鉬尾礦砂力學(xué)性能試驗

吳同波 王曉強

(1.蘇州中材建設(shè)有限公司，江蘇 蘇州 215300;2.洛陽理工學(xué)院，河南 洛陽 471003)

1 概述

工程傳統(tǒng)用砂一直以河砂等自然砂為主，每年全國各地的砂石消耗量超過了10億t。據(jù)統(tǒng)計，2018年全世界砂石骨料產(chǎn)量約400億t，這是繼水(約6 000億t)之后，消耗第二多的自然資源。

礦產(chǎn)資源是人類不可缺少的資源之一，每年世界各地都會有大量的礦石產(chǎn)出，人類的發(fā)展與生存離不開這些礦產(chǎn)資源，而礦產(chǎn)資源不只是作為人們活動生產(chǎn)的基礎(chǔ)能源，同樣的也為人類需要的各種物質(zhì)供應(yīng)原材料，是非常重要的資源。我國的礦產(chǎn)資源在世界上是最豐富的國家之一，每年平均產(chǎn)量在世界前列，礦產(chǎn)種類齊全、體系完整，儲備與礦種也在世界前列。作為基本產(chǎn)業(yè)，是社會經(jīng)濟、生產(chǎn)和現(xiàn)代工業(yè)化中的重要組成部分，而且在國家統(tǒng)籌發(fā)展之前也占有著重要戰(zhàn)略地位。

尾礦是在開采分選礦石之后排放的，且暫時不能被利用的固體或粉體廢料，并通過管道輸送至尾礦庫存放。尾礦工程投資較大，還要占用大量農(nóng)田和林地，而且里面還含有會讓田地難以修復(fù)、破壞生態(tài)平衡的有害化學(xué)成分，如何充分合理的利用鉬尾礦是鉬礦開采企業(yè)亟待解決的難題。由于尾礦在組成形態(tài)顆粒級配等方面與天然河砂存在明顯差異，目前仍應(yīng)用較少。

2 尾礦料物理性質(zhì)試驗研究

2.1 篩分實驗

本實驗試樣顆粒直徑平均小于1 mm，兩次篩分實驗分別取樣 153.10 g，165.24 g。

用空隙 1 mm，0.71 mm，0.5 mm，0.355 mm，0.25 mm，0.18 mm，0.125 mm，0.075 mm 的篩盤進行篩分。

在進行篩分實驗之前要把試件放進烘箱里面烘干。時間要在12 h以上。第2天取出，緩慢倒入篩分機中，防止造成揚塵而出現(xiàn)損失。全部倒入后蓋好密封，且給瓷盤稱重并記錄，用小毛刷將殘余的砂粒輕輕掃到瓷盤內(nèi)稱重、記錄，隨后的也按此方式稱重記錄。

篩分實驗大于某粒徑土的質(zhì)量百分比曲線見圖1。

其中，d60=0.267為小于某粒徑的土為60%時的粒徑大小;d10=0.075為小于某粒徑的土為10%時的粒徑大小。最后計算CU=3.56＜5為均勻土，表明該土樣不易被壓實，不易得到較高的密度和較好的力學(xué)特性。

其中，d30=0.133為小于某粒徑的土為30%時的粒徑大小。最后計算CC=0.883＜1表示級配曲線不連續(xù)。

圖1 篩分實驗大于某粒徑土的質(zhì)量百分比曲線

由于不滿足不均勻系數(shù)和曲率系數(shù)條件，可稱該尾礦試樣為級配不良的土。

根據(jù)巖土工程勘察規(guī)范，本試驗的尾礦砂粒徑大于0.075 mm的顆粒質(zhì)量超過總質(zhì)量的85%，可定名為細(xì)砂。

2.2 尾礦原狀土的物理指標(biāo)分析

對尾粉砂土原狀土物理性質(zhì)試驗分別做了9組，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 原狀土主要物理性質(zhì)指標(biāo)

一般來說，天然狀態(tài)土的密度平均值一般為1.75 g/cm3～2.10 g/cm3，土的比重通常在 2.65～2.75 之間。經(jīng)分析，以上鉬尾礦料的天然密度和比重平均值均高于一般土的天然密度和比重平均值，由于該尾礦料是鉬礦的尾礦料，故可以推斷該種尾礦砂中均夾雜有鉬及伴生金屬或者金屬的化合物。

3 擊實試驗

擊實試驗是對土樣進行擊錘壓實，來了解土壓實性能的一種試驗方法。試驗對多組不同含水率的土樣進行擊錘壓實，分別測定其密度，做出曲線圖，確定最優(yōu)含水率與各個含水率下的最大干密度(是指骨料堆積或緊密密度)。本實驗所用的黃土的液塑限經(jīng)試驗測出:液限ωL=30.30%，塑限 ωP=21.16%，塑性指數(shù) Ip=9.14。

