雞西和蘿北石墨尾礦靜力學(xué)特性試驗研究

趙浩男，孫 靜，周 婷，陳 浩

(黑龍江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150080)

0 引 言

石墨尾礦是石墨開采過程中產(chǎn)生的大量固體廢棄物。我國石墨產(chǎn)量以及石墨尾礦的排放量均居世界首位，石墨產(chǎn)量5×105t/a左右，石墨尾礦排放量6×106t/a以上。大量石墨尾礦的排放對環(huán)境以及人類生活產(chǎn)生了嚴重的影響。為解決尾礦的排放以及利用，部分學(xué)者對各種尾礦的靜力學(xué)特性展開了研究，胡再強等[1]研究了黏粒含量對尾礦料抗剪強度的影響，指出黏粒含量的增加導(dǎo)致黏聚力增大，內(nèi)摩擦角減小；張超等[2]對江西某銅尾礦壩的尾礦砂進行試驗，研究級配對抗剪強度及穩(wěn)定性的影響；喬蘭等[3]研究了級配對尾礦料抗剪強度以及滲透性的影響；李志平等[4]研究了含水率對尾礦砂內(nèi)摩擦角的影響，并推出用標(biāo)準貫入擊數(shù)估算尾礦砂內(nèi)摩擦角的方法。部分學(xué)者對石墨尾礦改良劑的性質(zhì)進行研究，房建果等[5]研究了石墨尾礦在水泥穩(wěn)定后的無側(cè)限抗壓強度；劉洪波等[6]研究用雞西石墨尾礦代替部分砂摻入水泥砂漿的抗?jié)B性以及抗壓強度。大部分學(xué)者[7-13]都傾向研究各種尾礦的靜力學(xué)特性以及石墨尾礦作為改良劑的性質(zhì)，對石墨尾礦自身靜力學(xué)特性的研究還有待深入。

為了更好地利用以及處理石墨尾礦，本文對雞西和蘿北石墨尾礦進行含水率試驗、篩分試驗、擊實試驗和直剪試驗，分析石墨尾礦的物理性質(zhì)，研究細粒含量對抗剪強度的影響，為今后石墨尾礦的利用及處理提供科學(xué)的依據(jù)。

1 試驗材料

本次選取雞西市和鶴崗市蘿北縣兩地的石墨尾礦進行試驗。雞西市是國內(nèi)石墨的主要產(chǎn)地之一，石墨儲量為9.8×108t；蘿北縣石墨儲量為6.3×108t。雞西石墨尾礦呈淺黃色，蘿北石墨尾礦呈深灰色，兩種石墨尾礦的主要組成成分均為SiO2，雞西石墨尾礦的SiO2含量為56.64%，蘿北石墨尾礦的SiO2含量為53.73%。兩種石墨尾礦的其它組成成分也基本一致，僅成分含量略有差別。

2 物性試驗

2.1 含水率試驗

采用烘干法測量石墨尾礦的天然含水率ω。用天平稱出稱量盒的質(zhì)量m，在稱量盒內(nèi)裝入50 g左右石墨尾礦試樣，蓋好盒蓋，放在天平上稱量總質(zhì)量m1；將打開盒蓋的試樣和稱量盒放入105 ℃烘干箱內(nèi)，烘干8 h后，記錄稱量盒和石墨尾礦的質(zhì)量m2；根據(jù)公式ω=(m1-m2)/(m1-m)×100%，計算天然含水率，結(jié)果見表1。

表1 含水率試驗記錄

由表1可見，兩種石墨尾礦均存在較低的天然含水率，雞西石墨尾礦的天然含水率為1.34%，蘿北石墨尾礦的天然含水率為0.41%。據(jù)此可知，兩種石墨尾礦中的水分極易流失，保水性極差。

2.2 篩分試驗

為確定石墨尾礦的粒徑分布，選用孔徑分別為2.0、1.0、0.5、0.25、0.1、0.075 mm的細篩組進行篩分試驗。用天平稱取各細篩內(nèi)殘留的石墨尾礦的質(zhì)量，計算出各級石墨尾礦的比例，試驗結(jié)果見表2。兩種石墨尾礦的級配曲線見圖1。

