低水泥摻量對模袋充灌特性的影響試驗

李 輝，易 富，姜旭桐，管茂成，張 佳

(1.遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院城市軌道交通學(xué)院，遼寧 錦州 121000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000； 3.遼寧工程技術(shù)大學(xué)建筑與交通學(xué)院，遼寧 阜新 123000；4.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013； 5.遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道工程學(xué)院，遼寧 錦州 121000)

近年來，礦山資源開采技術(shù)迅猛發(fā)展，選礦工藝水平和資源回收率不斷提高，排放至尾礦庫的尾砂數(shù)量日益增多，尾砂顆粒越來越細(xì)。細(xì)尾砂力學(xué)強(qiáng)度低、不易固結(jié)、滲透性差。繼續(xù)使用傳統(tǒng)的上游法筑壩，將會面臨筑壩困難、壩體浸潤線升高、壩體穩(wěn)定性變差等諸多問題。同時，隨著環(huán)保意識的增強(qiáng)，砂石資源開采受到嚴(yán)格限制，理想的筑壩材料緊缺且外運砂石成本較高。因此，利用細(xì)尾砂筑壩并確保壩體穩(wěn)定是亟待解決的社會難題。

模袋筑壩技術(shù)可以解決細(xì)尾砂上游法筑壩難的問題。將細(xì)尾砂以漿體形式充灌至模袋，尾砂固結(jié)后形成的模袋-固結(jié)尾砂復(fù)合土體稱為模袋體。盡可能地利用更多細(xì)尾砂快速地形成模袋體，實現(xiàn)細(xì)尾砂資源化的同時，還可加快施工進(jìn)度，節(jié)省施工成本，社會效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著[1]。模袋等效孔徑過大，雖能增強(qiáng)模袋的透水性，但部分細(xì)尾砂顆粒會隨自由水排出，導(dǎo)致細(xì)尾砂利用率降低；反之，雖然能提高細(xì)尾砂利用率，但排水速度降低，影響施工進(jìn)度，嚴(yán)重時甚至出現(xiàn)細(xì)顆粒堵塞模袋孔隙，導(dǎo)致自由水無法排出，最終形成“水袋”。如何解決透水性和保砂性之間的矛盾，成為模袋筑壩技術(shù)亟待解決的技術(shù)難題。

國內(nèi)外許多學(xué)者對漿體充灌模袋進(jìn)行了相關(guān)研究。Weggel等[2]建立了懸掛土工布袋排水的無量綱分析模型，并給出了數(shù)據(jù)分析方法；Guo等[3]研究了模袋的簡化設(shè)計方法及模袋充灌過程中的變形問題；Plaut等[4]認(rèn)為填料與模袋之間的界面摩擦可能導(dǎo)致模袋中最大張力的顯著增加，研究了模袋尺寸、充填漿料比重、充灌高度、界面摩擦系數(shù)等參數(shù)對模袋性能的影響；邱長林等[5]研究了模袋內(nèi)粉土的固結(jié)特性，提出了泥漿重度隨深度線性增加時模袋變形和力學(xué)特性的計算方法；周漢民[6]通過室內(nèi)充灌試驗，得出充灌模袋的細(xì)尾砂粒徑范圍，并指出充灌時間與充灌濃度正相關(guān)；劉偉超等[7]對模袋體高度、形狀、模袋所受張力、底部應(yīng)力和排水速率進(jìn)行研究，指出充灌壓力與排水速率正相關(guān)；吳月龍等[8]在吹填海泥中摻入水泥作為固化劑，進(jìn)行了模袋充灌特性現(xiàn)場試驗，實現(xiàn)了充填海泥的快速脫水固化；黃新等[9]在粉砂土中摻入水泥作為固化劑，研究了固化土的抗壓強(qiáng)度與水泥摻量的關(guān)系，推導(dǎo)了水泥漿包裹土顆粒和填充孔隙所用水泥量的理論計算公式，分析了水泥含量不同時，水泥在固化土結(jié)構(gòu)形成過程中所起的作用；岳吉雙等[10]采用不同的固化劑和摻入比，進(jìn)行了模袋固化土配比試驗，得出無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨時間的變化規(guī)律；姚君等[11]采用壓汞試驗研究了不同初始密度和養(yǎng)護(hù)時間下，淤泥固化土的孔隙結(jié)構(gòu)特征和孔隙間的轉(zhuǎn)化規(guī)律，并結(jié)合孔隙度和滲透率試驗，研究了孔隙結(jié)構(gòu)特征對淤泥固化土滲透性的影響規(guī)律；Zhang等[12]將疏浚廢棄土與水泥拌和形成的漿液用作開墾荒地的充填材料，并指出水泥用量不應(yīng)超過干燥疏浚廢棄土質(zhì)量的15%；Ge等[13]在高嶺土中摻加15%、20%、25%、50%和75%的礦渣水泥進(jìn)行固化，提出了用早期強(qiáng)度預(yù)測無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的修正模型。

