铁尾矿砂力学特性及再生利用研究进展

吕绍伟，姜 屏，钱 彪，王 伟，李 娜

(1.绍兴文理学院土木工程学院，绍兴 312000；2.同创工程设计有限公司，绍兴 312000)

0 引 言

铁尾矿砂是指铁矿石在磨粉机中磨细并选取精矿后排放的固体废弃物。尾矿坝是储存尾矿砂的主要形式，尾矿坝在矿山资源开采过程中一直处在动态变化过程中。随着近年来低品铁矿石的开采，尾矿砂排量大幅增长，筑坝速度有所增加。而筑坝速度的增加致使铁尾矿坝浸润线抬升、固结速度减慢，从而导致铁尾矿坝稳定性严重降低，面临溃坝的风险[1-3]。如何保证铁尾矿坝的稳定及对铁尾矿砂的再生利用成为目前亟待解决的问题。铁尾矿砂的力学特性研究是认识、分析尾矿坝稳定性的基础，国内外许多学者针对不同颗粒粒径的铁尾矿砂进行了室内力学试验及现场测试。铁尾矿砂中加入固化剂改善其较差力学特性的方式，是再生利用铁尾矿砂的主要手段，也是转换铁尾矿砂为工程材料的主流应用[4-8]。国内外学者从研究铁尾矿砂自身力学特性入手，结合相关材料对再生铁尾矿砂展开大量室内试验，并通过实际工程应用检验其工程性能。通过分析相关文献，阐述了铁尾矿砂静力与动力特性对尾矿坝稳定性的影响，综述了再生利用铁尾矿砂的方法及研究成果。

1 铁尾矿砂力学特性

1.1 铁尾矿砂静力特性

尾矿砂粒径分布复杂，借鉴土的工程分类法，将粒径大于0.075 mm，颗粒质量大于或等于颗粒总质量50%的尾矿砂称为粗粒尾矿砂；将粒径大于0.075 mm，颗粒质量小于颗粒总质量50%的尾矿砂称为细粒尾矿砂。

文献[9]中粗粒铁尾矿砂和细粒铁尾矿砂中大于0.075 mm粒径的土粒含量分别为88%和22%。表1为不同粒径铁尾矿砂颗粒级配及固结不排水三轴试验相关参数，粗粒铁尾矿砂的黏聚力c明显大于细粒铁尾矿砂，粗粒铁尾矿砂的内摩擦角φ、有效内摩擦角φ′均小于细粒铁尾矿砂，细粒铁尾矿砂的有效黏聚力c′大于粗粒铁尾矿砂[9-10]。铁尾矿粒径的大小差异在细观力学特性上影响铁尾矿砂黏聚力c及内摩擦角φ，在宏观上则呈现在尾矿坝的堆积方式及尾矿砂渗透特性的差异。粗粒铁尾矿堆积干滩面坡度较陡而细粒铁尾矿堆积干滩面的坡度较平缓，粗、细粒铁尾矿都出现分层沉积现象。由于实际监测过程中干滩面长度与尾水面长度呈反比，因此粗粒铁尾矿渗透速度快[11-13]。

表1 不同粒径铁尾矿砂三轴试验参数[9]Table 1 Triaxial test parameters of iron tailings sand with different grain size[9]

在压缩固结特性方面，由于粗粒尾矿砂颗粒较粗，在上覆压力的作用下孔隙水排水较快，因此固结度高，属低压缩性土；细粒尾矿砂孔隙水无法轻易排出因此在形成不同固结度的尾矿砂，大变形特性明显，属中压缩性土[14-15]。

我国铁尾矿库在冻土区分布广袤，处于冻土区的铁尾矿库稳定性除了考虑常规因素外还需考虑冻融循环带来的危害。表2为不同冻融循环次数下铁尾矿砂三轴试验参数。金佳旭等[16]通过不同冻融循环次数的常规三轴试验，分析冻融循环次数n对尾矿砂物理力学性质的影响规律，试验结果如表2所示：随冻融循环次数的增加，尾矿砂黏聚力c和内摩擦角φ两者均降低。内摩擦角φ在冻融循环次数达5次后几乎稳定并在一定范围内增大；黏聚力c在冻融循环次数达7次时有微小反弹，整体呈降低趋势。冻融循环使铁尾矿颗粒密度降低，导致铁尾矿颗粒间胶结降低使其内聚力c降低。铁尾矿砂冻融后，颗粒膨胀使颗粒间有更多的接触点，致使尾矿颗粒排列变化从而使铁尾矿颗粒内摩擦角φ在一定范围内增大。