表2 雞西、蘿北石墨尾礦粒徑分布

由圖1可見，兩種石墨尾礦級配曲線的走勢基本重合，雞西石墨尾礦在細粒含量上略高于蘿北。雞西石墨尾礦的不均勻系數(shù)為5.60、曲率系數(shù)為1.21；蘿北石墨尾礦的不均勻系數(shù)為5.33、曲率系數(shù)為1.17。兩種石墨尾礦的不均勻系數(shù)Cu>5，且曲率系數(shù)Cc在1～3之間，屬于級配良好的尾礦砂。

圖1 石墨尾礦級配曲線

2.3 擊實試驗

選取兩種石墨尾礦各25 kg，配置4%，5%，6%，8%，10%，12%，14%，7種不同含水率試樣，燜料24 h后進行擊實試驗。在輕型擊實儀上分3層擊實，每層擊實27次。稱量擊實后的擊實桶和石墨尾礦總質(zhì)量后退樣。取退樣后試樣中心位置的兩塊石墨尾礦再次進行含水率試驗。根據(jù)公式ρd=ρ/(1+0.01ω)，計算每個試樣的干密度ρd。其中ρ為試樣濕密度，試驗結(jié)果見圖2。

圖2 石墨尾礦含水率-干密度關(guān)系曲線

由圖2可見，石墨尾礦與其他土料不同，其含水率-干密度關(guān)系曲線存在兩個峰值，這與文獻[5]研究結(jié)果一致。由于第二個峰值處干密度最大，因此，記該點的干密度為最大干密度，該點對應(yīng)的含水率為最優(yōu)含水率。結(jié)果顯示：雞西石墨尾礦的最優(yōu)含水率為11.46%，最大干密度為1.79 g·cm-3；蘿北石墨尾礦的最優(yōu)含水率為11.41%，最大干密度為1.89 g·cm-3。在相同含水率時，蘿北石墨尾礦的干密度高于雞西石墨尾礦。

3 直剪試驗

3.1 試驗結(jié)果

采用快剪方式在直剪儀上對壓實度為95%，4種細粒含量分別為10%，20%，30%和40%的石墨尾礦進行直剪試驗。在最優(yōu)含水率下按要求配置不同細粒含量的石墨尾礦，放入密封的塑料袋內(nèi)燜料24 h后，按95%最大干密度進行擊實，擊實次數(shù)24～28次不等，確保密度達標(biāo)。完成擊實后，將試樣推進直剪儀剪切盒內(nèi)施加垂直荷重σ=100 kPa，以12 r·min-1的速率順時針轉(zhuǎn)動手輪，直至試樣剪切破壞，記錄破壞時測力計讀數(shù)。垂直荷重分別遞增至200、300、400 kPa，重復(fù)剪切步驟。本次試驗判斷試樣剪切破壞的標(biāo)準為：當(dāng)測力計指針開始出現(xiàn)后退時，則認定試樣已經(jīng)破壞，峰值剪應(yīng)力即抗剪強度τf。試驗結(jié)果見表3。垂直荷重-抗剪強度關(guān)系見圖3(a)和3(b)。

表3 不同細粒含量下抗剪強度

圖3 石墨尾礦垂直荷重-抗剪強度關(guān)系曲線

由圖3可見，當(dāng)垂直荷重低于200 kPa時，兩種石墨尾礦抗剪強度受細粒含量影響不大；當(dāng)垂直荷重高于200 kPa時，隨細粒含量增加，兩種石墨尾礦的抗剪強度均先增大后減小，在細粒含量30%左右時，達到最大值。垂直荷重越大，影響效果越明顯。

