能源与矿业学院，北京 100083）

全尾砂固结排放技术可在不新建尾矿库的情况下，实现固结尾砂的露天堆存。但全尾砂固结体露天堆存时，受自身重力以及降水冲刷的作用易发生沉降变形和渗透破坏，长期作用会导致全尾砂固结堆体发生失稳甚至垮塌［1-2］。为提高全尾砂固结体露天堆排时的稳定性，参照岩土工程领域使用击实手段改良岩土体强度和抗渗性的方法，通过机械击实的手段处理全尾砂固结堆体。击实对力学性能和抗渗性的主要影响因素包括击实功、含水率、干密度和养护龄期［3-5］。

针对击实对无侧限抗压强度和渗透系数变化的影响，学者们做了大量研究工作。Yongjin Choi等［6］采用轻型弯沉仪（LWD）和土刚度仪（SSG）对压实后的全尾砂固结体行了模量测试及振动锤击试验，获得了压实全尾砂固结体的模量与相对密度之间的关系，并努力寻找确保适当压实的模量范围。Hedelvan Emerson Fardin等［7］通过压实试验、抗压强度、劈裂抗拉强度、弯曲抗拉强度、弹性模量、孔隙率、密度和吸水率试验，分析了混合料的物理性能。王欢等［8］通过控制不同压实度、不同基质吸力、不同净围压对粉煤灰进行一系列非饱和土三轴试验探讨压实度和基质吸力对粉煤灰应力-应变关系曲线和强度参数的影响。杨曦等［9］对铁矿尾砂进行了渗透试验研究，发现有效粒径和粉粒间孔隙比与原状铁尾矿砂的渗透系数呈现出了较好的相关性，据此建立的铁尾矿砂渗透系数计算公式结果较为准确。曹志翔等［10］对多种单一粒径全尾砂固结体进行渗透试验，利用试验数据对叠合系数进行拟合分析得出可用于计算的叠合系数公式。

笔者通过对不同击实功、干密度、含水率和养护龄期的固结体试件进行室内击实试验和常水头渗透试验，研究不同因素对无侧限抗压强度和渗透系数的影响；研究不同击实功和养护龄期下全尾砂固结体内部微观结构的演化规律，从微观层面探究击实对固结体强度增长和渗透性减弱的原因。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验所用尾砂取自五矿邯邢矿业有限公司安徽李楼铁矿，尾砂主要粒径分布及粒度特征参数分别见表1和表2。

由表2可得，试验尾砂的粒度特征参数d10=28.62 μm，d30=75.73 μm，d60=177.21 μm，中值粒径d50=143.66 μm，不均匀系数Cu=6.19＞5，曲率系数Cc=1.13＞1，尾砂总体粗颗粒较多，级配良好。

使用XRD衍射仪对尾砂颗粒的化学成分进行分析，结果见表3。

水泥选择强度等级为42.5的普通硅酸盐水泥，试验中全尾砂固结体的水泥掺量均为8%。

1.2 试验方法

参照《土工试验方法标准（GB/T 50123-1999）》，室内击实试验选取JDS-2型标准轻型击实仪；无侧限抗压强度测试选取万能试验机；渗透系数测量选取常水头渗透仪。本次试验采用静压力法制备试样，制样模具尺寸为直径×高=ϕ50 mm×50 mm的圆柱体模具。为保证效果，试验中所有全尾砂固结体试样初始含水率均设定为10%，之后根据制备试样的干密度倒入模具中进行静力压制成型，最后通过水膜转移法配制成相应含水率的试样。

1.2.1 室内击实试验

按四分法制备固结体试样，研究在不同击实功下全尾砂固结体试样的最大干密度和最优含水率；选取4种不同的击实功对全尾砂固结体进行击实，击实功分别为 598.2 kJ/m3、1 074.7 kJ/m3、1 535.3 kJ/m3和2 149.4 kJ/m3。再以所得各击实功下的最大干密度和最优含水率为基础，研究击实功、干密度（在各击实功下控制击实度分别为94%、96%、98%和100%）、含水率和养护龄期（3 d、7 d和28 d，干密度和含水率控制为各击实功下的最大干密度和最优含水率）4个因素对全尾砂固结体无侧限抗压强度的影响。