現(xiàn)有研究成果為解決細(xì)尾砂模袋筑壩中透水性和保砂性的矛盾提供了寶貴的經(jīng)驗。但是，現(xiàn)有研究成果中的充填料粒徑普遍較大，與細(xì)尾砂粒徑劃分標(biāo)準(zhǔn)不符，研究成果適用性受限；在細(xì)尾礦漿中摻入水泥作為固化劑的目的是提高透水性和保砂性，不要求其達(dá)到傳統(tǒng)水泥固化土的強(qiáng)度，因此水泥摻量可大幅度降低。此外，模袋充灌時間遠(yuǎn)小于水泥硬化時間，應(yīng)從水泥早期水化反應(yīng)特點出發(fā)，探索低水泥摻量對模袋充灌特性的影響機(jī)制。鑒于此，本文在細(xì)尾礦漿中摻加較少的水泥進(jìn)行充灌試驗，測定灌漿量、排漿量、充灌時間等參數(shù)，研究模袋充灌時間、模袋排水效率及模袋保砂率與水泥摻量的關(guān)系，分析水泥的早期水化對細(xì)尾砂沉積特征的影響，探索低水泥摻量對模袋充灌特性的影響機(jī)制，以期為模袋壩設(shè)計、施工提供有益參考。

1 充灌濃度和水泥摻量的確定

充灌試驗中尾礦漿的濃度是指風(fēng)干尾砂質(zhì)量占尾礦漿質(zhì)量的百分比。高濃度漿體充灌模袋時，漿體流動性差，自由水不易從模袋內(nèi)排出，雖然能降低細(xì)顆粒被自由水挾帶出模袋的比例，但尾砂固結(jié)時間明顯變大。尾礦漿濃度較低時，模袋排水順暢，被自由水挾帶出模袋的細(xì)顆粒數(shù)量也顯著增多，細(xì)尾砂利用率降低。充灌試驗準(zhǔn)備階段，用不同濃度的尾礦漿進(jìn)行了模袋充灌。結(jié)合大量試驗數(shù)據(jù)，將用于充灌模袋的尾礦漿濃度確定為40%。

水泥在傳統(tǒng)固化土中的作用主要為膠結(jié)土顆粒和充填顆粒之間的孔隙。當(dāng)固化土中的水泥摻量較少時，水泥漿首先以薄膜黏附在土顆粒表面；當(dāng)土顆粒表面被薄膜完全包裹時，繼續(xù)增加水泥摻量，水泥漿開始充填顆粒堆積的孔隙，水泥土強(qiáng)度逐漸提高。劉愛民[14]在模袋固化土圍埝工程中，對低水泥摻量固化土強(qiáng)度的影響因素進(jìn)行了試驗研究，試驗結(jié)果表明水泥摻量超過6%時，固化土強(qiáng)度較原淤泥土有較大改善。因此，本文從提高模袋的透水性和保砂性出發(fā)，將試驗過程中最大水泥摻量確定為5%。

2 充灌試驗

2.1 試驗材料

充填料選用粒徑小于0.075 mm的尾砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90%的金尾砂。通過顆粒大小分析可知金尾砂級配參數(shù)為：有效粒徑d10=6.93 μm，中間粒徑d30=20.15 μm，限制粒徑d60=34.32 μm，不均勻系數(shù)CU=9.28，曲率系數(shù)CC=1.71，級配曲線見圖1，金尾砂可認(rèn)定為偏細(xì)尾砂。水泥為阜新市大鷹水泥制造有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，水泥各項性能指標(biāo)見表1。試驗用水為自來水。試驗用模袋的原材料為聚丙烯機(jī)織布，等效孔徑O90為0.08 mm，徑向斷裂強(qiáng)度為70 kN/m，單位面積質(zhì)量為400 g/m2。利用聚丙烯機(jī)織布和強(qiáng)度不小于180 N的尼龍線縫制300 mm×300 mm的模袋。在模袋頂部中心處設(shè)置直徑為45 mm，高度為100 mm的灌漿口。

