擊實對全尾砂固結體強度及滲透性影響

侯運炳 喬德峽

（中國礦業大學（北京）能源與礦業學院，北京 100083）

全尾砂固結排放技術可在不新建尾礦庫的情況下，實現固結尾砂的露天堆存。但全尾砂固結體露天堆存時，受自身重力以及降水沖刷的作用易發生沉降變形和滲透破壞，長期作用會導致全尾砂固結堆體發生失穩甚至垮塌［1-2］。為提高全尾砂固結體露天堆排時的穩定性，參照巖土工程領域使用擊實手段改良巖土體強度和抗滲性的方法，通過機械擊實的手段處理全尾砂固結堆體。擊實對力學性能和抗滲性的主要影響因素包括擊實功、含水率、干密度和養護齡期［3-5］。

針對擊實對無側限抗壓強度和滲透系數變化的影響，學者們做了大量研究工作。Yongjin Choi等［6］采用輕型彎沉儀（LWD）和土剛度儀（SSG）對壓實后的全尾砂固結體行了模量測試及振動錘擊試驗，獲得了壓實全尾砂固結體的模量與相對密度之間的關系，并努力尋找確保適當壓實的模量范圍。Hedelvan Emerson Fardin等［7］通過壓實試驗、抗壓強度、劈裂抗拉強度、彎曲抗拉強度、彈性模量、孔隙率、密度和吸水率試驗，分析了混合料的物理性能。王歡等［8］通過控制不同壓實度、不同基質吸力、不同凈圍壓對粉煤灰進行一系列非飽和土三軸試驗探討壓實度和基質吸力對粉煤灰應力-應變關系曲線和強度參數的影響。楊曦等［9］對鐵礦尾砂進行了滲透試驗研究，發現有效粒徑和粉粒間孔隙比與原狀鐵尾礦砂的滲透系數呈現出了較好的相關性，據此建立的鐵尾礦砂滲透系數計算公式結果較為準確。曹志翔等［10］對多種單一粒徑全尾砂固結體進行滲透試驗，利用試驗數據對疊合系數進行擬合分析得出可用于計算的疊合系數公式。

筆者通過對不同擊實功、干密度、含水率和養護齡期的固結體試件進行室內擊實試驗和常水頭滲透試驗，研究不同因素對無側限抗壓強度和滲透系數的影響；研究不同擊實功和養護齡期下全尾砂固結體內部微觀結構的演化規律，從微觀層面探究擊實對固結體強度增長和滲透性減弱的原因。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用尾砂取自五礦邯邢礦業有限公司安徽李樓鐵礦，尾砂主要粒徑分布及粒度特征參數分別見表1和表2。

由表2可得，試驗尾砂的粒度特征參數d10=28.62 μm，d30=75.73 μm，d60=177.21 μm，中值粒徑d50=143.66 μm，不均勻系數Cu=6.19＞5，曲率系數Cc=1.13＞1，尾砂總體粗顆粒較多，級配良好。

使用XRD衍射儀對尾砂顆粒的化學成分進行分析，結果見表3。

水泥選擇強度等級為42.5的普通硅酸鹽水泥，試驗中全尾砂固結體的水泥摻量均為8%。

1.2 試驗方法

參照《土工試驗方法標準（GB/T 50123-1999）》，室內擊實試驗選取JDS-2型標準輕型擊實儀；無側限抗壓強度測試選取萬能試驗機；滲透系數測量選取常水頭滲透儀。本次試驗采用靜壓力法制備試樣，制樣模具尺寸為直徑×高=?50 mm×50 mm的圓柱體模具。為保證效果，試驗中所有全尾砂固結體試樣初始含水率均設定為10%，之后根據制備試樣的干密度倒入模具中進行靜力壓制成型，最后通過水膜轉移法配制成相應含水率的試樣。

