0.   引言

我国矿产资源丰富,矿业开发为经济发展提供了重要的物质来源和能源动力,同时选矿过程中也伴随着数量巨大的固体废弃物,即尾矿。与一般黏性土和无黏性土相比,尾矿料中常含有较多复杂的金属氧化物和非金属化合物等,因此,尾矿料常表现出与土体类似而又不尽相同的物理力学性质^[1-2]。随着选矿工艺和研磨技术的日益精进,尾矿料颗粒不断细化,按照现行土工试验规程,许多尾矿料的颗粒尺度属粉土或黏土,小于砂土的粒径范围。然而,目前尾矿料物理力学性质的试验大多将其作为砂性材料考虑,未能充分考虑尾矿料微观结构和组构成分对其物理力学性质及变形特性的影响,从而影响了尾矿库安全评价结果的可靠性。因此,研究金属尾矿料的压缩变形特性,并从微观角度分析其组分结构对材料物理力学性质的影响有着重要的工程价值。

对于金属尾矿料的物理力学特性,国内外学者已经开展了较为深入的研究。Simms^[3],Hu等^[4],Chang等^[5]和Fourie等^[6]对尾矿的岩土工程性质和力学特性进行了研究,指出了尾矿材料不同于普通土体的特殊性质；巫尚蔚等^[7],乔兰等^[8],Carrera等^[9]针对细粒含量或粉粒含量对尾矿工程性质的影响开展了研究。此外,巫尚蔚等^[10]和Ahmed等^[11]分别就尾矿料的压缩固结特性开展了研究,但国内外关于尾矿料压缩特性的研究还相对较少。

总体来说,国内外对于金属尾矿料力学特性的研究已经较为完善,但其研究重点主要集中在剪切变形及动力特性方面,而对微观结构的研究尚没有得到足够的重视。近年来,扫描电镜试验和压汞试验已经成为岩土材料微观结构研究领域中的重要手段^[12-13],通过对材料的内部结构进行定性和定量分析,可以从微观角度反映土体材料的宏观性质。这两种方法已在黏性土的研究中取得了大量的进展^[14-15]。本文针对马鞍山青山尾矿库铁矿尾矿料,开展了一系列的压缩试验和微观试验,对铁矿尾矿料在不同压力下的压缩特性和不同初始密度下的微观结构进行了分析。研究结果可为尾矿库的设计运营维护等提供参考。

1.   试验材料与试验方案

1.1   试验材料

试验所用铁矿尾矿料取自马鞍山青山尾矿库。青山尾矿库主坝初期坝为透水砂石料混合坝,坝高12.0 m,坝体内坡比为1∶2.0,外坡比为1∶2.5,坝顶宽3.5 m,坝长276.5 m。为了保证取得的样品具有代表性,沿垂直于坝轴线方向,在干滩上设置了32个采样点,在每个采样点不同深度处进行取样。通过对所取土样进行筛分试验,得到了代表土样颗分曲线的上下包络线,如图1所示。根据颗分曲线可知,该铁尾矿的不均匀系数C_u在2.6～58.3之间变化,曲率系数C_c在0.97～7.94之间变化。本文试验不考虑材料级配的影响,因此选用确定级配进行制样（见图1）。该级配下铁尾矿的基本物理性质如表1所示。对设计级配的试样进行液塑限测定,可得塑性指数I_p= 8,根据现行《土工试验规程》^[16],该铁尾矿试样属粉土。

图  1  试验铁尾矿粒径级配曲线

Figure  1.  Grain-size distribution curves of tailing samples

下载: 全尺寸图片 幻灯片

表  1  铁尾矿试样的基本物理性质

Table  1.  Basic physical properties of tailing samples

铁尾矿试样	土粒相对密度 Gs	渗透系数 k/(cm·s-1)	平均粒径 d 50	不均匀系数Cu	曲率系数C c
	3.10	1×10-6	0.25	5	1.8

下载: 导出CSV 

| 显示表格

1.2   试验方案

为了研究铁矿尾矿料的压缩特性,开展了单向压缩试验和等向压缩试验；为了分析该铁尾矿的微观结构,还进行了扫描电子显微镜试验（SEM）和压汞试验（MIP）。

单向压缩试验在固结仪上进行,根据《土工试验规程》^[16],试验时先在内径61.8 mm、高20 mm的环刀上制样,再装入试验容器中在完全侧限和容许竖向排水的条件下分级加压。试验中制样初始干密度分别取1.80,1.90,2.00 g/cm³,此外,在初始干密度1.90 g/cm³下另选用单一级配（粒径为2～0.5 mm）制样作为对比试验,每个干密度下设置4个平行试样进行试验。加载时,自12.5 kPa开始,以2倍荷载增加,逐级加载至3200 kPa结束试验。