圖1 試驗用金尾砂顆粒級配曲線

顆粒級配/%0～40μm40～80μm80～120μm表觀密度/(g·cm-3)凝結(jié)時間/min初凝終凝安定性抗壓強(qiáng)度/MPa3d28d77.618.73.73.1290260合格25.645.9

2.2 試驗方案

配置濃度40%的尾礦漿，記為試樣S0。在試樣S0中摻加占風(fēng)干尾砂質(zhì)量1%、3%和5%的水泥攪拌均勻，記為試樣S1、S3和S5。試樣配置完成后10 min內(nèi)，將其充灌至模袋內(nèi)，漿體液面應(yīng)達(dá)到灌漿口內(nèi)3 cm。為了降低試驗結(jié)果的離散性，每種試樣充灌4個模袋。漿體充灌至模袋后，自由水從袋內(nèi)排出(圖2)。每隔20 min測量排漿體積，若其小于500 mL視為排漿結(jié)束，開始下一次充灌。

圖2 模袋排水

不同充填度的模袋體表現(xiàn)出的力學(xué)性質(zhì)也不同。充填度過大，模袋體承受壓力時容易過早撐破；反之，模袋體受壓時，機(jī)織布不發(fā)生拉伸變形或拉伸變形較小，無法達(dá)到加筋效果。一般認(rèn)為，袋裝砂體積占袋體積75%～85%時，加筋效果最好。充灌結(jié)束后繼續(xù)排出的自由水會造成固結(jié)尾砂高度的減小。因此，通過前期大量試驗，將模袋充灌結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)確定為充填度達(dá)到90%，即：20 min排漿體積小于500 mL，且模袋內(nèi)沉積尾砂高度達(dá)到7 cm。

2.3 數(shù)據(jù)分析方法

測得試樣S0的密度ρ0=1.32 g/cm3，風(fēng)干尾砂的密度ρ砂=2.5 g/cm3。為了便于計算，做如下假定：①在S0中摻入水泥不會引起S0體積的改變；②排出漿體中尾砂密度恒為2.5 g/cm3；③充灌過程中無水分蒸發(fā)且無水泥顆粒排出；④不考慮水泥水化反應(yīng)對水的消耗。

充灌試驗中存在如下關(guān)系式：

mi充砂=0.4Vi充漿ρ0

(1)

mi充水=0.6Vi充漿ρ0

(2)

mi充漿=(1+i)mi充砂+mi充水

(3)

mi排漿=mi充漿+m-mi模袋體

(4)

mi排漿=ρ砂Vi排砂+ρ水Vi排水

(5)

Vi排漿=Vi排砂+Vi排水

(6)

式中：mi充砂、mi充水、mi充漿和mi排漿分別為使用水泥摻量i的試樣充灌模袋的充砂質(zhì)量、充水質(zhì)量、充漿質(zhì)量和排漿質(zhì)量，g；m為充灌試驗前模袋質(zhì)量，g；mi模袋體為充灌試驗后水泥摻量i的模袋-固結(jié)尾砂復(fù)合土體質(zhì)量，g；Vi充漿、Vi排漿、Vi排砂和Vi排水分別為使用水泥摻量i的試樣充灌模袋的充漿體積、排漿體積、排砂體積和排水體積，mL；ρ水為水的密度。Vi充漿、Vi排漿、m和mi模袋體均可在試驗中測得，其他參數(shù)可由式(1)～(6)計算。

模袋排水率Ai、排水效率Bi、保砂率Ci和固結(jié)尾砂理論含水率ωi可分別由式(7)～(10)計算。

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：Ti為水泥摻量i的試樣的充灌時間，min；mi排砂、mi排水分別為使用水泥摻量i的試樣充灌模袋的排砂質(zhì)量、排水質(zhì)量，g。

3 試驗結(jié)果與分析

充灌試驗結(jié)果見表2。由表2可見，在尾礦漿中摻加水泥有效解決了透水性和保砂性之間的矛盾。然而，水泥凝結(jié)硬化過程是一個復(fù)雜、連續(xù)的物理化學(xué)過程，包含初始反應(yīng)期(5～10 min)、潛伏期(1 h內(nèi))、凝結(jié)期(6 h內(nèi))和硬化期(6 h～若干年)4個階段[15]。本文將探討初始反應(yīng)期、潛伏期和早期凝結(jié)期的水化反應(yīng)特性對模袋充灌特性的影響規(guī)律。