3.2 細粒含量對黏聚力的影響

根據(jù)莫爾-庫倫強度理論：τf=c+σtanφ，其中，c為黏聚力，φ為內(nèi)摩擦角。垂直荷重-抗剪強度關(guān)系圖中直線在縱軸的截距即黏聚力，直線與橫軸的夾角即內(nèi)摩擦角。不同細粒含量下黏聚力和內(nèi)摩擦角見表4。黏聚力與細粒含量的關(guān)系曲線見圖4。

表4 不同細粒含量下黏聚力和內(nèi)摩擦角

由圖4可見，黏聚力隨細粒含量的增加先降低，后升高，在細粒含量20%～30%時，石墨尾礦黏聚力出現(xiàn)最小值。雞西最小值出現(xiàn)在細粒含量22%左右，蘿北最小值出現(xiàn)在細粒含量27%左右。

圖4 石墨尾礦細粒含量-黏聚力關(guān)系曲線

當(dāng)石墨尾礦細粒含量較小時，黏粒含量也相對較低，黏粒散亂分布在砂粒表面，在石墨尾礦內(nèi)起到潤滑作用，顆粒間膠結(jié)作用減少，因此在低細粒含量時，隨細粒含量的增加，黏聚力有所下降；當(dāng)細粒含量較大時，黏粒含量達到一定值，黏聚力主要體現(xiàn)在黏粒間的膠結(jié)作用，隨細粒含量的繼續(xù)增加，黏聚力逐漸增大。這個現(xiàn)象驗證了文獻[14]的觀點：黏粒含量低于10%時，砂土不具備黏性土的性質(zhì)，黏粒在砂土中起潤滑作用。

3.3 細粒含量對內(nèi)摩擦角的影響

內(nèi)摩擦角與細粒含量的關(guān)系曲線見圖5。由圖5可見，隨細粒含量的增加，內(nèi)摩擦角先升高，后降低，在細粒含量20%～30%出現(xiàn)內(nèi)摩擦角最大值。雞西最大值出現(xiàn)在細粒含量28%左右；蘿北最大值出現(xiàn)在細粒含量30%左右。

圖5 石墨尾礦細粒含量-內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線

在細粒含量較低時，細粒散亂吸附在砂粒表面，顆粒間相互咬合，隨細粒含量增加，顆粒間咬合力增大，內(nèi)摩擦角也隨之增大；隨細粒含量繼續(xù)增加，更多的細顆粒吸附在砂粒表面，將砂粒包裹，顆粒間的咬合力減小，內(nèi)摩擦角也隨之減小。蘿北石墨尾礦干密度較大，顆粒排列更加緊密，咬合作用增強，故內(nèi)摩擦角大于雞西石墨尾礦。

4 結(jié) 論

通過對石墨尾礦進行靜力學(xué)特性試驗，對比兩種尾礦的試驗結(jié)果，得出如下結(jié)論：

1)雞西和蘿北石墨尾礦的級配極其相似，均屬于級配良好的尾礦砂；石墨尾礦的天然含水率很低，雞西天然含水率為1.34%，蘿北天然含水率為0.41%；石墨尾礦的含水率-干密度曲線與普通土料不同，普通土料僅存在一個峰值點，石墨尾礦有兩個峰值點。

2)細粒含量對石墨尾礦抗剪強度有一定影響。當(dāng)垂直荷重低于200 kPa時，抗剪強度受細粒含量影響不大。當(dāng)垂直荷重高于200 kPa時，兩種石墨尾礦的抗剪強度均隨細粒含量增加先升高，后降低，在細粒含量為30%左右時，存在抗剪強度最大值。垂直荷重越高，影響效果越強。

3)細粒含量對石墨尾礦黏聚力有較大影響。黏聚力隨細粒含量的增加，先降低后升高，存在最小值。雞西最小值在細粒含量22%左右，蘿北最小值在細粒含量27%左右。

4)細粒含量對石墨尾礦內(nèi)摩擦角有較大影響。內(nèi)摩擦角隨細粒含量的增加，先升高后降低，存在最大值。雞西最大值在細粒含量28%左右，蘿北最大值在細粒含量30%左右。