1.2.1 室內擊實試驗

按四分法制備固結體試樣，研究在不同擊實功下全尾砂固結體試樣的最大干密度和最優含水率；選取4種不同的擊實功對全尾砂固結體進行擊實，擊實功分別為 598.2 kJ/m3、1 074.7 kJ/m3、1 535.3 kJ/m3和2 149.4 kJ/m3。再以所得各擊實功下的最大干密度和最優含水率為基礎，研究擊實功、干密度（在各擊實功下控制擊實度分別為94%、96%、98%和100%）、含水率和養護齡期（3 d、7 d和28 d，干密度和含水率控制為各擊實功下的最大干密度和最優含水率）4個因素對全尾砂固結體無側限抗壓強度的影響。

1.2.2 常水頭滲透試驗

使用自制常水頭滲透裝置對不同干密度（各擊實功下的擊實度分別為94%、96%、98%和100%、含水率為最優含水率）和養護齡期（3 d、7 d和28 d，干密度和含水率控制為各擊實功下的最大干密度和最優含水率）的全尾砂固結體試件進行室內滲透試驗，測定相關滲透系數。

1.2.3 掃描電鏡試驗

對未擊實的和不同擊實功下進行擊實后的試件切薄片取樣，使用吹氣球去除樣本表面粉屑并使用烘箱烘干，為保證試樣徹底烘干且不破壞其內部水化產物結構，設定烘箱的溫度為50℃并烘干24 h。制備好的樣本固定在掃描電鏡的樣品臺上，抽真空干燥，在高真空掃描環境下掃描。每個樣本分別獲取放大倍數為1 000、2 000、5 000和10 000倍的數字圖像。

2 試驗結果與討論

2.1 擊實對固結體無側限抗壓強度的研究

圖1分別給出了4種擊實功條件下的擊實曲線及各因素對無側限抗壓強度的影響曲線。在4種擊實功作用下，隨著含水率的增加，擊實固結體的干密度先增大再減小［11］。含水率較低時，隨著含水率的增加，全尾砂固結體中的結合水膜逐漸變厚，增大了尾砂顆粒間的潤滑作用，減小了分子間引力，擊實能克服了全尾砂顆粒間摩擦力，顆粒間結構更致密，擊實效果增強；當含水率達到最優含水率時，結合水膜的厚度適中，全尾砂顆粒間的作用力較小，在擊實作用下達到最大干密度，取得最佳擊實效果［12］；當含水率過高時，隨著含水率增加，全尾砂固結體的結合水膜繼續變厚，固結體中多余水分很難排出，且無法提供更多的潤滑作用，全尾砂顆粒間存在大量的自由水會抵消掉很大部分的擊實功，空氣和水很難排出，擊實效果變差。分析原因，隨著擊實功的增加，一是擊實功越大，全尾砂固結體的擊實度越高，尾砂顆粒之間接觸程度越緊密，尾砂顆粒間相互咬合越緊密，增大了尾砂顆粒間的聯結作用，全尾砂固結體的無側限抗壓強度增大；二是全尾砂固結體的擊實度增高，全尾砂固結體的孔隙比變小。

同一擊實功，全尾砂固結體的無側限抗壓強度隨干密度的增加而增大。分析原因，全尾砂固結體是由水泥的膠結性水化產物黏結包裹全尾砂顆粒而成，且膠結性水化產物會填充全尾砂顆粒之間的孔隙。固結體無側限抗壓強度的增長主要依靠尾砂顆粒間黏結的增強以及全尾砂固結體密實度的提高［13］。隨著固結體干密度增加，全尾砂固結體的結構發生變化，固結體密實度增大，固結體中的孔隙減少，尾砂顆粒間的連接更緊密且顆粒間的黏聚力增大，抵抗變形破壞的能力增強，隨著擊實功的增加由此提升了全尾砂固結體的無側限抗壓強度。

固結體無側限抗壓強度隨含水率的增加而減小。原因是隨著固結體含水率的增加，大量填充全尾砂固結體內孔隙，填充進入的水在起到潤滑作用的同時，會大量溶解水泥水化產物，減弱了全尾砂固結體的黏聚力和尾砂顆粒之間的摩阻力，致使無側限抗壓強度降低［14］。含水率一定時，全尾砂固結體的無側限抗壓強度隨擊實功的增大而增大。