表2 不同冻融循环次数下铁尾矿砂三轴试验参数[16]Table 2 Triaxial test parameters of iron tailings sand with different freezing and thawing cycles[16]

1.2 铁尾矿砂动力特性研究

地震引发尾矿坝的液化、裂缝、沉降是危害矿区人民生命财产安全的巨大安全隐患，因此对铁尾矿砂动力特性进行室内试验及研究具有重大意义。目前针对铁尾矿砂动力分析的室内试验主要有共振柱及动三轴。共振柱可得到小应变(10-6～10-4)范围内动剪切模量G及阻尼比D两个动力分析基本参数，动三轴可得到中大应变(10-4～10-2)范围内动剪应力比τd及动孔隙水压力u特性，为现场夯击试验设计、计算提供参考数据[17-18]。

我国大部分尾矿坝的修筑方式采用上游式筑坝，这种修筑方式运营成本低、管理方便，但是浸润线偏高，在强震时容易溃坝[19]。尾矿坝中尾矿砂颗粒通常处于饱和疏松状态，看似稳定，实则对扰动非常敏感[20]。因此铁尾矿砂的颗粒组成在决定尾矿坝静力学特性的同时影响尾矿坝的动力稳定性。动三轴试验表明，随细粒含量增加，铁尾矿砂整体级配由不均匀到均匀再到不均匀，因此动强度先减小后增大。细粒含量同时影响动铁尾矿砂孔压u演化，铁尾矿砂平均粒径越小，渗透性越低，因而铁尾矿砂孔压越易上升，抗液化能力越弱[21-23]。

图1为不同因素对尾矿砂最大动剪切模量Gdmax的影响，蔡晓光[24]、毕昇[25]等研究发现影响最大动剪切模量Gdmax因素大小依次为细粒含量>干密度>含水率。如图1(a)～(c)所示，随细粒含量增加，最大动剪切模量Gdmax先减后增且幅度较大；最大动剪切模量Gdmax随干密度增大而增大；最大动剪切模量Gdmax随含水率增大而减小。

图1 不同因素对尾矿砂最大动剪切模量影响[24-25]
Fig.1 Different factors affect the maximum dynamic shear modulus of iron tailings sand[24-25]

对于阻尼比D，工程通常采用如式(1)所示的经验公式：

(1)

式中：Dmax为最大阻尼比，是与土性有关的拟合参数；G为动剪切模量；Gdmax为最大动剪切模量；G/Gdmax为动剪模量比；n为拟合参数[26-27]。

黄鑫等[28]针对尾矿坝旋流器分级产生的底流和溢流两种铁尾矿砂的最大阻尼比Dmax展开研究，两种铁尾矿砂的最大阻尼比Dmax随围压增大而减小，对含水率变化不敏感。经验公式拟合方面，溢流、底流铁尾矿砂阻尼比D测试曲线对比式(1)拟合效果良好，说明铁尾矿在小应变情况下动力特性满足一般工程经验。

因此在设计利用铁尾矿砂时，应充分考虑铁尾矿砂的粒径分布对静力特性以及动力特性的影响。开采冻土区铁尾矿砂时则应考虑冻融循环对铁尾矿砂物理力学性质的影响。

2 铁尾矿砂再生利用

“十三五”规划以来，本着生态环境质量总体改善的目标，社会及学术界积极开展对尾矿再生研究等相关课题[29-30]。近年来，也取得了不少成果并创造许多社会价值。诸多研究者主要针对铁尾矿砂混凝土及改性铁尾矿砂两个方向进行了深入研究。

2.1 铁尾矿砂混凝土

铁尾矿砂再加工成为水泥熟料或制成铁尾矿砂混凝土是当下铁尾矿砂回收利用方向热点课题之一。铁尾矿砂混凝土抗压强度强于未掺入铁尾矿砂的混凝土[31]。Young等[32]通过XRD、SEM等微观测试，发现铁尾矿砂的掺入对矿物相结构没有定性影响。Tang等[33]发现铁尾矿砂在经过磁选的方式回收铁元素后掺入混凝土后的工作性能与未经磁选的铁尾矿砂混凝土相差不大。因此，铁尾矿砂在运用到混凝土的同时回收铁元素等有价元素也有一定的经济效益。

