铁尾矿砂混凝土力学特性实验研究

宁波，闫艳，左夏伟，梁仁旺

(1.陕西铁路工程职业技术学院测绘与检测学院，陕西 渭南 714000；2.太原理工大学土木建筑工程学院，山西 太原 03002；3.山西工程技术学院土木与建筑工程系，山西阳泉 0450004；4.阳泉市人民政府金融工作办公室，山西 阳泉 045000)

随着经济不断发展，对于矿产资源的开采也越来越多，但是资源开采之后会产生大量的矿产废弃物-尾矿，尾矿进行资源化和无害化是当今处理尾矿的研究热点[1-3]。据统计，截止2015年全国的尾矿大约有150亿t左右，尾矿库大约有1.5万多座[4]，且这些尾矿库大多数处于作业或者施工现场周围，由于尾矿堆积高度过高会带来流动，给周围施工人员的安全带来威胁，尤其是在雨季的时候，尾矿堆积体更容易发生滑动等运动[5]。尾矿库中的尾矿砂在大多数条件都处于非饱和状态下，故尾款库的稳定性不仅与其堆积的高度有关，也与尾矿砂中的含水率等条件有关[6-7]。为了解决尾矿库废弃物堆积的问题，本文将采用尾矿砂来制备混凝土，进而对其力学特性进行研究，分析不同含水率、尾矿颗粒粒径和尾矿干密度对尾矿砂混凝土应力-应变曲线变化规律、黏聚力和内摩擦角的影响，对尾矿库的稳定性分析具有指导意义。

1 尾矿砂混凝土制备

1.1 原材料

本文中混凝土材料有水泥、粉煤灰、砂、石子、引气剂和水，其中水泥选取山西太原某水泥厂生产的普通硅酸盐水泥PO 32.5，其性能指标见表1。

表1 PO 32.5性能指标Table 1 Performance indicators of PO 32.5

而粉煤灰为太原电厂附属产品，经过相关单位检测后，得出其成分及性能指标见表2。

表2 粉煤灰成分及性能指标Table 2 Composition and performance index fly ash

石子为山西大同煤矿附属产品煤矸石，破碎处理后，石子的粒径在5 ～ 15 mm之间，压碎指标为5.63%，表观密度2795 kg/m3。

1.2 尾矿砂级配

作为细集料的砂用尾矿砂进行代替。其中，尾矿级配指标如下：首先取1 kg尾矿砂作为级配试验的研究对象，选取套筛的尺寸为20、10、5、2、1、0.5、0.25和0.075 mm八种筛孔直径，将试样尾矿砂放置于筛中进行振动，每一次大约振动10 min左右（保证上一级筛中的尾矿砂颗粒不再掉入下一级筛中），待振动完事之后依次称取每一个筛中尾矿砂的质量，计算出每一个筛中尾矿砂的质量占总质量的百分比[8-9]。依据试验数据绘制出级配曲线见图1。

图1 级配曲线Fig. 1 Gradation curve

根据式（1）计算尾矿砂不均匀系数Cu和曲率系数Cc为：

式中，d60、d30、d10为小于某粒径颗粒含量占总含量的60%、30%、10%。

由图1和式（1）可知，粒径在+0.25 mm的颗粒含量达到了50%以上，且尾矿砂不均匀系数Cu=16.13 和曲率系数Cc=2.82，故可以判断本文选用尾矿砂为中砂且尾矿砂级配良好。

按照试验要求将混凝土制备成100 mm（高度）×50 mm（直径）的标准圆柱形试件并养护28 d后，采用TAW-2000试验机其进行力学特性试验。

2 尾矿砂混凝土力学性质研究

从含水率、干密度和尾矿砂自身粒径三个方面，开展实验研究尾矿砂混凝土的力学性质以及变形特性[10-11]。

2.1 含水率对性质的影响

对于尾矿砂混凝土内部含水率测定主要是指单位体积内尾矿砂混凝土所含有的含水率[12-14]，即

式中，ω为含水率；mw为尾矿砂混凝土内部水的质量；ms为尾矿砂混凝土内部干砂的重量。

设置四种不同的含水率，10%、12%、14%和16%四种，围压设置为0.5、1、1.5和2 MPa四种，对浸水达到目标含水率的尾矿砂混凝土试样进行室内试验后，绘制出不同含水率尾矿砂混凝土应力-应变曲线见图2，不同围压作用下应力-应变曲线见图3（以围压1 MPa为例）。