在同一擊實功下，全尾砂固結體的無側限抗壓強度隨著養護齡期的增加而增大。分析原因，一是隨著養護齡期的增加，固結體中水泥水化反應更加充分，生成的水化產物逐漸向尾砂顆粒團之間的孔隙延伸，在顆粒團之間進行黏結，減少了固結體內部微裂隙和微孔隙的數量，增強了全尾砂固結體骨架的穩定性［15］；二是生成的大量水泥膠結性水化產物填充尾砂顆粒之間的孔隙，固結體內部孔隙數量不斷減少，在整體上提高了全尾砂固結體的密實度，在宏觀上表現為固結體的無側限抗壓強度增大。

2.2 擊實對固結體滲透系數的影響

飽和滲透系數與干密度關系曲線見圖2。由圖2可得，在同一擊實功下，全尾砂固結體滲透系數均隨著干密度的增大而減小，且當干密度較大時，滲透系數的減小速率逐漸變小。在不同擊實功下，全尾砂固結體的滲透系數隨著擊實功的增大而減小。分析原因，全尾砂固結體的結構是由水泥水化產物膠結全尾砂顆粒而組成的，全尾砂固結體內存在大量孔隙。在擊實功作用下，固結體內大量的水和空氣被排出，全尾砂固結體的密實度增加，固結體整體結構更加致密［16］。同時，固結體內的孔隙數量和微裂隙數量減少，水的流通路徑減少，滲透系數減小，全尾砂固結體的抗滲性得到提高。隨著擊實功作用，當干密度增大到一定程度后很難再繼續增大，固結體密實度不易提高，滲透系數減小的速率放緩［17-18］。

圖3為不同擊實功下，滲透系數隨養護齡期的變化。由圖3可得，各擊實功下，全尾砂固結體的滲透系數均隨著養護齡期的增加而減小，抗滲性提高。養護齡期3 d至7 d之間全尾砂固結體抗滲性能的提升速率高于養護齡期7 d至28 d之間的。相同養護齡期，滲透系數隨著擊實功的增大而減小，即抗滲性能隨著擊實功的增大而逐漸提高。分析原因，從微觀層面來看，水泥膠結性水化產物會填充全尾砂固結體的孔隙。隨著養護齡期的增加，水泥水化越充分，水泥水化產物逐漸增多，水化產物逐漸填充尾砂顆粒團之間的孔隙，減少全尾砂固結體內部微裂隙和微孔隙的數量，減少透水路徑［19］。同時，伴隨著水泥膠結性水化產物填充全尾砂顆粒之間的孔隙，孔隙數量隨養護齡期的增加逐漸減少，在宏觀上表現為全尾砂固結體滲透系數的減小。

2.3 擊實對固結體微觀結構的影響

水化反應程度影響擊實固結體的無側限抗壓強度和抗滲性的增長，在4種擊實功條件下，選取養護齡期為7 d和28 d的、干密度和含水率為最大干密度和最優含水率的固結體試件分析擊實功對固結體無側限抗壓強度和滲透系數的影響，結果見圖4和圖5。

