降雨蒸发作用下掺砂改良铝土尾矿泥浆试验研究

欧 孝 夺，秦 金 喜，罗 炳 雄，江 杰，陆 小 金

(1.广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁 530004； 2.广西大学 工程防灾与结构安全教育部重点实验室，广西 南宁 530004； 3.广西金属尾矿安全防控工程技术研究中心，广西 南宁 530004)

铝土尾矿泥浆是指用清水对研磨的铝土矿原矿冲洗，流出的无法用于生产而排入排泥库的含水矿石残渣。因研磨后泥浆自身颗粒极细且级配相当均匀，导致其具有高含水量、低渗透性、高压缩性、高液限等不良性质，不利于排水固结。

掺砂是改良高液限土不良性质的较好物理办法。目前国内外学者对掺砂改良高液限土性质方面开展了较多的研究[1-4]，并分析了掺砂改良高液限土的具体力学行为，为之后的理论及实际运用提供了指导[5-8]。针对掺砂改良铝土尾矿泥浆性质，可参考掺砂改良高液性土的研究方法和思路。王海湘等[9]从高液限红黏土的性质特点出发，掺砂改良后研究其抗剪强度指标与掺砂比的关系，发现掺砂后的土样凝聚力和内摩擦角均有所提高。兰恒水等[10]以掺砂比为控制因素，分析了掺砂改良高液限土基本物理力学特性，其强度指标均有较大的提高，内摩擦角逐渐升高而凝聚力则逐渐降低。李方华[11]在考虑影响改良土的多种因素后开展了大量的掺砂砾石试验，根据试验结果总结出不同液限范围对应的掺砂砾石比最佳比例建议值。方庆军等[12]则利用室内试验模拟高液限土的干湿循环过程，研究了掺砂改良高液限土在干湿循环作用下抗剪性能的变化规律。此外，还有许多学者针对掺砂改良其它不良性质土进行了大量的研究[13-16]。通过上述文献可以看出，掺砂可明显提高高液限土的力学性质，但对于不同种类高液限土及不同的掺砂比得出的结论会存在明显差异。

本文采用室内模型试验，将砂子均匀掺入铝土尾矿泥浆中，打破铝土尾矿原来的沉积结构状态，通过蒸发与降雨模拟试验效果，并开展固结快剪试验，分析掺砂铝土尾矿泥浆在经历蒸发降雨作用后表观现象及性质改良情况，从而确定最佳的掺砂参数。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

1.1.1试验用泥

试验所用的尾矿泥取自桂西中铝广西分公司1号铝土排泥库，选取洼地中心过湿性铝尾黏土作为典型土样，原状泥浆物理性质如表1所示，其颗分曲线如图1所示。

表1 试验用泥物理力学参数及化学成分Tab.1 The physico-mechanical parameters and chemical composition of mud

图1 铝土尾矿泥颗分曲线Fig.1 Particle size distribution curve of bauxite tailing

1.1.2试验用砂

试验用砂取自混凝土结构实验室的建筑用砂，采用标准土壤筛进行颗粒分析试验，得到颗粒粒径分布曲线如图2所示。由于大部分铝土尾矿颗粒粒径小于0.5 mm，再掺入相同颗粒大小的砂子对其颗粒级配改变较小，对泥浆性质改良意义不大，故本次试验将颗粒粒径小于0.5 mm的砂子筛除，选出颗粒粒径分别为0.5～2.0 mm，2.0～5.0 mm与5.0～10.0 mm 3种粒径范围的砂子，标记为细砂组、中砂组与粗砂组，将3种砂子等质量混合，标记为混合砂组。

图2 试验用砂颗分曲线Fig.2 Particle size distribution curve of experiment sand

1.2 试验装置

试验采用直径为160 mm，高为250 mm，并用堵头封底、玻璃胶防漏处理的PVC管作为盛放掺砂铝土尾矿泥浆的容器装置，自制装置及用砂如图3所示。

图3 试验装置及用砂分类Fig.3 Test equipment and sand classification

1.3 试验方案设计

采用掺砂改良铝土尾矿泥浆性质，存在一种合理的掺砂粒径以及对应的掺砂比，使得改良后的铝土尾矿的颗粒与骨架相互适应，其力学性质达到最佳状态。将筛分得到的粗砂组、中砂组、细砂组以及混合砂组作为不同粒径的掺入材料，考虑到试验条件与改良的成本经济性，设计了0%，10%，20%，30%共4种掺砂比，寻找一种合理的掺砂粒径及对应的掺砂比，具体的掺砂方案设计见表2。为保证掺砂与泥浆混合均匀，将烘干后含水量在3%范围内的铝土尾矿泥与水按照设计浓度搅拌均匀，分3次倒入装置内，每次静置10 min后均匀撒入相应比例的砂子，然后再进行下一次的泥浆倒入—静置—撒砂，重复该操作直至泥浆掺砂完成，放其静置沉积24 h，待液面澄清则掺砂铝土尾矿泥浆制备过程完成。

