1、有色金屬工程羅小峰等：干濕循環對尾砂固結體強度的影響研究有色金屬工程Nonferrous Metals Enginerring基金項目：國家自然科學基金項目（51674263）Fund：Supported by the National Natural Science Foundation of China（51674263）作者簡介：羅小峰（1997-），男，碩士，研究方向為礦山固體廢棄物處理。干濕循環對全尾砂固結體強度的影響研究羅小峰，侯運炳，閆浩東，孫翔，牟鴻濤（中國礦業大學（北京） 能源與礦業學院 北京100083）摘要：ADDIN CNKISM.UserStyle為研究干濕循環條件下

2、全尾砂固結體單軸抗壓強度的變化規律，選取不同水泥摻量的固結體為研究對象，進行干濕循環處理后的宏觀強度與微觀結構檢測試驗，探討了膠凝材料摻量與養護時間對固結體強度的影響，并對經歷不同干濕循環次數及膠凝材料摻量下固結體微觀結構變化規律進行分析。結果表明：養護3d與7d的固結體試件，隨干濕循環作用的持續進行，強度呈先增加，后降低趨勢，養護28d固結體試件強度呈逐漸下降趨勢；不同養護齡期下，水泥摻量越大，固結體干濕循環后強度衰減越低。隨干濕循環作用的繼續進行，固結體微觀結構呈先密實，后稀疏松散趨勢。關鍵詞：干濕循環；尾砂固結體；單軸壓縮；掃描電鏡中圖分類號：TD981 文獻標志碼：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引言尾砂固結排放是在尾砂干式排放的基礎上，經過加入不同的外加劑和膠凝材料與水發生反應來固結尾砂顆粒，在短期養護后使其成為具有一定強度的固結體，固結體的內部結構與力學性質較尾砂堆體有大幅度的提升，確保了尾砂固結堆體的穩定與安全。隨著尾礦干堆技術的發展，云南、安徽等南方多雨地區部分礦山也采用尾砂固結排放技術處理尾砂 1，2，這些地區季節性的干濕交替變化對固結堆體的強度有著顯著影響，而強度作為巖土工程中最主要的力學參數3,4,5，決定其穩定性與安全性。王偉等6對大理巖進行了試驗，研究了不同干濕循環次數下大理巖強度的變化情況，發現大理巖單軸強度與干濕循環呈負相關關系，

9、在干濕循環初期劣化效應明顯。穆坤等7通過干濕循環條件下紅黏土工程性狀的研究發現，干濕循環過程對紅黏土強度與內摩擦角有衰減作用，在第1次循環時下降幅度最大。劉帥等8通過室內干濕試驗發現紅砂巖在10次干濕循環時塑形特征明顯，單軸強度降幅與應變增幅隨干濕循環次數遞增而減小。江強強等9采用掃描電鏡（SEM）與單軸試驗結合的方法，對經過不同干濕循環的話帶土進行測試，發現隨干濕循環作用的持續進行，土體強度逐漸降低，內部孔隙數量增多，產生貫通裂隙。已有學者10，11，12,13對尾礦在干濕循環作用下力學特性的變化進行了試驗分析。侯運炳等14,15,16對全尾砂固結體膠凝材料的配比和凍融循環條件下的力學特性已

10、經做了相關試驗，本文在此基礎上，通過單軸強度及掃描電鏡(SEM)試驗對干濕循環條件下尾砂固結體的強度特性進行了研究。1 試驗材料及方法1.1尾砂組成成分分析試驗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性質，對尾砂進行XRD分析與粒度分析，尾砂化學礦物組成見表1，粒徑分布見表2與圖1。由尾砂化學礦物組成分析可見，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，全尾砂不均勻系數與曲率系數可由計算得出：Cu=6.245， Cc=1.11，屬于級配良好材料。表1 尾砂化學礦物組成Table 1 Chemical

11、mineral composition of tailings成分MgOAl2O3SiO2CaO2Na2OMnOFe2O3總計含量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曲率系數不均勻系數27.5772.53172.051.116.24Table 2 Particle size distribution of tailingsd10/umd30/umd60/umCurvature coefficientUneven coefficient27.5772.53172.051.116.241.2試驗方法及過程試驗需制備3組145個固結體試件，每組試件質量濃度為74%，膠凝材料選用普硅水泥，水泥摻量（占質量濃度的百分數）分別為4%、6%、8%，制備完成后的試塊進行3d、7d、28d的養護。按設計的配比稱出尾砂、膠凝材料、水（未

13、經處理的自來水）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，放入恒溫恒濕養護箱進行標準養護。將制作好并養護至設定齡期的試件取出放入烘箱中進行12h的干燥，溫度設置為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。對完成0、3、6、9、12次循環的試件進行單軸壓縮試驗。取單軸壓縮試驗后試塊中心部分碾碎成粉末狀，烘干至質量不再發生變化后對樣品鍍膜進行SEM試驗。圖1圖2為固結體的干濕試驗與單軸壓縮試驗。 圖1固結體干濕處理 圖2單軸壓縮試驗Figure 1 Dry and wet treatment Figure2Uniaxial compress

14、ion testof consolidation body2試驗結果及分析對水泥摻量為4%、6%、8%，養護至3d、7d、28d的固結體試件進行單軸壓縮試驗，研究不同齡期下干濕循環次數對固結體強度的影響，實驗數據繪制的點線圖如圖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固結體強度隨干濕循環次數的變化規律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干濕循環次數對固結體強度的影響對上圖分析可知，養護至不同齡期的固結體強度隨干濕循環作用的持續進行呈現不同變化規律，養護齡期為3d和7d的固結體強度隨干濕循環作用的持續進行先上升，后降低，28d的固結體強度呈逐漸降低趨勢。這可以解釋為：水泥與水