從圖4（a）可以看出，水化反應生成大量平板狀的Ca（OH）2晶體，且尾砂顆粒表面被大量的C—S—H凝膠和針棒狀AFt晶體覆蓋，水化產物填充孔隙程度有限，尾砂顆粒排列十分松散，水化產物的分布較分散，水化產物之間連接交織得不緊密，尾砂顆粒間存在大量的孔隙且孔徑較大，固結體整體結構不密實［20］。圖4（b）中，全尾砂固結體所受擊實功為598.2 kJ/m3，較圖4（a），尾砂顆粒排列相對緊密，生成的C—S—H凝膠覆蓋尾砂顆粒及針棒狀AFt晶體，但覆蓋并不完全，水化產物連接的緊密程度較未擊實固結體增加。水化產物填充部分孔隙，孔隙數量較未擊實固結體有一定程度減少［21］，尾砂顆粒排列相對緊密，固結體結構密實度增加。圖4（c）為受擊實功 1 074.7 kJ/m3的固結體微觀圖像，較圖4（b），尾砂顆粒排列的緊密程度進一步增加，各種水化產物相互交織并緊密連接，水化產物大量填充顆粒之間的孔隙，大孔徑孔隙數量明顯減少，孔隙整體數量減小，固結體的密實度提高；圖4（d）為受擊實功1 535.3 kJ/m3的固結體，明顯可得固結體中大孔隙基本消失，尾砂顆粒排列的緊密度很高，水化產物之間交織連接得非常緊密，生成的C—S—H凝膠大面積包裹尾砂顆粒表面，水化產物大量填充尾砂顆粒之間的孔隙，小孔隙數量也明顯減少，在擊實功作用下固結體的密實度得到提高。圖4（e）為擊實功2 149.4 kJ/m3的固結體微觀圖像，較圖4（d），尾砂顆粒間緊密程度進一步增加，水化產物之間連接非常緊密，固結體中仍存在少量孔隙，這說明隨著擊實功增加，全尾砂固結體的密實度增大到一定程度后很難再繼續提高，孔隙數量不再減少或減少緩慢，在宏觀上表現為固結體無側限抗壓強度增大到一定程度后增幅和增速明顯減小，滲透系數的減小速率逐漸變小，最終趨于穩定。

由圖5（a）可知，水化反應生成大量平板狀的Ca（OH）2晶體，大量的C—S—H凝膠覆蓋在針棒狀AFt晶體和尾砂顆粒表面，尾砂顆粒相互疊加，水化產物之間的連接非常緊密［22］，水化反應完全，大量的水化產物填充尾砂顆粒之間的孔隙，較7 d未擊實固結體，無大孔隙且孔隙數量大幅減小，尾砂顆粒被大量水化產物包裹黏結，固結體密實度提高，固結體強度大幅增長。圖5（b）為擊實功598.2 kJ/m3的固結體微觀圖像，較圖5（a），C—S—H凝膠完全包裹尾砂顆粒，各種水化產物相互連接更緊密，尾砂顆粒之間的孔隙減少，固結體密實度提高，反映在宏觀上表現為固結體無側限抗壓強度的增加和滲透系數的減小。圖5（c）為擊實功1 074.7 kJ/m3的固結體微觀形貌，較圖5（b），尾砂顆粒之間的孔隙數量進一步減少，水化產物之間的連接程度進一步提高，尾砂顆粒之間的黏結度增加，固結體結構更密實。圖5（d）為擊實功1 535.3 kJ/m3的固結體微觀圖像，較圖5（c），尾砂顆粒表面被C—S—H凝膠完全覆蓋，水化產物連接非常緊密，固結體中無明顯孔隙，固結體結構非常密實。圖5（e）為擊實功2 149.4 kJ/m3固結體微觀圖像，較圖5（d），小孔隙數量有所增加，但固結體的密實程度仍然很高，水化產物之間的連接非常緊密。分析原因，當固結體密實度增大到一定程度很難再繼續提高，且較大的擊實功會破壞固結體結構，重新生成孔隙。

綜上，從微觀角度分析：相同養護齡期，隨著擊實功增加，全尾砂固結體顆粒間相對運動且顆粒間結構更致密，各種水化產物相互交織并緊密連接，構成的固結體骨架強度增加，水化產物大量填充顆粒之間的孔隙，孔隙數量不斷減少，固結體密實度增加，宏觀上表現為固結體的無側限抗壓強度增大；同時伴隨著固結體密實度的增加以及孔隙數量的減少，大量的微孔隙和微裂隙消失［23］，全尾砂固結體中的透水通路減少，宏觀上表現為滲透系數的減小。當固結體密實度增大到一定程度很難再繼續提高，固結體無側限抗壓強度的增長速率和滲透系數的減小速率均放緩。