表2 掺砂方案设计参数Tab.2 Design parameters of sand mixing schemes

2 试验结果分析

2.1 蒸发及降雨模拟试验结果分析

2.1.1掺砂铝土尾矿泥首次蒸发分析

为了更加直观地描述铝土尾矿泥浆质量变化与掺砂情况的关系，绘制出掺不同砂组的泥浆蒸发量随掺砂比的变化曲线如图4所示。在整个日照蒸发过程中，前3 d同一砂组铝土尾矿泥浆每日水分蒸发量相近，说明在铝土尾矿泥浆水分蒸发前期，掺砂比的影响区别不大，随后影响开始明显。未掺砂的铝土尾矿泥浆蒸发量最大，随着掺砂比的增大，泥浆蒸发量反而呈现逐渐降低趋势。考虑原因为：铝土尾矿颗粒极细，试验前期泥浆含水量很高，泥浆表面尚未形成裂缝，在日照影响下泥浆中的水分主要通过内部毛细通道先上升至表面再蒸发消散，掺砂后会破坏毛细作用，延长毛细通道甚至形成堵塞，使得水分蒸发的有效途径减少，从而产生掺砂比增大而泥浆蒸发量反而降低的现象。从蒸发量来看，由于不同的掺砂粒径大小对泥浆中水分上升的阻碍作用不同，掺不同砂组的铝土尾矿泥浆蒸发效果优劣排序为：掺中砂组>掺混合砂组>掺细砂组>掺粗砂组。

图4 自然光照泥浆蒸发量Fig.4 Evaporation of slurry under natural sunshine

经历了8 d的冬季自然低强度日照蒸发后，仅有个别泥样表面局部产生微小裂缝，蒸发效果不明显。改用灯光模拟夏季高强度蒸发后，掺砂铝土尾矿泥浆各方面情况很快产生明显变化。铝土尾矿泥浆蒸发量与不同掺砂情况的关系曲线如图5所示，由图5可知，掺砂比在0%～30%的增加过程中，蒸发量先缓慢下降后呈明显上升趋势。蒸发量大小排序为：掺中砂组>掺粗砂组>掺细砂组>掺混合砂组、掺粗砂组>掺中砂组>掺细砂组>掺混合砂组。

图5 模拟日照泥浆蒸发量Fig.5 Evaporation of slurry under simulated sunshine

2.1.2掺砂铝土尾矿泥吸湿情况分析

在模拟降雨过程中，铝土尾矿泥浆表面被软化，未掺砂的泥浆表面容易被雨水冲刷带起细颗粒，掺砂后泥浆表面较硬，泥颗粒与砂颗粒之间相互粘结形成整体，起到防冲刷作用。在雨水浸泡过程中，泥颗粒表现出遇水软化并伴随有吸水微胀的特点，铝土尾矿泥浆裂缝边缘出现崩解，裂缝与裂缝之间形成新裂缝相互连接贯通。未掺砂的铝土尾矿泥浆周边裂缝软化崩解，重新形成沉积泥，中间部位几乎不出现新裂缝。总结可知：原先泥浆裂缝宽而少的容易崩解，加宽裂缝，同时产生新的连接裂缝；原先泥浆裂缝细而多的崩解现象不明显，难以形成新裂缝且形成的新裂缝也较细。

掺砂铝土尾矿泥浆在蒸发后经历降雨入渗过程，雨水主要通过裂缝面被重新吸收至泥浆内部，不同掺砂情况的铝土尾矿泥浆吸水量变化曲线如图6所示。掺中砂组的铝土尾矿泥浆在蒸发过程的裂缝开裂程度极高，裂缝宽而深，吸水量明显较多，而其余3组掺砂铝土尾矿泥浆的吸水量较少，且比较接近。

图6 泥浆吸水量Fig.6 Water absorption mass of slurry

2.1.3掺砂铝土尾矿泥再次蒸发情况分析

降雨浸水后，再次利用灯照模拟蒸发，同首次蒸发试验数据处理一样，绘制出铝土尾矿泥浆蒸发量与不同掺砂情况的关系曲线如图7所示。蒸发量随掺砂比的变化曲线都是呈现先上升后下降的趋势，对于掺中砂组的铝土尾矿泥浆，蒸发量峰值出现在掺砂比为10%时，其余3组掺砂铝土尾矿泥浆蒸发量峰值均出现在掺砂比为20%时。值得注意的是，掺粗砂组与掺细砂组的铝土尾矿泥浆吸水量远没有掺中砂组的铝土尾矿泥浆吸水量多，但在再次蒸发试验中，掺砂比为20%，30%时，掺粗砂组与掺细砂组的铝土尾矿泥浆蒸发量明显比掺中砂组的铝土尾矿泥浆蒸发量多，可知掺粗砂组与掺细砂组在降雨浸水后更有利于铝土尾矿泥浆水分的蒸发。