图2 不同含水率尾矿砂混凝土的应力-应变曲线Fig. 2 Stress-strain curves of tailings concrete sand with different water contents

图3 应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves

由图3可知，不同含水率尾矿砂混凝土的应力-应变曲线变化规律基本一致，都是随着应变的增大应力逐渐增大，当应变增大一定值时应力逐渐趋于平缓；同时，随着围压的增大，尾矿砂混凝土应力峰值点对应的应变值相对滞后。当尾矿砂混凝土的围压一定时，尾矿砂混凝土的应力-应变曲线变化规律和峰值应力的数值大致一样，故尾矿砂混凝土变形特性受含水率的影响作用较小，受到围压的影响作用较大。

根据上述尾矿砂混凝土的应力-应变数据可以计算出不同含水率作用下黏聚力和内摩擦角[15]，绘制出不同含水率作用下尾矿砂混凝土的黏聚力和内摩擦角变化曲线见图4。

图4 黏聚力和内摩擦角变化曲线Fig.4 Variations of cohesion and internal friction angle

由图4可知，尾矿砂混凝土的黏聚力和内摩擦角受含水率的影响作用较大，随着含水率的不断增大，尾矿砂混凝土的黏聚力呈现出先增大后减小的变化规律，且在含水率为14%时尾矿砂混凝土的黏聚力到达了较大值；但是随着含水率的不断增大，尾矿砂混凝土的内摩擦角却呈现出逐渐减小的变化规律。造成上述变化规律的主要原因为：当尾矿砂混凝土内部含水率较小时，尾矿砂混凝土内部空隙含有大量的空气，使得其密度相对较低，进而造成尾矿砂混凝土的力学性能较差，当其内部含水率逐渐增大时，水分将空隙的大量的空气排出使得尾矿砂的密度和黏聚力逐渐增大，但是含水率的增大促进了尾矿砂混凝土内部各个颗粒之间错动等运动，故尾矿砂混凝土的内摩擦角呈现减小的趋势；当含水率继续增大后，尾矿砂内部孔隙水压力也逐渐增大，在一定程度上削弱了其抗剪强度，故尾矿砂混凝土的黏聚力和摩擦角呈现下降趋势。

2.2 粒径对性质的影响

尾矿砂粒径分别为选取粗砂（1 mm）、中砂（0.5 mm）和细砂（0.25 mm）三种制备混凝土，然后对尾矿砂混凝土试样进行室内试验后，绘制出不同粒径尾矿砂的尾矿砂混凝土应力-应变曲线见图5（以围压1MPa为例）。

图5 不同粒径尾矿砂的应力-应变曲线Fig. 5 Stress-strain curves of tailings sand concrete with different particle sizes

由图5可知，不同粒径尾矿砂的混凝土的应力-应变曲线变化规律基本一致，都是随着应变的增大应力逐渐增大，当应变增大一定值时应力逐渐趋于平缓；其中细砂的峰值应力最大，中砂的峰值应力最小，粗砂的峰值应力次之，且细砂的应力-应变曲线在峰值应力点之后的下降趋势要比其他两种粒径砂的下降趋势明显。综上所述，尾矿砂粒径的大小对于混凝土变形特性影响较大，且尾矿砂粒径较小可以有效提升其承载力。

绘制出不同粒径尾矿砂的黏聚力和内摩擦角变化曲线见图6。

图6 不同粒径尾矿砂混凝土的黏聚力和内摩擦角变化曲线Fig.6 Cohesion and internal friction angle of tailings concrete with different particle sizes