等向压缩试验在TSZ-2全自动三轴仪上进行,根据《土工试验规程》^[16],试验试样制成直径和高度分别为39.1,80 mm的标准圆柱形试样,体积为96 cm³,制样干密度均为1.90 g/cm³。先抽气和施加反压饱和,然后进行固结。等向压缩试验设置三个平行试样,每个试样试验时自50 kPa开始增加至1600 kPa,在固结稳定（所测排水量稳定）后结束试验。

SEM试验在S-3400N II型扫描电子显微镜下进行,试样取自等向压缩试验,分别选取50,800 kPa围压下固结完成后的土样,经烘干、切样后得到SEM试样。试验时先用EX-250型X-射线能量色散谱仪（简称能谱仪）对土中矿物成分进行定性与定量分析,再用扫描电子显微镜分别在放大1000倍、3000倍和10000倍情况下进行微观结构拍照。

MIP试验在Poremaster GT-60自动压汞仪上进行,试样取自单向压缩试验,分别选取初始干密度为1.80,1.90,2.00 g/cm³的同级配试样以及初始干密度1.90 g/cm³下单一级配（粒径为2～0.5 mm）试样,在固结试验完成后烘干并切样,获得MIP试样。试验时可测定固体材料粒子内和粒子间的孔隙,并获得孔径分布曲线。压汞试验测定土中孔隙分布依据是非浸润性液体在没有压力作用时不会流入固体孔隙,确定圆柱形孔隙注入液体所需压力大小的Washburn公式如下^[13]：

式中 P_m为施加的压力；$\sigma$为导入液体的表面张力,取0.480 N/m；θ为导入液体与固体材料的接触角,取140°；r为圆柱形孔隙半径。从压汞试验得到压力与汞压入的体积关系,利用Washburn方程,通过压力P_m找到对应的当量直径d,由此转换得到土中孔隙分布、比表面积等孔隙特征参数。

2.   铁矿尾矿料的压缩特性

2.1   单向压缩特性

对不同初始干密度的试样进行单向压缩试验,各组试样的压缩性指标和压缩曲线如表2和图2所示。

表  2  尾矿料试样的压缩性指标

Table  2.  Compressibility indices of tailing samples

试样编号	初始干密度ρ/(g·cm-3)	压缩系数a1-2/MPa-1	压缩模量 Es (1-2)/MPa	压缩指数Cc
1-设计级配	1.80	0.28	5.85	0.095
2-设计级配	1.90	0.33	4.81	0.106
3-设计级配	2.00	0.11	13.85	0.095
4-单一级配	1.90	0.46	3.43	0.121

下载: 导出CSV 

| 显示表格

图  2  尾矿料试样的压缩曲线

Figure  2.  Compression curves of tailing samples

下载: 全尺寸图片 幻灯片

试验结果可反映出以下几点压缩特性：

（1）对于不同初始干密度的铁矿尾矿料试样,随着上覆压力的增大,尾矿料的侧限压缩模量均逐渐增大,表明尾矿料的可压缩性逐渐减小。

（2）根据e-lg p曲线,在固结前期,即上覆压力由12.5 kPa增至400 kPa时,试样的孔隙比变化Δe占孔隙比总变化量的一半以上,表明铁矿尾矿料在较小的上覆压力作用下即可产生较大的变形；在固结后期,试样的压缩系数基本保持稳定,且数值远小于固结前期,展现出相对较低的压缩性。

（3）在级配相同的情况下,初始干密度的影响主要体现在初始孔隙比的不同,不同初始干密度试样的压缩曲线基本保持平行,体现出大致相同的压缩性；初始干密度相同时,单一级配试样由于其颗粒粒径相对较粗且极不均匀,体现出比设计级配试样更大的压缩性。

2.2   等向压缩特性

将等向压缩试验得到的试样体积应变ε_v换算为孔隙比e,再将等向压缩试验得到的e-lg p曲线与固结试验的压缩曲线进行对比,如图3所示。可以看出,在级配和制样初始干密度相同的情况下,等向压缩与单向压缩表现出大致相同的压缩特性。在固结前期,加压至50 kPa时,等向压缩试验中试样孔隙比e较单向压缩试验中试样孔隙比e小约0.1,说明在固结压力较小时,等向压缩的作用更强烈；当加压至100 kPa以上时,二者e-lg p曲线基本平行,压缩指数C_c约为0.1,等向压缩曲线始终保持在单向压缩曲线下侧。试验结果表明,当铁矿尾矿料受到三向作用力时,将在较低围压下即产生较大的变形,而在较高围压下,其产生变形的速率与单向压缩基本一致。