图7 掺砂铝土尾矿降雨浸水后的蒸发量Fig.7 Evaporation of bauxite tailings mixed with sand after rainfall leaching

2.2 固结快剪试验结果分析

对经历上述干湿循环过程组别取土样进行固结快剪试验，可绘制剪应力与剪切位移的关系曲线，得出模拟试验后其抗剪强度与掺砂情况的关系。观察各剪应力与剪切位移的关系曲线，发现并无峰值出现，故本次固结快剪试验取剪切位移为4 mm时所对应的剪应力作为该级垂直压力下的抗剪强度。根据各组掺砂铝土尾矿泥剪应力与剪切位移关系以及抗剪强度与垂直压力关系，可以得到不同掺砂情况下的铝土尾矿泥固结快剪试验结果数据，统计如表3所示。

表3 固结快剪试验结果数据统计Tab.3 The statistical data of consolidation fast shear test results

由表3可绘制不同掺砂情况下铝土尾矿泥凝聚力与tanφ值随掺砂比变化曲线，如图8～9所示。由图8可知：掺砂后铝土尾矿泥的凝聚力随掺砂比先增大后减小，说明适当掺砂可以增加颗粒间的粘结作用，提高铝土尾矿泥的粘聚力，其提高程度与掺砂粒径大小直接相关。当掺砂比在0～20%范围内，掺中砂组与掺细砂组对铝土尾矿泥的凝聚力提高比较明显。当掺砂比大于20%时，过大的掺砂比极大地弱化了铝土尾矿泥中粘粒的粘结作用，掺中砂组与掺细砂组的铝土尾矿泥的凝聚力开始呈下降趋势；而掺混合砂组别由于混合砂与铝土尾矿颗粒形成良好的级配分布，颗粒之间粘结作用得到加强，其凝聚力反而有增大的趋势。掺粗砂组的铝土尾矿泥的粘聚力在掺砂比为10%时略有提高，但该组掺砂粒径过大，与铝土尾矿颗粒混合后对颗粒间粘结主要起负作用，其后随着掺砂比增大而逐渐下降。

图8 掺砂铝土尾矿泥凝聚力变化Fig.8 The variation of cohesion of bauxite tailings slime mixed with sand

从图9可以看出：当掺砂比在0～30%范围内，掺砂后增大了铝土尾矿固体成分中粗颗粒的含量，改变了级配单一的情况，颗粒间的摩擦作用增加，各组铝土尾矿泥的内摩擦角均有所增大。随着掺砂比的改变，不同掺砂粒径对铝土尾矿泥的内摩擦角的影响程度有所差异。掺砂比为10%，20%，30%的内摩擦角排序分别为：掺中砂组>掺混合砂组>掺粗砂组>掺细砂组、掺混合砂组>掺中砂组>掺粗砂组>掺细砂组、掺混合砂组>掺中砂组>掺细砂组>掺粗砂组，总体上看掺中砂组与掺混合砂组对铝土尾矿泥的内摩擦角的影响程度较高。

图9 掺砂铝土尾矿泥tanφ值变化Fig.9 The variation of tanφ value of bauxite tailings slime mixed with sand

3 结 论

(1) 在冬季自然光及模拟夏季强光照射下掺中砂组20%的铝土尾矿泥浆在上述2种条件下的泥浆蒸发量均较大，蒸发效果较好，但裂缝开展程度也最高。

(2) 降雨入渗后再次蒸发过程中掺中砂组的铝土尾矿泥浆蒸发量峰值出现在掺砂比为10%时，其余3组掺砂铝土尾矿泥浆蒸发量峰值均出现在掺砂比为20%时。

(3) 掺砂后铝土尾矿泥的内摩擦角均有所增大，当掺砂比在0%～30%范围时，内摩擦角随着掺砂比的增大而逐渐增长，掺中砂组与掺混合砂组对铝土尾矿泥的内摩擦角的影响程度较高。

(4) 掺砂后铝土尾矿泥的凝聚力随掺砂比的变化曲线呈现先增大后减小的情况，掺中砂组与掺细砂组对铝土尾矿泥的凝聚力的影响较显著，当掺砂比在0%～20%范围内，掺砂铝土尾矿泥的凝聚力明显提高，但当掺砂比大于20%时，其凝聚力开始呈下降趋势。

(5) 根据各组蒸发效果及改良后抗剪强度指标等综合分析，掺砂粒径为2.0～5.0 mm，掺砂比为20%改良效果最佳。