由图6可知，随着尾矿砂粒径的不断增大，尾矿砂混凝土的黏聚力呈现出增大变化规律，而内摩擦角却呈现出逐渐减小的变化规律，这是由于混凝土中的尾矿砂颗粒粒径增大后，使得混凝土内部颗粒表面更加粗糙、颗粒之间的接触减少，有效增大了颗粒间连锁产生的咬合力。

2.3 干密度对性质的影响

尾矿砂混凝土的干密度分别为选取1.5、1.7、1.9和2.1kg/cm3四种，对制备好的尾矿砂混凝土试样进行室内试验后，绘制出不同干密度的尾矿砂混凝土应力-应变曲线见图7（以围压1MPa为例）。

图7 不同干密度的尾矿砂应力-应变曲线Fig. 7 Stress-strain curves of tailings concrete sand concrete with different dry densities

由图7可知，不同干密度尾矿砂的混凝土应力-应变曲线变化规律基本一致，都是随着应变的增大应力逐渐增大，当应变增大一定值时应力逐渐趋于平缓，都呈现出明显的非线性变形特性。在同一围压作用下，随着干密度的增大，尾矿砂混凝土的峰值应力逐渐增大，这是由于尾矿砂的干密度越大，尾矿砂混凝土内部含有固体颗粒越多，尾矿砂混凝土的结构就越加密实，进而使得其内部颗粒之间的相互咬合力增大，在宏观上呈现出尾矿砂混凝土强度的提升。

绘制出不同干密度尾矿砂混凝土的黏聚力和内摩擦角变化曲线见图8。

图8 不同干密度尾矿砂的黏聚力和内摩擦角变化曲线Fig. 8 Variation curves of cohesion and internal friction angle of tailing sands concrete with different dry densities

由图8可知，随着尾矿砂干密度的不断增大，尾矿砂混凝土的黏聚力和内摩擦角都呈现出增大变化规律，这是由于当尾矿砂混凝土的干密度增大时，尾矿砂混凝土内部含有固体颗粒越多，在单位体积内尾矿砂混凝土的密实度就越好，使得颗粒间的咬合力和接触增大、颗粒间的相对运动变少，故干密度越大尾矿砂混凝土的力学性能越好。同时，尾矿砂混凝土的干密度较小时，单位体积混凝土内的颗粒数量不是很多，颗粒的间距较大，当干密度增大后使得尾矿砂混凝土内部的颗粒间接触增多、间距变小，进而内摩擦角快速增大；当干密度增大到一定值时，单位体积混凝土内的颗粒数量很多，颗粒间距减小，导致颗粒间的咬合力增加幅度有所下降，故尾矿砂混凝土的内摩擦角增加趋势有所减缓。

3 结 论

（1）粒径在+0.25 mm达到了50%以上，且尾矿砂不均匀系数Cu=16.13 和曲率系数Cc=2.82，故可以判断本文选用尾矿砂级配良好。

（2）尾矿砂混凝土变形特性受含水率的影响作用较小，受到围压的影响作用较大；含水率的增大促进了尾矿砂混凝土内部各个颗粒之间错动等运动，故尾矿砂混凝土的内摩擦角呈现减小的趋势；当含水率继续增大后，尾矿砂混凝土内部孔隙水压力也逐渐增大，在一定程度上削弱了其抗剪强度，故尾矿砂混凝土的黏聚力和摩擦角呈现下降趋势。

（3）当尾矿砂颗粒粒径增大后，使得混凝土内部颗粒表面更加粗糙、颗粒之间的接触减少，有效增大了颗粒间连锁产生的咬合力，使得随着尾矿砂粒径的不断增大，尾矿砂混凝土的黏聚力呈现出增大变化规律，而内摩擦角却呈现出逐渐减小的变化规律。

（4）随着尾矿砂干密度的不断增大，尾矿砂混凝土的黏聚力和内摩擦角都呈现出增大变化规律，这是由于当尾矿砂混凝土的干密度增大时，尾矿砂混凝土内部含有固体颗粒越多，在单位体积内尾矿砂混凝土的密实度就越好，使得颗粒间的咬合力和接触增大、颗粒间的相对运动变少，故干密度越大尾矿砂混凝土的力学性能越好。