图  3  单向压缩试验与等向压缩试验对比

Figure  3.  Comparison between oedometer and isotropic compression tests

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.   铁矿尾矿料的微观结构

3.1   扫描电镜试验（SEM）

能谱仪获得的该铁尾矿矿物成分含量如表3所示,矿物成分图谱如图4所示。试验结果表明,两种试样的元素含量分布基本一致,试样中铁元素的含量明显高于其他元素（氧元素除外）,硅元素含量次之,其余金属元素中仅有铝元素含量稍高,剩余元素含量可近似忽略,可以认为,该铁尾矿主要由铁和铝的氧化物及硅的化合物组成。众所周知,硅元素是石英砂的主要成分之一,且砂颗粒常为圆形或不规则颗粒状,根据本试验所用尾矿料试样的筛分情况,该铁尾矿颗粒多呈扁平状,因此,铁的氧化物应为其主要成分,尾矿料所呈现不同于以往砂土的性质应与此有关。

表  3  铁尾矿矿物组成

Table  3.  Mineral composition of tailings

试样编号	元素	O	Na	Mg	Al	Si	P	K	Ca	Ti	Fe
01-50  kPa	质量百分比/%	49.44	0.22	1.14	6.32	19.23	0.71	0.62	2.49	0.23	19.59
	原子百分比/%	68.33	0.22	1.04	5.18	15.14	0.51	0.35	1.37	0.11	7.76
02-800 kPa	质量百分比/%	45.74	0.42	0.86	7.07	18.72	0.60	0.67	2.16	0.34	23.44
	原子百分比/%	65.60	0.41	0.81	6.01	15.29	0.45	0.39	1.24	0.16	9.63

下载: 导出CSV 

| 显示表格

图  4  矿物成分谱图

Figure  4.  Mineral composition spectra of tailings

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图5和图6分别给出了两种试样在扫描电子显微镜下放大1000倍、3000倍和10000倍时电镜照片,图中颜色较浅部分为土颗粒,颜色较深部分为颗粒间孔隙。可以看出,对于该铁尾矿试样,颗粒间接触点数目较少,孔隙发育且孔隙尺寸较大,构成十分松散的骨架,无定向排列。颗粒显示为杂乱堆积,多以点—点、边—边及边—面接触。孔隙的存在形式主要是孤立孔隙与粒间孔隙,其中孤立孔隙直径较大,分布既不规则也不连续,粒间孔隙多呈亚稳态的多边形。对比图5（c）和图6（c）可以发现,在较高围压下固结完成的试样,其土颗粒聚集现象明显高于较低围压下固结的试样,试样内部土颗粒间的孔隙也明显较小,这种现象在放大稍低倍数时也可看出。显然,800 kPa围压铁尾矿试样的孔隙率小于50 kPa围压铁尾矿试样。

图  5  50 kPa围压铁尾矿试样电镜照片

Figure  5.  SEM photos of tailing samples (50 kPa)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  6  800 kPa围压铁尾矿试样电镜照片

Figure  6.  SEM photos of tailing samples (800 kPa)

下载: 全尺寸图片 幻灯片

为了定量描述试样的孔隙特征,可将电镜照片进行二值化处理,进而求出试样的孔隙率。在阈值取50的情况下,计算可得在50 kPa围压下固结完成的试样,在放大10000倍时孔隙率为26.8 %；而对于在800 kPa围压下固结完成的试样,放大10000倍时孔隙率为12.6%,明显小于前者。因二值化处理方法中阈值的选取具有不确定性,缺乏确定标准^[12],笔者还基于MIP试验对试样中的孔隙特征进行了定量分析。

图7和图8分别给出了黏土和砂土试样的电镜照片,可以与铁尾矿试样的微观结构作为对比。显然,黏土试样多呈凝絮状,土颗粒间的界限不明显；砂土试样颗粒清晰,界限分明,在放大较低倍数时即只能观察到单个颗粒,说明粒径较大。对比铁尾矿试样、黏土试样和砂土试样的电镜照片,可以发现,该铁尾矿虽颗粒较细,但颗粒形状和分布均不同于黏土,而与砂土较分散的颗粒分布更加相似；相较于砂土,该铁尾矿颗粒间接触点更多,且颗粒形状更加不规则,易形成交错复杂的夹层结构,宏观上表现为尾矿料的黏聚力c显著高于砂土。