2.4 養護齡期對固結體微觀結構的影響

選取擊實功均為2 149.4 kJ/m3、養護齡期分別為3 d、7 d和28 d的擊實全尾砂固結體進行掃描電鏡分析，選取放大2 000倍的圖片進行對比分析，結果見圖6。

由圖6（a）可知，絮狀水化產物C—S—H和針棒狀水化產物AFt已開始生成，但生成的數量較少且分布較為松散，水化產物之間的連接不夠緊密，尾砂顆粒間存在大量的孔隙且孔隙尺寸較大。圖6（b）為養護齡期7 d的微觀圖像，相比于3 d時，水化產物C—S—H的數量增多，水化產物中出現了平板狀Ca（OH）2晶體，這說明水化反應仍在進行中，生成的水化產物C—S—H凝膠覆蓋了針棒狀的AFt并填充了尾砂顆粒之間的孔隙，各種水化產物相互交織并緊密連接，但生成水化產物的量還不足以全部包裹尾砂顆粒及填充顆粒之間的孔隙。圖6（c）為養護齡期28 d固結體的微觀圖像，由圖像可得，相較于養護齡期7 d，水化反應生成的大量C—S—H已完全包裹尾砂顆粒表面，尾砂顆粒表面的針棒狀AFt晶體已完全消失［24］，被包裹在了C—S—H凝膠中，大孔隙和貫通孔隙消失，整體的孔隙數量大為減少。

綜上，可以很好地解釋擊實后固結體隨著養護齡期的增加無側限抗壓強度增大而滲透系數減小的原因：固結體無側限抗壓強度的增長，主要依靠尾砂顆粒間膠結度增強、固結體密實度的提高和孔隙數量的減少。隨著養護齡期的增加，水泥水化越充分，生成的水化產物數量不斷增加，水化產物包裹尾砂顆粒更完全、更緊密，大量的膠結性水化產物填充顆粒之間的孔隙，減少了全尾砂固結體內部孔隙的數量，使固結體結構更密實，提高了無側限抗壓強度；隨著養護齡期的增加及水化反應更加充分，水泥水化產物逐漸增多，水泥膠結性水化產物填充全尾砂顆粒之間的孔隙，孔隙數量隨養護齡期的增加逐漸減少，全尾砂固結體的抗滲性能得到提高，固結體內的孔隙數量和微裂隙數量減少，透水通路減少，固結體的滲透系數減小，抗滲性得到提高。

3 結論

（1）擊實后的全尾砂固結體，干密度隨含水率的增加呈現先增大后減小趨勢，同一含水率對應的干密度隨擊實功的增加而增大。各擊實功下的最優含水率隨擊實功的增加而逐漸減小，相應的最大干密度隨最優含水率的增加而增大。

（2）全尾砂固結體的無側限抗壓強度隨干密度的增加而增大，干密度一定時，全尾砂固結體的無側限抗壓強度隨擊實功的增加而增大。固結體無側限抗壓強度隨含水率的增加而減小，當含水率一定時隨擊實功的增加而增大。固結體的無側限抗壓強度隨養護齡期的增加而增大，在相同養護齡期下隨擊實功的增加而增大。

（3）全尾砂固結體滲透系數隨干密度的增大而減小，且當干密度較大時，滲透系數的減小速率放緩。在不同擊實功下，全尾砂固結體的滲透系數隨著擊實功的增大而減小。隨著養護齡期增加，全尾砂固結體的滲透系數減小，相同養護齡期，滲透系數隨著擊實功的增大而減小，抗滲性能得到提高。

（4）從微觀層面看，擊實對固結體結構的影響為隨著擊實功的增加，固結體內部結構中的大孔隙和貫通裂隙快速消失，整體的孔隙數量不斷減少，固結體的密實度得到提高；同時隨著養護齡期的增加，大量的水化產物膠結尾砂顆粒并填充尾砂顆粒之間的孔隙，提高了固結體的強度和抗滲性能。