鸡西和萝北石墨尾矿静力学特性试验研究

赵浩男，孙 静，周 婷，陈 浩

(黑龙江大学 建筑工程学院，哈尔滨 150080)

0 引 言

石墨尾矿是石墨开采过程中产生的大量固体废弃物。我国石墨产量以及石墨尾矿的排放量均居世界首位，石墨产量5×105t/a左右，石墨尾矿排放量6×106t/a以上。大量石墨尾矿的排放对环境以及人类生活产生了严重的影响。为解决尾矿的排放以及利用，部分学者对各种尾矿的静力学特性展开了研究，胡再强等[1]研究了黏粒含量对尾矿料抗剪强度的影响，指出黏粒含量的增加导致黏聚力增大，内摩擦角减小；张超等[2]对江西某铜尾矿坝的尾矿砂进行试验，研究级配对抗剪强度及稳定性的影响；乔兰等[3]研究了级配对尾矿料抗剪强度以及渗透性的影响；李志平等[4]研究了含水率对尾矿砂内摩擦角的影响，并推出用标准贯入击数估算尾矿砂内摩擦角的方法。部分学者对石墨尾矿改良剂的性质进行研究，房建果等[5]研究了石墨尾矿在水泥稳定后的无侧限抗压强度；刘洪波等[6]研究用鸡西石墨尾矿代替部分砂掺入水泥砂浆的抗渗性以及抗压强度。大部分学者[7-13]都倾向研究各种尾矿的静力学特性以及石墨尾矿作为改良剂的性质，对石墨尾矿自身静力学特性的研究还有待深入。

为了更好地利用以及处理石墨尾矿，本文对鸡西和萝北石墨尾矿进行含水率试验、筛分试验、击实试验和直剪试验，分析石墨尾矿的物理性质，研究细粒含量对抗剪强度的影响，为今后石墨尾矿的利用及处理提供科学的依据。

1 试验材料

本次选取鸡西市和鹤岗市萝北县两地的石墨尾矿进行试验。鸡西市是国内石墨的主要产地之一，石墨储量为9.8×108t；萝北县石墨储量为6.3×108t。鸡西石墨尾矿呈浅黄色，萝北石墨尾矿呈深灰色，两种石墨尾矿的主要组成成分均为SiO2，鸡西石墨尾矿的SiO2含量为56.64%，萝北石墨尾矿的SiO2含量为53.73%。两种石墨尾矿的其它组成成分也基本一致，仅成分含量略有差别。

2 物性试验

2.1 含水率试验

采用烘干法测量石墨尾矿的天然含水率ω。用天平称出称量盒的质量m，在称量盒内装入50 g左右石墨尾矿试样，盖好盒盖，放在天平上称量总质量m1；将打开盒盖的试样和称量盒放入105 ℃烘干箱内，烘干8 h后，记录称量盒和石墨尾矿的质量m2；根据公式ω=(m1-m2)/(m1-m)×100%，计算天然含水率，结果见表1。

表1 含水率试验记录

由表1可见，两种石墨尾矿均存在较低的天然含水率，鸡西石墨尾矿的天然含水率为1.34%，萝北石墨尾矿的天然含水率为0.41%。据此可知，两种石墨尾矿中的水分极易流失，保水性极差。

2.2 筛分试验

为确定石墨尾矿的粒径分布，选用孔径分别为2.0、1.0、0.5、0.25、0.1、0.075 mm的细筛组进行筛分试验。用天平称取各细筛内残留的石墨尾矿的质量，计算出各级石墨尾矿的比例，试验结果见表2。两种石墨尾矿的级配曲线见图1。

表2 鸡西、萝北石墨尾矿粒径分布

由图1可见，两种石墨尾矿级配曲线的走势基本重合，鸡西石墨尾矿在细粒含量上略高于萝北。鸡西石墨尾矿的不均匀系数为5.60、曲率系数为1.21；萝北石墨尾矿的不均匀系数为5.33、曲率系数为1.17。两种石墨尾矿的不均匀系数Cu>5，且曲率系数Cc在1～3之间，属于级配良好的尾矿砂。

图1 石墨尾矿级配曲线

2.3 击实试验

选取两种石墨尾矿各25 kg，配置4%，5%，6%，8%，10%，12%，14%，7种不同含水率试样，焖料24 h后进行击实试验。在轻型击实仪上分3层击实，每层击实27次。称量击实后的击实桶和石墨尾矿总质量后退样。取退样后试样中心位置的两块石墨尾矿再次进行含水率试验。根据公式ρd=ρ/(1+0.01ω)，计算每个试样的干密度ρd。其中ρ为试样湿密度，试验结果见图2。

图2 石墨尾矿含水率-干密度关系曲线

由图2可见，石墨尾矿与其他土料不同，其含水率-干密度关系曲线存在两个峰值，这与文献[5]研究结果一致。由于第二个峰值处干密度最大，因此，记该点的干密度为最大干密度，该点对应的含水率为最优含水率。结果显示：鸡西石墨尾矿的最优含水率为11.46%，最大干密度为1.79 g·cm-3；萝北石墨尾矿的最优含水率为11.41%，最大干密度为1.89 g·cm-3。在相同含水率时，萝北石墨尾矿的干密度高于鸡西石墨尾矿。

