鐵尾礦砂混凝土力學特性實驗研究

寧波，閆艷，左夏偉，梁仁旺

(1.陜西鐵路工程職業技術學院測繪與檢測學院，陜西 渭南 714000；2.太原理工大學土木建筑工程學院，山西 太原 03002；3.山西工程技術學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)

隨著經濟不斷發展，對于礦產資源的開采也越來越多，但是資源開采之后會產生大量的礦產廢棄物-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]。據統計，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處于作業或者施工現場周圍，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生滑動等運動[5]。尾礦庫中的尾礦砂在大多數條件都處于非飽和狀態下，故尾款庫的穩定性不僅與其堆積的高度有關，也與尾礦砂中的含水率等條件有關[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力-應變曲線變化規律、黏聚力和內摩擦角的影響，對尾礦庫的穩定性分析具有指導意義。

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品，經過相關單位檢測后，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量，計算出每一個篩中尾礦砂的質量占總質量的百分比[8-9]。依據試驗數據繪制出級配曲線見圖1。

圖1 級配曲線Fig. 1 Gradation curve

根據式（1）計算尾礦砂不均勻系數Cu和曲率系數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Cu=16.13 和曲率系數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護28 d后，采用TAW-2000試驗機其進行力學特性試驗。

2 尾礦砂混凝土力學性質研究

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性質以及變形特性[10-11]。

2.1 含水率對性質的影響

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

式中，ω為含水率；mw為尾礦砂混凝土內部水的質量；ms為尾礦砂混凝土內部干砂的重量。

設置四種不同的含水率，10%、12%、14%和16%四種，圍壓設置為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試驗后，繪制出不同含水率尾礦砂混凝土應力-應變曲線見圖2，不同圍壓作用下應力-應變曲線見圖3（以圍壓1 MPa為例）。

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

圖3 應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curves

由圖3可知，不同含水率尾礦砂混凝土的應力-應變曲線變化規律基本一致，都是隨著應變的增大應力逐漸增大，當應變增大一定值時應力逐漸趨于平緩；同時，隨著圍壓的增大，尾礦砂混凝土應力峰值點對應的應變值相對滯后。當尾礦砂混凝土的圍壓一定時，尾礦砂混凝土的應力-應變曲線變化規律和峰值應力的數值大致一樣，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。

根據上述尾礦砂混凝土的應力-應變數據可以計算出不同含水率作用下黏聚力和內摩擦角[15]，繪制出不同含水率作用下尾礦砂混凝土的黏聚力和內摩擦角變化曲線見圖4。

圖4 黏聚力和內摩擦角變化曲線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出先增大后減小的變化規律，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，尾礦砂混凝土的內摩擦角卻呈現出逐漸減小的變化規律。造成上述變化規律的主要原因為：當尾礦砂混凝土內部含水率較小時，尾礦砂混凝土內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性能較差，當其內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部各個顆粒之間錯動等運動，故尾礦砂混凝土的內摩擦角呈現減小的趨勢；當含水率繼續增大后，尾礦砂內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下降趨勢。

2.2 粒徑對性質的影響

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試驗后，繪制出不同粒徑尾礦砂的尾礦砂混凝土應力-應變曲線見圖5（以圍壓1MPa為例）。

圖5 不同粒徑尾礦砂的應力-應變曲線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力-應變曲線變化規律基本一致，都是隨著應變的增大應力逐漸增大，當應變增大一定值時應力逐漸趨于平緩；其中細砂的峰值應力最大，中砂的峰值應力最小，粗砂的峰值應力次之，且細砂的應力-應變曲線在峰值應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出增大變化規律，而內摩擦角卻呈現出逐漸減小的變化規律，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生的咬合力。

2.3 干密度對性質的影響

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試驗后，繪制出不同干密度的尾礦砂混凝土應力-應變曲線見圖7（以圍壓1MPa為例）。

圖7 不同干密度的尾礦砂應力-應變曲線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力-應變曲線變化規律基本一致，都是隨著應變的增大應力逐漸增大，當應變增大一定值時應力逐漸趨于平緩，都呈現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，尾礦砂混凝土內部含有固體顆粒越多，尾礦砂混凝土的結構就越加密實，進而使得其內部顆粒之間的相互咬合力增大，在宏觀上呈現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摩擦角都呈現出增大變化規律，這是由于當尾礦砂混凝土的干密度增大時，尾礦砂混凝土內部含有固體顆粒越多，在單位體積內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，單位體積混凝土內的顆粒數量不是很多，顆粒的間距較大，當干密度增大后使得尾礦砂混凝土內部的顆粒間接觸增多、間距變小，進而內摩擦角快速增大；當干密度增大到一定值時，單位體積混凝土內的顆粒數量很多，顆粒間距減小，導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摩擦角增加趨勢有所減緩。

3 結 論

（1）粒徑在+0.25 mm達到了50%以上，且尾礦砂不均勻系數Cu=16.13 和曲率系數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部各個顆粒之間錯動等運動，故尾礦砂混凝土的內摩擦角呈現減小的趨勢；當含水率繼續增大后，尾礦砂混凝土內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下降趨勢。

（3）當尾礦砂顆粒粒徑增大后，使得混凝土內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出增大變化規律，而內摩擦角卻呈現出逐漸減小的變化規律。

（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摩擦角都呈現出增大變化規律，這是由于當尾礦砂混凝土的干密度增大時，尾礦砂混凝土內部含有固體顆粒越多，在單位體積內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性能越好。