壓實(shí)度、含水條件對(duì)拜耳法赤泥物理力學(xué)性質(zhì)影響的試驗(yàn)分析與研究

徐明明

（貴陽(yáng)鋁鎂設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000）

1 研究背景

赤泥是氧化鋁廠生產(chǎn)后排放的廢渣,目前赤泥干法堆存技術(shù)已在氧化鋁生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。干法堆存過(guò)程中，赤泥的壓實(shí)度、含水條件等是影響赤泥堆積壩體穩(wěn)定的主要因素。不同的壓實(shí)度和含水條件下的赤泥，其力學(xué)性質(zhì)必然不同，研究其變化規(guī)律及定量分析，有利于赤泥堆場(chǎng)的長(zhǎng)期安全運(yùn)營(yíng)，并為同類工程提供參考。

近年來(lái)，對(duì)于赤泥力學(xué)特性的研究取得了很多成果。田躍等[1]從赤泥的產(chǎn)生入手，分析了赤泥堆存的力學(xué)特性；李明陽(yáng)[2]針對(duì)平果赤泥堆場(chǎng)，提出赤泥含水量和子壩外坡坡度是影響堆場(chǎng)邊坡穩(wěn)定的主要因素；劉忠發(fā)等分析了赤泥堆積體的干燥程度及原因，對(duì)其力學(xué)性能等進(jìn)行了探討；陳學(xué)美通過(guò)赤泥濾餅?zāi)雺涸囼?yàn),得到了碾壓遍數(shù)與壓實(shí)度及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的關(guān)系；吳炎森等通過(guò)赤泥的成分分析、物理力學(xué)性試驗(yàn)研究,總結(jié)了赤泥的物理力學(xué)特性和影響試驗(yàn)成果的因素。但對(duì)于不同壓實(shí)度、含水條件下赤泥的物理力學(xué)性質(zhì)的變化規(guī)律和定量分析，還鮮有見(jiàn)到這方面的相關(guān)研究。

本文針對(duì)貴州某干法赤泥堆場(chǎng)，通過(guò)制備不同壓實(shí)度的赤泥試樣及采取自然固結(jié)的赤泥試樣，分別進(jìn)行飽和前、后的固結(jié)快剪試驗(yàn)研究，試驗(yàn)方法及試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理均參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果的比較、分析，期望揭示赤泥在不同壓實(shí)度、含水條件下的強(qiáng)度、變形特性及其參數(shù)的變化規(guī)律與范圍。

2 試驗(yàn)條件及方案

2.1 試樣制備和采取

2.1.1 壓實(shí)度為90%和95%試樣的制備

第一步：利用現(xiàn)場(chǎng)所取的赤泥濾餅擾動(dòng)樣，進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，得出其最優(yōu)含水率和最大干密度分別為41.641.6±2%、1.25g/cm3；則90%壓實(shí)度試樣：含水率41.6±2%，干密度ρd=1.25×0.90=1.13g/cm3；95%壓實(shí)度試樣：含水率41.6±2%，干密度ρd=1.25×0.95=1.19g/cm3。第二步：取赤泥濾餅風(fēng)干并碾壓，風(fēng)干樣制作完成后，測(cè)定其相應(yīng)的風(fēng)干含水率，然后制作接近兩種類型赤泥濾餅最佳含水率的試樣，并測(cè)定制作完成后的實(shí)際含水率。第三步：根據(jù)所需達(dá)到的干密度和所制試樣的體積，稱取單個(gè)試樣所需的濕土質(zhì)量，采用擊樣法完成試樣的制備并保存待試驗(yàn)時(shí)使用。

2.1.2 自然固結(jié)赤泥采取

自然固結(jié)赤泥試樣為赤泥堆場(chǎng)初期壩前赤泥采用環(huán)刀采取，赤泥自然固結(jié)時(shí)間大于6個(gè)月。

2.1.3 飽和試樣制備

對(duì)于以上制備和采取的壓實(shí)度90%、95%及自然固結(jié)試樣，采用真空抽氣飽和法進(jìn)行試樣的飽和。

2.2 試驗(yàn)方案

按照以上試件制備、采取的方法，制備壓實(shí)度90%、95%的赤泥試樣各12組，采取自然固結(jié)赤泥試樣共12組。其中6組試樣直接用于固結(jié)快剪試驗(yàn)，另外6組試樣飽和后再進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn)。如此即可獲取不同壓實(shí)度、自然固結(jié)赤泥在飽和前后的物理力學(xué)參數(shù)。圖1中，左側(cè)為試樣飽和過(guò)程，右側(cè)為固結(jié)快剪試驗(yàn)過(guò)程。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 壓實(shí)度特征