本實驗分為輕型擊實試驗與重型擊實試驗，本次實驗采用輕型擊實試驗?？梢詾橄嚓P(guān)工程提供實驗數(shù)據(jù)(不同混合比的土樣實驗結(jié)果如表2～表4所示)。

表2 第一組土樣擊實試驗表

表3 第二組土樣擊實試驗表

表4 第三組土樣擊實試驗表

根據(jù)擊實試驗可得出各個尾礦砂與黃土混合比例的最大干密度及最優(yōu)含水量。由以上試驗可以看出隨著尾礦砂摻量的提高，最優(yōu)含水量隨之下降，最大干密度隨尾礦摻量提高而提高。

4 鉬尾礦砂與黃土不同質(zhì)量比例摻加后的剪切試驗

在含水率為13%，15.4%，17%下，試樣的抗剪性能的差異。本實驗所用的黃土的液塑限經(jīng)試驗測出:液限ωL=30.30%，塑限 ωP=21.16%，塑性指數(shù) IP=9.14。

研究在鉬尾礦砂與黃土不同摻加比例時，試樣的抗剪性能的差異。在預(yù)先施加200 N的垂直預(yù)壓力條件下，記錄試驗數(shù)據(jù)，繪制剪切位移與剪切力關(guān)系(見圖2～圖4)。圖中，橫坐標(biāo)為剪切位移，縱坐標(biāo)為剪應(yīng)力。

4.1 鉬尾礦砂與黃土質(zhì)量比為7∶3的土樣

鉬尾礦砂與黃土質(zhì)量比為7∶3時，在含水量為13%，15.4%，17%時，試樣的抗剪性能的差異如圖2所示。

圖2 70%尾礦砂試樣剪切位移與剪切力關(guān)系圖

經(jīng)過多組的試驗平均可以發(fā)現(xiàn)鉬尾礦砂與黃土在7∶3的比例時的分布規(guī)律，在含水率大于15.4%時，土樣的抗剪性能與含水率成正比，在含水率小于15.4%時，土樣抗剪性與含水量成反比。而在土樣含水率分別在13%，17%的條件時，試樣的抗剪性近似。

4.2 鉬尾礦砂與黃土質(zhì)量比為1∶1的土樣

鉬尾礦砂與黃土質(zhì)量比為1∶1時，在含水量為13%，15.4%，17%時，試樣的抗剪性能的差異如圖3所示。

根據(jù)試驗的結(jié)果可以看出，在鉬尾礦砂與黃土1∶1比例混合的土樣中，在一定范圍內(nèi)，隨著含水量增長抗剪強度提高。該三種含水量的試樣，在17%的含水量的條件下，試樣的抗剪性為最優(yōu)。

圖3 含50%尾礦砂試樣剪切位移與剪切力關(guān)系圖

4.3 鉬尾礦砂與黃土質(zhì)量比為3∶7的土樣

鉬尾礦砂與黃土質(zhì)量比為3∶7時，在含水量為13%，15.4%，17%時，試樣的抗剪性能的差異如圖4所示。

圖4 30%尾礦砂試樣剪切位移與剪切力關(guān)系圖

綜合以上的數(shù)據(jù)，在含水率不變的情況下黃土摻加的比例越大土樣的抗剪性能越好，而在摻量比例不變的情況下，摻量的不同，抗剪性能與含水量的關(guān)系也有所不同。

可以大致認(rèn)為，在含水量一定的時候試樣中黃土的比例越高試樣的抗剪強度越高，而和含水量關(guān)系不夠直接，因此可以認(rèn)為在試樣中，加大尾礦砂摻料的比例不會提高混合料的抗剪性能。

5 結(jié)論

1)通過顆粒分析試驗，鉬尾礦砂為細(xì)砂，尾粉砂顆粒級配不良，連續(xù)級配分布不均勻。2)鉬尾礦砂的密度和顆粒比重大于一般土。3)分析不同摻量比例的鉬尾礦與黃土混合料的壓實性能，隨著尾礦砂摻量的提高，最優(yōu)含水量下降，最大干密度隨尾礦摻量提高而提高。4)分析不同摻量比例的鉬尾礦與黃土混合料試樣抗剪性能，在含水量不變的情況下黃土摻加的比例越大土樣的抗剪性能越好，而在摻量比例不變的情況下，摻量的不同，抗剪性能與含水量的關(guān)系也有所不同。鉬尾礦砂及混合料在工程中的應(yīng)用，應(yīng)積累更多的試驗數(shù)據(jù)。