初始反應(yīng)期的水化產(chǎn)物主要是針棒狀鈣礬石晶體和片狀氫氧化鈣晶體，但仍然會出現(xiàn)少量的細(xì)纖維狀水化硅酸鈣凝膠[16]。水化產(chǎn)物包裹在水泥顆粒表面，形成厚度較薄、黏聚性較差的水化物膜層。

表2 充灌試驗結(jié)果

進(jìn)入潛伏期后水化產(chǎn)物逐漸增多，特別是具有膠凝性的水化硅酸鈣凝膠逐漸增多，致使水化物膜層逐漸增厚。于是，被水化產(chǎn)物包裹的水泥顆粒的空間距離逐漸變小，最終在范德華力作用下形成具有可逆性的凝聚結(jié)構(gòu)。在凝結(jié)期，隨著水化反應(yīng)的深入進(jìn)行，水化產(chǎn)物持續(xù)增多，顆粒之間的接觸越發(fā)緊密，凝膠體和結(jié)晶體相互貫通所形成的凝聚-結(jié)晶網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不斷增強(qiáng)，孔隙逐漸減小，結(jié)構(gòu)逐漸密實。

3.1 透水性

在濃度40%的尾礦漿中摻加少量水泥，形成了大水灰比的水泥砂漿，為水泥水化提供充足水分，可促進(jìn)水化反應(yīng)、提高水化程度。試樣充灌至模袋后，可逆的凝聚結(jié)構(gòu)逐漸恢復(fù)。水化物膜層將吸附、包裹細(xì)尾砂顆粒，并呈斑點狀松散堆積于較大的尾砂顆粒表面，形成了由外向內(nèi)的細(xì)顆粒-水化物膜層-較大顆粒的復(fù)合顆粒結(jié)構(gòu)。隨著水化物膜層逐漸增厚，黏聚性逐漸增大，復(fù)合顆粒的粒徑逐漸增大。于是，模袋孔徑堵塞現(xiàn)象得到緩解，沉積尾砂孔隙變大，為自由水的排出提供更為順暢的通道。

由表2可知，充漿體積和充灌時間均隨水泥摻量的增加近似線性遞減。與試樣S0相比，試樣S1、S3和S5的充灌時間節(jié)約了7.15%、14.29%和28.57%；S1、S3和S5充漿體積減小1.50%、10.00%和15.49%。充漿體積隨水泥摻量的增加而減小可能有以下2個原因：①水化物膜層變厚、范圍變大，能吸附更多的細(xì)尾礦顆粒，形成的復(fù)合顆粒粒徑更大，固結(jié)尾砂體積變大；②尾砂顆粒沉積過程中，顆粒和稀水泥漿之間存在相對運動，在顆粒表面形成過渡區(qū)[17]，過渡區(qū)表面富集大量的具有膨脹特性的鈣礬石，且水灰比越大，鈣礬石膨脹的空間越大。

圖3 單次充漿體積和單次排漿體積與充灌時間關(guān)系

圖3給出了單次排漿體積和充漿體積與充灌時間的關(guān)系，二者均隨充灌時間的延長呈現(xiàn)指數(shù)遞減趨勢。摻加水泥后，由于復(fù)合顆粒的出現(xiàn)，模袋透水性得到不同程度的提高。試樣第一次充灌至模袋時，水泥顆粒和尾砂顆粒分散在水介質(zhì)中，模袋上下表面孔隙均未出現(xiàn)堵塞。即便隨著尾砂顆粒的沉積，模袋底部有效排水面積減小，但是由于靜水壓力較大，模袋頂面排水依然順暢，故首次排漿體積最大。試樣S0、S1、S3和S5的首次排漿體積分別占總排漿體積的29.68%、32.13%、36.34%和41.67%。隨著尾砂沉積厚度增大及部分尾砂顆粒吸附在模袋頂面，模袋頂面透水性變差，排漿體積逐漸減小。模袋排漿主要集中在前2 h，試樣S0、S1、S3和S5前2 h的排漿體積分別占總排漿體積的59.32%、69.15%、72.36%和78.10%。充灌試驗后期，模袋排漿形式有所轉(zhuǎn)變，靜水壓力作用下排漿體積降低，通過沉積尾砂自重被擠出的自由水逐漸變多。