图  7  黏土试样电镜照片^[15]

Figure  7.  SEM photos of clay soil samples^[15]

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  8  砂土试样电镜照片^[17]

Figure  8.  SEM photos of sand samples^[17]

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.2   压汞试验（MIP）

MIP试验得到不同初始干密度下试样的进汞与压力关系曲线如图9所示。可以看出,四条曲线均呈现S型,在较低进汞压力下,曲线平缓。随着压力增大,曲线斜率迅速增大,说明此压力对应的孔隙组体积含量增高。当汞进入直径较小的孔隙时,即使在较大压力作用下进汞量仍未见明显增加,曲线趋于平缓。对比不同试样的进汞曲线可以发现,在试样级配相同的情况下,初始干密度对进汞体积变化的影响较小；在初始干密度一定时,单一级配试样的进汞曲线基本保持在设计级配试样的下侧,这是由于单一级配试样的颗粒粒径分布比较集中,在进汞压力较低时汞较难进入孔隙,当进汞压力达到某一范围时,汞迅速进入孔隙而后保持稳定。

图  9  进汞体积与压力关系曲线

Figure  9.  Relationship between volume of intrusion and pressure of mercury intrusion

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图10分别给出了试样的孔径分布和孔隙体积累积曲线,图11给出了试样孔隙体积分布统计情况（图中的百分数值为该粒径组的孔隙体积占总孔隙体积的百分含量）。试验结果表明：设计级配的尾矿料试样孔径主要分布在10～0.1 μm的孔隙组,而单一级配试样的孔径在1～0.1 μm的孔隙组占有绝对优势；在级配相同的情况下,初始干密度为1.80,1.90,2.00 g/cm³的试样在1～0.1 μm区间内的孔隙体积分别占总孔隙体积的46.64%,49.19%,44.79 %,其次为10～1 μm区间内的孔隙体积分别占总孔隙体积的28.96%,24.26%,26.66%,总体而言三者差距不大；而单一级配试样在1～0.1 μm区间内的孔隙体积占总孔隙体积的63.27%,其次为d<0.1 μm区间内的孔隙体积占总孔隙体积的20.32%,显著高于其余孔隙组。可以认为,单一级配的试样在单向压缩试验过程中颗粒破碎现象较为严重,原较粗颗粒在压缩荷载作用下破碎成相对较细的颗粒,从而填补了部分孔隙,导致在较大孔径组中孔隙占比较小。此外,根据MIP试验结果,初始干密度为1.80,1.90,2.00 g/cm³的试样总孔隙率分别为29.78%,28.16%和27.64%,而单一级配的试样总孔隙率为30.58%。显然,初始干密度越大的试样在经历单向压缩后,孔隙率越小；而在初始干密度相同的情况下,单一级配试样的总孔隙率略大于设计级配试样。对比SEM试验结果可以发现,初始干密度和试验固结围压均会对试样的总孔隙率产生影响,其中围压的影响更为剧烈。

图  10  孔径分布、孔隙体积累积曲线（压汞试验）

Figure  10.  Curves of pore-size distribution and cumulative volume by mercury intrusion tests

下载: 全尺寸图片 幻灯片

图  11  铁尾矿试样孔隙体积分布统计

Figure  11.  Pore-volume distribution of tailing samples

下载: 全尺寸图片 幻灯片

4.   结论

以马鞍山青山尾矿库内典型铁尾矿为试验材料,开展了一系列单向压缩试验和等向压缩试验,而后对不同围压下压缩得到的铁尾矿试样进行了电镜扫描,对不同级配和初始干密度下的试样进行了压汞试验,获得的主要结论如下：

（1）在试样级配相同的情况下,初始干密度对尾矿料单向压缩特性的影响主要体现在初始孔隙比不同,而压缩曲线基本保持平行；初始干密度相同时,单一级配试样体现出比设计级配试样更强的压缩性。在等向压缩情况下,试样在较低围压时即产生较大的变形,而在较高围压下,其产生变形的速率与单向压缩基本一致。

（2）该尾矿料的主要成分为铁的氧化物,颗粒形状不规则,易形成交错复杂的夹层结构,宏观上表现为尾矿料的黏聚力显著高于砂土；颗粒间孔隙结构多样,孔径主要分布在10～0.1 μm的孔隙组；初始干密度和试验固结围压均会对尾矿料的总孔隙率产生影响,其中围压的影响更为剧烈。