3 直剪试验

3.1 试验结果

采用快剪方式在直剪仪上对压实度为95%，4种细粒含量分别为10%，20%，30%和40%的石墨尾矿进行直剪试验。在最优含水率下按要求配置不同细粒含量的石墨尾矿，放入密封的塑料袋内焖料24 h后，按95%最大干密度进行击实，击实次数24～28次不等，确保密度达标。完成击实后，将试样推进直剪仪剪切盒内施加垂直荷重σ=100 kPa，以12 r·min-1的速率顺时针转动手轮，直至试样剪切破坏，记录破坏时测力计读数。垂直荷重分别递增至200、300、400 kPa，重复剪切步骤。本次试验判断试样剪切破坏的标准为：当测力计指针开始出现后退时，则认定试样已经破坏，峰值剪应力即抗剪强度τf。试验结果见表3。垂直荷重-抗剪强度关系见图3(a)和3(b)。

表3 不同细粒含量下抗剪强度

图3 石墨尾矿垂直荷重-抗剪强度关系曲线

由图3可见，当垂直荷重低于200 kPa时，两种石墨尾矿抗剪强度受细粒含量影响不大；当垂直荷重高于200 kPa时，随细粒含量增加，两种石墨尾矿的抗剪强度均先增大后减小，在细粒含量30%左右时，达到最大值。垂直荷重越大，影响效果越明显。

3.2 细粒含量对黏聚力的影响

根据莫尔-库伦强度理论：τf=c+σtanφ，其中，c为黏聚力，φ为内摩擦角。垂直荷重-抗剪强度关系图中直线在纵轴的截距即黏聚力，直线与横轴的夹角即内摩擦角。不同细粒含量下黏聚力和内摩擦角见表4。黏聚力与细粒含量的关系曲线见图4。

表4 不同细粒含量下黏聚力和内摩擦角

由图4可见，黏聚力随细粒含量的增加先降低，后升高，在细粒含量20%～30%时，石墨尾矿黏聚力出现最小值。鸡西最小值出现在细粒含量22%左右，萝北最小值出现在细粒含量27%左右。

图4 石墨尾矿细粒含量-黏聚力关系曲线

当石墨尾矿细粒含量较小时，黏粒含量也相对较低，黏粒散乱分布在砂粒表面，在石墨尾矿内起到润滑作用，颗粒间胶结作用减少，因此在低细粒含量时，随细粒含量的增加，黏聚力有所下降；当细粒含量较大时，黏粒含量达到一定值，黏聚力主要体现在黏粒间的胶结作用，随细粒含量的继续增加，黏聚力逐渐增大。这个现象验证了文献[14]的观点：黏粒含量低于10%时，砂土不具备黏性土的性质，黏粒在砂土中起润滑作用。

3.3 细粒含量对内摩擦角的影响

内摩擦角与细粒含量的关系曲线见图5。由图5可见，随细粒含量的增加，内摩擦角先升高，后降低，在细粒含量20%～30%出现内摩擦角最大值。鸡西最大值出现在细粒含量28%左右；萝北最大值出现在细粒含量30%左右。

图5 石墨尾矿细粒含量-内摩擦角关系曲线

在细粒含量较低时，细粒散乱吸附在砂粒表面，颗粒间相互咬合，随细粒含量增加，颗粒间咬合力增大，内摩擦角也随之增大；随细粒含量继续增加，更多的细颗粒吸附在砂粒表面，将砂粒包裹，颗粒间的咬合力减小，内摩擦角也随之减小。萝北石墨尾矿干密度较大，颗粒排列更加紧密，咬合作用增强，故内摩擦角大于鸡西石墨尾矿。

4 结 论

通过对石墨尾矿进行静力学特性试验，对比两种尾矿的试验结果，得出如下结论：

1)鸡西和萝北石墨尾矿的级配极其相似，均属于级配良好的尾矿砂；石墨尾矿的天然含水率很低，鸡西天然含水率为1.34%，萝北天然含水率为0.41%；石墨尾矿的含水率-干密度曲线与普通土料不同，普通土料仅存在一个峰值点，石墨尾矿有两个峰值点。

2)细粒含量对石墨尾矿抗剪强度有一定影响。当垂直荷重低于200 kPa时，抗剪强度受细粒含量影响不大。当垂直荷重高于200 kPa时，两种石墨尾矿的抗剪强度均随细粒含量增加先升高，后降低，在细粒含量为30%左右时，存在抗剪强度最大值。垂直荷重越高，影响效果越强。

3)细粒含量对石墨尾矿黏聚力有较大影响。黏聚力随细粒含量的增加，先降低后升高，存在最小值。鸡西最小值在细粒含量22%左右，萝北最小值在细粒含量27%左右。

4)细粒含量对石墨尾矿内摩擦角有较大影响。内摩擦角随细粒含量的增加，先升高后降低，存在最大值。鸡西最大值在细粒含量28%左右，萝北最大值在细粒含量30%左右。