1.2.2 常水头渗透试验

使用自制常水头渗透装置对不同干密度（各击实功下的击实度分别为94%、96%、98%和100%、含水率为最优含水率）和养护龄期（3 d、7 d和28 d，干密度和含水率控制为各击实功下的最大干密度和最优含水率）的全尾砂固结体试件进行室内渗透试验，测定相关渗透系数。

1.2.3 扫描电镜试验

对未击实的和不同击实功下进行击实后的试件切薄片取样，使用吹气球去除样本表面粉屑并使用烘箱烘干，为保证试样彻底烘干且不破坏其内部水化产物结构，设定烘箱的温度为50℃并烘干24 h。制备好的样本固定在扫描电镜的样品台上，抽真空干燥，在高真空扫描环境下扫描。每个样本分别获取放大倍数为1 000、2 000、5 000和10 000倍的数字图像。

2 试验结果与讨论

2.1 击实对固结体无侧限抗压强度的研究

图1分别给出了4种击实功条件下的击实曲线及各因素对无侧限抗压强度的影响曲线。在4种击实功作用下，随着含水率的增加，击实固结体的干密度先增大再减小［11］。含水率较低时，随着含水率的增加，全尾砂固结体中的结合水膜逐渐变厚，增大了尾砂颗粒间的润滑作用，减小了分子间引力，击实能克服了全尾砂颗粒间摩擦力，颗粒间结构更致密，击实效果增强；当含水率达到最优含水率时，结合水膜的厚度适中，全尾砂颗粒间的作用力较小，在击实作用下达到最大干密度，取得最佳击实效果［12］；当含水率过高时，随着含水率增加，全尾砂固结体的结合水膜继续变厚，固结体中多余水分很难排出，且无法提供更多的润滑作用，全尾砂颗粒间存在大量的自由水会抵消掉很大部分的击实功，空气和水很难排出，击实效果变差。分析原因，随着击实功的增加，一是击实功越大，全尾砂固结体的击实度越高，尾砂颗粒之间接触程度越紧密，尾砂颗粒间相互咬合越紧密，增大了尾砂颗粒间的联结作用，全尾砂固结体的无侧限抗压强度增大；二是全尾砂固结体的击实度增高，全尾砂固结体的孔隙比变小。

同一击实功，全尾砂固结体的无侧限抗压强度随干密度的增加而增大。分析原因，全尾砂固结体是由水泥的胶结性水化产物黏结包裹全尾砂颗粒而成，且胶结性水化产物会填充全尾砂颗粒之间的孔隙。固结体无侧限抗压强度的增长主要依靠尾砂颗粒间黏结的增强以及全尾砂固结体密实度的提高［13］。随着固结体干密度增加，全尾砂固结体的结构发生变化，固结体密实度增大，固结体中的孔隙减少，尾砂颗粒间的连接更紧密且颗粒间的黏聚力增大，抵抗变形破坏的能力增强，随着击实功的增加由此提升了全尾砂固结体的无侧限抗压强度。

固结体无侧限抗压强度随含水率的增加而减小。原因是随着固结体含水率的增加，大量填充全尾砂固结体内孔隙，填充进入的水在起到润滑作用的同时，会大量溶解水泥水化产物，减弱了全尾砂固结体的黏聚力和尾砂颗粒之间的摩阻力，致使无侧限抗压强度降低［14］。含水率一定时，全尾砂固结体的无侧限抗压强度随击实功的增大而增大。

在同一击实功下，全尾砂固结体的无侧限抗压强度随着养护龄期的增加而增大。分析原因，一是随着养护龄期的增加，固结体中水泥水化反应更加充分，生成的水化产物逐渐向尾砂颗粒团之间的孔隙延伸，在颗粒团之间进行黏结，减少了固结体内部微裂隙和微孔隙的数量，增强了全尾砂固结体骨架的稳定性［15］；二是生成的大量水泥胶结性水化产物填充尾砂颗粒之间的孔隙，固结体内部孔隙数量不断减少，在整体上提高了全尾砂固结体的密实度，在宏观上表现为固结体的无侧限抗压强度增大。