由表2可知，排水率和排水效率均隨水泥摻量的增大而增大。試樣S0的排水率為69.51%，與試樣S0相比，S1、S3和S5的排水率分別提高了4.56%、5.50%和6.73%，可見水化反應(yīng)的進(jìn)行可使更多的自由水排出模袋，但是水泥摻量對排水率的影響較弱。與試樣S0相比，S1、S3和S5的排水效率分別提高了12.90%、23.39%和49.60%，可見水泥摻量對排水效率的影響較大。因此，可將排水效率作為評價模袋透水性的指標(biāo)。

3.2 保砂性

圖4 不同水泥摻量下的排漿效果

不同水泥摻量下模袋排漿見圖4。由圖4可見，隨著水泥摻量的增加，模袋內(nèi)的復(fù)合顆粒逐漸增多，細(xì)尾砂顆粒不易從袋內(nèi)流失，排出漿體逐漸變清澈，說明隨自由水排出模袋的尾砂顆粒含量逐漸降低，即排漿密度逐漸減小，保砂性顯著改善。試樣S0排漿密度和保砂率分別為1.12 g/m3和77.97%；與S0相比，試樣S1、S3和S5排漿密度分別降低了1.79%、4.46%和6.25%，保砂率分別提高了0.25%、10.44%和13.62%。與排漿密度相比，保砂率對于水泥摻量更為敏感。因此，可將保砂率作為評價模袋保砂性的指標(biāo)。由表2可知，當(dāng)水泥摻量由1%增至3%時，模袋保砂性顯著提高；當(dāng)水泥摻量繼續(xù)增至5%時，雖然保砂性持續(xù)改善，但改善程度不明顯。

依據(jù)模袋透水性和保砂性的分析結(jié)果，綜合考慮施工進(jìn)度、施工成本和細(xì)尾砂利用率，將最佳水泥摻量確定為3%。

3.3 含水率

充灌試驗結(jié)束后，立即取模袋內(nèi)3個不同沉積深度的固結(jié)尾砂進(jìn)行含水率測試，將不同位置處的含水率取平均值作為該模袋固結(jié)尾砂的實測含水率。取相同水泥摻量的4個模袋內(nèi)固結(jié)尾砂含水率的平均值作為該試樣的實測含水率，結(jié)果見表2。由表2可知，含水率與水泥摻量呈負(fù)相關(guān)，且理論含水率均大于實測含水率。分析理論含水率大于實測含水率的原因為：①不可避免地存在水分的蒸發(fā)；②模袋內(nèi)排出的部分自由水吸附在模袋表面和集水容器內(nèi)壁無法收集；③從模袋體稱重結(jié)束到完成固結(jié)尾砂取樣，仍然會有自由水從模袋內(nèi)排水。雖然理論含水率與實測含水率存在差異，但二者隨水泥摻量的變化趨勢一致且差異較小。因此，可認(rèn)為理論含水率與實測含水率基本相符，進(jìn)而驗證了本文試驗方法和表2數(shù)據(jù)的可靠性。

4 結(jié) 論

a. 在細(xì)尾礦漿中摻加水泥作為固化劑，在尾砂固結(jié)過程中形成細(xì)顆粒-水化物膜層-較大顆粒的復(fù)合顆粒結(jié)構(gòu)，使尾礦顆粒變大，沉積尾砂孔隙變大，模袋孔隙堵塞得到緩解，有效解決透水性和保砂性之間的矛盾。

b. 充灌時間、充漿體積、排漿密度及含水率與水泥摻量負(fù)相關(guān)；排水率、排水效率和保砂率與水泥摻量正相關(guān)。水泥摻量1%時，模袋充灌特性改善效果不明顯；繼續(xù)增加水泥摻量至3%，改善效果顯著提高；水泥摻量增加至5%時，改善效果與水泥摻量3%時差別不大。排水效率和保砂率可分別作為評價模袋透水性和保砂性的指標(biāo)，最佳水泥摻量確定為3%。

c. 模袋排漿主要集中在前期，后期排漿量較少。充灌前期以靜水壓力排漿為主，充灌后期沉積尾砂自重擠壓的排漿量逐漸增多。