根據(jù)以上第2.1，壓實(shí)度90%和95%試樣的干密度分別為1.13g/cm3和1.19g/cm3，采取的自然固結(jié)赤泥經(jīng)檢測(cè)平均干密度為1.25g/cm3，與赤泥最大干密度基本一致（相當(dāng)于壓實(shí)度約100%）。以上試樣各6組進(jìn)行飽和前的固結(jié)快剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1（表中數(shù)據(jù)為6組試樣均值）。

3.1.1 壓實(shí)度對(duì)強(qiáng)度的影響

為分析不同壓實(shí)度對(duì)強(qiáng)度參數(shù)的影響，作粘聚力C、內(nèi)摩擦角Φ與干密度ρd關(guān)系曲線見(jiàn)圖2。

圖2 強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力C、內(nèi)摩擦角Φ與干密度ρd關(guān)系曲線

由表1和圖2可以看出，壓實(shí)度越高，相應(yīng)強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力C和內(nèi)摩擦角Φ的值越大。強(qiáng)度指標(biāo)粘聚力C和內(nèi)摩擦角Φ均隨著干密度的增大而增大，干密度由1.13g/cm3～1.28g/cm3的變化過(guò)程中，粘聚力C增大了13.4%，內(nèi)摩擦角Φ增大了21.7%。

3.1.2 壓實(shí)度對(duì)變形參數(shù)的影響

為分析不同壓實(shí)度對(duì)變形參數(shù)的影響，作壓縮模量E、壓縮系數(shù)av1與干密度ρd關(guān)系曲線見(jiàn)圖3。

由表1和圖3可以看出，赤泥的壓縮模量E隨著干密度ρd的增大而增大，壓縮系數(shù)av隨著干密度ρd的增大而減小，干密度由1.13g/cm3～1.28g/cm3的變化過(guò)程中，壓縮模量E增大了99.3%，壓縮系數(shù)av減小了55%。

圖3 變形指標(biāo)壓縮模量E、壓縮系數(shù)av與干密度ρd關(guān)系曲線

3.2 飽和特征

根據(jù)以上第2.1，取壓實(shí)度90%、95%試樣和自然固結(jié)赤泥試樣各6組先進(jìn)行飽和，然后再進(jìn)行固結(jié)快剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2（表中數(shù)據(jù)為6組試樣均值）。

表2 飽和后固結(jié)快剪試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1、表2所得到的飽和前、后固結(jié)快剪試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)對(duì)比分析可知：飽和后赤泥的粘聚力C和內(nèi)摩擦角Φ比飽和前均有所減小，粘聚力C平均減小了16.3%，內(nèi)摩擦角Φ平均減小了22.1%；飽和后赤泥的變形模量E較飽和前有所減小，平均減小了41.1%，飽和后赤泥的壓縮系數(shù)av較飽和前有所增大，平均增大了77.1%。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)貴州某赤泥堆場(chǎng)的赤泥制作壓實(shí)度90%、95%的試樣及采取自然固結(jié)赤泥試樣，分別進(jìn)行飽和前、后的固結(jié)快剪試驗(yàn)，可得出以下主要結(jié)論：

（1）赤泥堆存過(guò)程中的壓實(shí)度和含水條件對(duì)赤泥的力學(xué)特性，包括強(qiáng)度特性與變形特性，均具有一定的影響，應(yīng)當(dāng)引起實(shí)際工程中的充分重視。

（2）赤泥的壓實(shí)度越高，相應(yīng)粘聚力C和內(nèi)摩擦角Φ越大。粘聚力C和內(nèi)摩擦角Φ均隨著干密度的增大而增大，干密度由1.13g/cm3～1.28g/cm3的變化過(guò)程中，粘聚力C增大了13.4%，內(nèi)摩擦角Φ增大了21.7%。

（3）赤泥的壓縮模量E隨著干密度ρd的增大而增大，壓縮系數(shù)av隨著干密度ρd的增大而減小，干密度由1.13g/cm3～1.28g/cm3的變化過(guò)程中，壓縮模量E增大了99.3%，壓縮系數(shù)av減小了55%。

（4）飽和后赤泥的粘聚力C和內(nèi)摩擦角Φ比飽和前均有所減小，粘聚力C平均減小了16.3%，內(nèi)摩擦角Φ平均減小了22.1%；飽和后赤泥的變形模量E較飽和前有所減小，平均減小了41.1%，飽和后赤泥的壓縮系數(shù)av較飽和前有所增大，平均增大了77.1%。

（5）本次試驗(yàn)揭示了拜耳法赤泥在不同壓實(shí)度、含水條件下的物理力學(xué)性質(zhì)，其定量成果可供同類工程進(jìn)行類比和參數(shù)預(yù)測(cè)參考。