2.2 击实对固结体渗透系数的影响

饱和渗透系数与干密度关系曲线见图2。由图2可得，在同一击实功下，全尾砂固结体渗透系数均随着干密度的增大而减小，且当干密度较大时，渗透系数的减小速率逐渐变小。在不同击实功下，全尾砂固结体的渗透系数随着击实功的增大而减小。分析原因，全尾砂固结体的结构是由水泥水化产物胶结全尾砂颗粒而组成的，全尾砂固结体内存在大量孔隙。在击实功作用下，固结体内大量的水和空气被排出，全尾砂固结体的密实度增加，固结体整体结构更加致密［16］。同时，固结体内的孔隙数量和微裂隙数量减少，水的流通路径减少，渗透系数减小，全尾砂固结体的抗渗性得到提高。随着击实功作用，当干密度增大到一定程度后很难再继续增大，固结体密实度不易提高，渗透系数减小的速率放缓［17-18］。

图3为不同击实功下，渗透系数随养护龄期的变化。由图3可得，各击实功下，全尾砂固结体的渗透系数均随着养护龄期的增加而减小，抗渗性提高。养护龄期3 d至7 d之间全尾砂固结体抗渗性能的提升速率高于养护龄期7 d至28 d之间的。相同养护龄期，渗透系数随着击实功的增大而减小，即抗渗性能随着击实功的增大而逐渐提高。分析原因，从微观层面来看，水泥胶结性水化产物会填充全尾砂固结体的孔隙。随着养护龄期的增加，水泥水化越充分，水泥水化产物逐渐增多，水化产物逐渐填充尾砂颗粒团之间的孔隙，减少全尾砂固结体内部微裂隙和微孔隙的数量，减少透水路径［19］。同时，伴随着水泥胶结性水化产物填充全尾砂颗粒之间的孔隙，孔隙数量随养护龄期的增加逐渐减少，在宏观上表现为全尾砂固结体渗透系数的减小。

2.3 击实对固结体微观结构的影响

水化反应程度影响击实固结体的无侧限抗压强度和抗渗性的增长，在4种击实功条件下，选取养护龄期为7 d和28 d的、干密度和含水率为最大干密度和最优含水率的固结体试件分析击实功对固结体无侧限抗压强度和渗透系数的影响，结果见图4和图5。

从图4（a）可以看出，水化反应生成大量平板状的Ca（OH）2晶体，且尾砂颗粒表面被大量的C—S—H凝胶和针棒状AFt晶体覆盖，水化产物填充孔隙程度有限，尾砂颗粒排列十分松散，水化产物的分布较分散，水化产物之间连接交织得不紧密，尾砂颗粒间存在大量的孔隙且孔径较大，固结体整体结构不密实［20］。图4（b）中，全尾砂固结体所受击实功为598.2 kJ/m3，较图4（a），尾砂颗粒排列相对紧密，生成的C—S—H凝胶覆盖尾砂颗粒及针棒状AFt晶体，但覆盖并不完全，水化产物连接的紧密程度较未击实固结体增加。水化产物填充部分孔隙，孔隙数量较未击实固结体有一定程度减少［21］，尾砂颗粒排列相对紧密，固结体结构密实度增加。图4（c）为受击实功 1 074.7 kJ/m3的固结体微观图像，较图4（b），尾砂颗粒排列的紧密程度进一步增加，各种水化产物相互交织并紧密连接，水化产物大量填充颗粒之间的孔隙，大孔径孔隙数量明显减少，孔隙整体数量减小，固结体的密实度提高；图4（d）为受击实功1 535.3 kJ/m3的固结体，明显可得固结体中大孔隙基本消失，尾砂颗粒排列的紧密度很高，水化产物之间交织连接得非常紧密，生成的C—S—H凝胶大面积包裹尾砂颗粒表面，水化产物大量填充尾砂颗粒之间的孔隙，小孔隙数量也明显减少，在击实功作用下固结体的密实度得到提高。图4（e）为击实功2 149.4 kJ/m3的固结体微观图像，较图4（d），尾砂颗粒间紧密程度进一步增加，水化产物之间连接非常紧密，固结体中仍存在少量孔隙，这说明随着击实功增加，全尾砂固结体的密实度增大到一定程度后很难再继续提高，孔隙数量不再减少或减少缓慢，在宏观上表现为固结体无侧限抗压强度增大到一定程度后增幅和增速明显减小，渗透系数的减小速率逐渐变小，最终趋于稳定。