张玉琢等[34]将不同比例尾矿砂与天然砂混合制备铁尾矿砂混凝土，研究表明天然砂和铁尾矿砂混合搭配，可改善铁尾矿砂因自身级配不良造成混凝土拌合物沁水、离析的现象，二者混合比例为1∶1时，铁尾矿砂混凝土工作性能良好，符合规范JTGF 30—2003《公路水泥混凝土路面施工技术规范》要求。

2.2 改性铁尾矿砂

铁尾矿砂在尾矿坝中的不规律沉积导致铁尾矿砂不同层间渗透系数、固结程度、密实度有很大不同，故直接采用铁尾矿砂作为工程材料时具有抗剪强度低、高饱和、压缩性较大、大变形等较差的工程特性[35-37]。目前，在铁尾矿砂中加入水泥、石灰、纤维将其改性为新的工程材料是改良铁尾矿砂的主要方式。

2.2.1 水泥、石灰改性铁尾矿砂

水泥和石灰作为传统固化剂广泛用于各类土体的改良，杨青等[38]选择水泥及石灰作为外加剂掺入铁尾矿砂，并与石灰土对比进行了击实试验。试验结果表明铁尾矿砂掺入水泥后其强度随龄期而增长，具有半刚性材料的特性，水泥稳定尾矿砂有很好的路用性能。

图2 石灰铁尾矿砂的抗剪强度指标[39]Fig.2 Index of shear strength of lime iron tailings sand[39]

Jiang等[39]通过直剪试验测试石灰增强铁尾矿砂的性能，并根据能量耗散理论分析石灰铁尾矿砂的力学行为。如图2所示，生石灰颗粒能够填充尾矿颗粒间的孔隙，从而提升铁尾矿颗粒间的黏聚力c。但当石灰掺量超过8%时，石灰在铁尾矿砂颗粒间形成石灰“膜”，使铁尾矿砂颗粒黏聚力c减小。

2.2.2 纤维改性铁尾矿砂

在土体中加入土工织物及纤维是提高土体结构抗剪性能的主要方式，宁掌玄[40]、金佳旭[41]等通过室内试验分析不同加筋层数、不同长度及含量的加筋铁尾矿砂的力学行为。研究发现：加筋铁尾矿砂的凝聚力随加筋层数非线性增大，内摩擦角基本不变。Li等[42]通过在水泥铁尾矿砂中加入纤维的方式取代部分水泥掺量增强水泥铁尾矿砂的力学性能，相关试验力学试验指标见表3。掺加玄武岩纤维能够显著提高尾矿砂的单轴抗压强度qu，但连续增大玄武岩纤维含量对尾矿砂抗压强度影响不大。纤维水泥尾矿砂的黏聚力c随纤维含量的增加呈先增大后减小的趋势。

表3 纤维-水泥铁尾矿砂试验力学参数[42]Table 3 Experimental mechanical parameters of fiber-cement iron tailings[42]

上述研究表明：水泥和石灰掺入对铁尾矿砂力学性能提升有限，纤维的加入能有效提升力学性能。现有文献主要研究掺入水泥、石灰、纤维对铁尾矿砂静力学性能的改善，而对于铁尾矿砂动力特性改良方面的研究甚少。

3 结 论

铁尾矿砂粒径差异对铁尾矿砂静力特性及动力特性有较大的影响。现有文献表明铁尾矿砂的粒径分布是决定其力学性质的主要因素，干密度及含水率对铁尾矿砂的动力特性方面也有着不同程度的影响。因此在设计开采或利用铁尾矿砂时，应首先对铁尾矿砂的粒径分布进行试验及评估。国内外学者对于再生利用铁尾矿砂方面，主要研究的是铁尾矿砂混凝土和改性铁尾矿砂的静力特性，对动力特性的研究甚少。改性铁尾矿砂的方式以加入水泥、石灰为主，通过水化产物填充铁尾矿砂颗粒间孔隙的方式提高其力学性能。但水泥、石灰对铁尾矿砂力学性能提升有限，纤维的加入能带来较好的效果。铁尾矿砂的再生利用对资源高效利用、环保产业推动均能发挥有益效果，因此，在今后的研究中应该考虑新型材料的加入来改善铁尾矿砂的力学特性，拓宽其工程应用范围。