16、是逐步反應的，且在反應初期最為強烈，養護齡期較短時固結體內部生成的水化產物少，孔隙多，水泥未能與水充分接觸完成水化反應。浸水時，水分的滲入使水泥與水充分接觸，水化反應加快，生成的水化產物逐漸填滿孔隙；同時干燥過程溫度的升高使水化溶液中離子運動加快，進一步提升水化反應的速度。因此，對于養護3d與7d的固結體試件，干濕循環作用使水化反應加速進行生成了更多的水化產物，固結體內部孔隙率降低，強度逐漸增加。養護3d、7d、28d固結體強度分別經過9次、6次、3次干濕循環后強度低于初始強度，固結體養護齡期越短，干濕循環使其強度下降需要的循環次數越多。這是因為養護齡期較短的固結體水泥水化反應進行的程度越低，

17、干濕循環過程中水化反應仍在進行。養護28d時固結體水化反應已基本完成，此時干濕循環對固結體只有損傷作用，水分的入滲和干燥過程水分從孔隙中蒸發會對固結體造成損傷，因此干濕循環作用的持續進行會導致固結體強度逐漸下降。2.2水泥含量對干濕循環過程中固結體強度的影響從圖三數據可得，不同水泥含量固結體在相同齡期下，強度變化趨勢相同，但上升與下降的幅度有著顯著差異，水泥含量越高，固結體強度下降幅度越低。以養護28d固結體為例，水泥含量4%固結體經12次干濕循環后強度由0.67MPa下降至0.4MPa，降幅為45%；水泥含量6%固結體強度由1.22MPa降至0.8MPa，降幅為34.4%；水泥含量8%固結體

18、強度由2.22MPa降至1.67MPa，降幅為24.7%。產生此現象的原因是：干濕循環對固結體的損傷主要是固結體浸水過程中水分入滲使固結體內部氣體排出，造成固相骨架的破壞；以及干濕循環引起固結體內部顆粒熱脹冷縮造成的顆粒接觸處拉應力壓應力頻繁轉換，導致固結體內部孔隙增多，部分孔隙聯通形成裂隙，固結體內部孔隙結構發生改變，水分進一步進入固結體，固結體出現損傷。水泥含量越高，固結體內部生成的水化產物越多，顆粒連接的愈緊密，浸水時水分更難滲入固結體內部。同時，水泥含量的增加使固結體內部孔隙減少，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；固結體內部存在密閉與聯通兩

19、種孔隙，水泥含量低時，固結體內部孔隙率較高，顆粒間粘聚力弱，頻繁的干濕循環引起顆粒熱脹冷縮使顆粒集合體逐漸解散，密閉孔隙變為開口孔隙，孔隙間互相連通產生裂隙，固結體強度降低。水泥含量越高，固結體內部孔隙越少，生成的水化產物使顆粒間粘聚力增強，孔隙間難以聯通形成裂隙。2.3干濕循環對固結體內部微觀結構的影響對養護7d，水泥含量為6%的固結體進行掃描電鏡試驗，圖4是固結體干濕循環0次、3次、12次的掃描電鏡結果。由圖4所展示的固結體掃描電鏡圖片可得：固結體經過3次干濕循環后，孔隙呈現明顯減少趨勢，內部微觀結構連接更加緊密。出現此現象的原因是養護齡期較短的固結體，內部水化反應還未完全結束，干濕循環對

20、固結體內部結構造成損傷破壞的同時，也在加速水化反應的進行。固結體內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，逐漸填滿固結體內部孔隙，使其結構更加致密。此現象與固結體早期強度隨干濕循環的增加呈上升趨勢的情況相吻合。隨著干濕循環的繼續進行，當循環次數增加至12次時，鈣礬石晶體與水化硅酸鈣構建成的固相骨架受到破壞，將尾砂顆粒包裹住的水化產物脫落，固結體內部緊密的結構變得多孔脆弱，且部分孔隙聯通生成裂隙，固結體受到破壞，這也與固結體后期強度隨干濕循環作用的進行逐漸下降的現象相符。由以上對固結體內部微觀結構的分析可得，固結體掃描電鏡試驗結果與強度

21、試驗結果基本吻合。0次循環 3次循環12次循環圖4不同循環次數下固結體的SEM圖片Figure 4 SEM pictures of the consolidated body under different cycles3結論1）不同養護齡期的固結體強度隨干濕循環作用的持續進行呈現不同變化規律，養護齡期為3d和7d的固結體強度隨干濕循環作用的進行先上升，后降低，28d的固結體強度呈逐漸降低趨勢。不同水泥含量固結體在相同齡期下，強度變化趨勢相同，但上升與下降的幅度有著顯著差異，水泥含量越高，固結體強度下降幅度越低。2）固結體養護齡期較短時，干濕循環作用對固結體的損傷效果不明顯，這是因為干濕循環對

22、固結體造成損傷的同時，也在加速水化反應的進行。固結體養護齡期越短，水化反應進行的越不完全，干濕循環造成的損傷效果比水化反應帶來的強度增長效果要弱。3）通過掃描電鏡試驗發現，隨干濕循環次數的增加，養護齡期較短的固結體內部微觀結構呈先密實，后稀疏松散趨勢。干濕循環進行到3次時，固結體內部生成更多的水化產物，孔隙逐漸被填滿；干濕循環增加至12次時，固結體內部緊密的結構變得稀疏松散，孔隙明顯增多且聯通生成裂隙，固結體受到破壞。微觀掃描電鏡試驗結果與單軸壓縮試驗結果基本吻合。參考文獻1劉殿閣. 尾礦干堆工藝發展及應用J. 黑龍江冶金, 2015(2):60-60.LIU Diange. Developm

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