由图5（a）可知，水化反应生成大量平板状的Ca（OH）2晶体，大量的C—S—H凝胶覆盖在针棒状AFt晶体和尾砂颗粒表面，尾砂颗粒相互叠加，水化产物之间的连接非常紧密［22］，水化反应完全，大量的水化产物填充尾砂颗粒之间的孔隙，较7 d未击实固结体，无大孔隙且孔隙数量大幅减小，尾砂颗粒被大量水化产物包裹黏结，固结体密实度提高，固结体强度大幅增长。图5（b）为击实功598.2 kJ/m3的固结体微观图像，较图5（a），C—S—H凝胶完全包裹尾砂颗粒，各种水化产物相互连接更紧密，尾砂颗粒之间的孔隙减少，固结体密实度提高，反映在宏观上表现为固结体无侧限抗压强度的增加和渗透系数的减小。图5（c）为击实功1 074.7 kJ/m3的固结体微观形貌，较图5（b），尾砂颗粒之间的孔隙数量进一步减少，水化产物之间的连接程度进一步提高，尾砂颗粒之间的黏结度增加，固结体结构更密实。图5（d）为击实功1 535.3 kJ/m3的固结体微观图像，较图5（c），尾砂颗粒表面被C—S—H凝胶完全覆盖，水化产物连接非常紧密，固结体中无明显孔隙，固结体结构非常密实。图5（e）为击实功2 149.4 kJ/m3固结体微观图像，较图5（d），小孔隙数量有所增加，但固结体的密实程度仍然很高，水化产物之间的连接非常紧密。分析原因，当固结体密实度增大到一定程度很难再继续提高，且较大的击实功会破坏固结体结构，重新生成孔隙。

综上，从微观角度分析：相同养护龄期，随着击实功增加，全尾砂固结体颗粒间相对运动且颗粒间结构更致密，各种水化产物相互交织并紧密连接，构成的固结体骨架强度增加，水化产物大量填充颗粒之间的孔隙，孔隙数量不断减少，固结体密实度增加，宏观上表现为固结体的无侧限抗压强度增大；同时伴随着固结体密实度的增加以及孔隙数量的减少，大量的微孔隙和微裂隙消失［23］，全尾砂固结体中的透水通路减少，宏观上表现为渗透系数的减小。当固结体密实度增大到一定程度很难再继续提高，固结体无侧限抗压强度的增长速率和渗透系数的减小速率均放缓。

2.4 养护龄期对固结体微观结构的影响

选取击实功均为2 149.4 kJ/m3、养护龄期分别为3 d、7 d和28 d的击实全尾砂固结体进行扫描电镜分析，选取放大2 000倍的图片进行对比分析，结果见图6。

由图6（a）可知，絮状水化产物C—S—H和针棒状水化产物AFt已开始生成，但生成的数量较少且分布较为松散，水化产物之间的连接不够紧密，尾砂颗粒间存在大量的孔隙且孔隙尺寸较大。图6（b）为养护龄期7 d的微观图像，相比于3 d时，水化产物C—S—H的数量增多，水化产物中出现了平板状Ca（OH）2晶体，这说明水化反应仍在进行中，生成的水化产物C—S—H凝胶覆盖了针棒状的AFt并填充了尾砂颗粒之间的孔隙，各种水化产物相互交织并紧密连接，但生成水化产物的量还不足以全部包裹尾砂颗粒及填充颗粒之间的孔隙。图6（c）为养护龄期28 d固结体的微观图像，由图像可得，相较于养护龄期7 d，水化反应生成的大量C—S—H已完全包裹尾砂颗粒表面，尾砂颗粒表面的针棒状AFt晶体已完全消失［24］，被包裹在了C—S—H凝胶中，大孔隙和贯通孔隙消失，整体的孔隙数量大为减少。

综上，可以很好地解释击实后固结体随着养护龄期的增加无侧限抗压强度增大而渗透系数减小的原因：固结体无侧限抗压强度的增长，主要依靠尾砂颗粒间胶结度增强、固结体密实度的提高和孔隙数量的减少。随着养护龄期的增加，水泥水化越充分，生成的水化产物数量不断增加，水化产物包裹尾砂颗粒更完全、更紧密，大量的胶结性水化产物填充颗粒之间的孔隙，减少了全尾砂固结体内部孔隙的数量，使固结体结构更密实，提高了无侧限抗压强度；随着养护龄期的增加及水化反应更加充分，水泥水化产物逐渐增多，水泥胶结性水化产物填充全尾砂颗粒之间的孔隙，孔隙数量随养护龄期的增加逐渐减少，全尾砂固结体的抗渗性能得到提高，固结体内的孔隙数量和微裂隙数量减少，透水通路减少，固结体的渗透系数减小，抗渗性得到提高。