矿渣磷尾矿黏土混合物的力学性能研究

来源: www.sblunwen.com 作者:lgg 发布时间:2017-11-23 论文字数:36145字
论文编号: sb2017112318491117832 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是土木工程论文,本文以湖北某地区的磷尾矿为研究对象,为了将废弃的磷尾矿加以利用,而研究磷尾矿的物理性质、化学性质以及一些工程特性,并将其掺入至湖北工业大学附近的黏土中
第 1 章 引言
 
1.1 尾矿的分类和堆放方式
尾矿是伴随着矿物加工而产生的衍生物质,在实现有用矿物的富集时,所含矿物成分含量很低的物质则被分离,经过处理后统一排放和堆放,这样就形成了尾矿,由于大多数尾矿最后以固体的形式存在,所以尾矿属于固体废弃物的一种[1]。目前按照行业的划分,我国尾矿的种类可分为:有色金属尾矿、稀贵金属尾矿、黑色金属尾矿和非金属尾矿。这也是很多矿山地区重金属污染的来源之一,在众多有色金属尾矿中铅、砷污染较为严重。有色金属尾矿主要包括:铜尾矿、铅锌尾矿、镍尾矿等。由于选矿技术和设备受限的原因,有色金属尾矿中都含有一些残留的金属矿物,这也是很多矿山地区重金属污染的来源之一,在众多有色金属尾矿中铅、砷污染较为严重。稀贵金属尾矿主要包括:黄金尾矿、银尾矿、钼尾矿等。诸多尾矿可以通过再选提取具有经济价值的稀贵金属,稀贵金属尾矿主要由石英、长石、云母等矿物组成,此外一些稀贵金属尾矿中含有蛮石等非桂酸盐类矿物[2]。黑色金属尾矿主要包括:铁尾矿、铬尾矿和锰尾矿等。随着经济的高速发展,钢铁行业需求量日益增加的同时,所产生的铁尾矿量也集聚增加。在部分铁尾矿和锰尾矿中都含有可以再次回收利用的有价值金属矿。铬尾矿由于其自身的毒性一般会造成铬污染。非金属尾矿主要包括:石灰石尾矿、膨润土尾矿、磷尾矿、珍珠岩尾矿等。大部分非金属矿尾矿含有较少的有毒有害物质,而且又属碳酸盐或桂酸盐类矿物,其在自然堆存过程中容易土壤化。
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1.2 磷尾矿简介
 
1.2.1 磷尾矿的选取
磷尾矿为磷矿原矿开采过程中选矿所产生的产物。磷尾矿的产生主要是因为现在磷矿原矿开采出来的品位一般达不到生产湿法磷酸的要求,所以需要进行选矿;选矿后磷矿分为两部分,一部分是磷精矿,用于生产磷酸、磷铵等产品,另一部分就是磷尾矿,磷尾矿由于品位太低,一般都堆置在磷尾矿库里面,属于工业固体废弃物中的矿业固体废弃物。
1.2.2 磷尾矿的年产量
近十几年来,我国经济突飞猛进,取得非常辉煌的成就。与此同时,经济增长的背后是以其对矿产资源的大量消耗为代价,我国矿产资源的利用率很低,导致资源的严重浪费,尾矿的排放量以每年惊人的速度在增长[9]。经过估算我国到2010 年末尾矿堆存量达到 100 亿吨,每年的排放量则有 12 亿吨,并且还在以 8%的速度增长,总排放量已经超过了全世界尾矿排放量的 50%,如图 1-1 所。据 2008年 Mineral Commodity Summaries 公布的调查报告得知,全球磷石灰储存量为 180亿 t,基本储存量为 500 亿 t,我国是磷资源生产与消费的大国,据目前已经探明的资源总储存量仅低于摩洛哥,世界储存量排世界第二,如表 1.1 所示。每年在矿山资源的开采过程中由于资源浪费造成的经济损失大约为 780 亿元[10-11],同时我国磷矿资源的自给率逐年下降,进口依赖性大幅度提升[12],磷尾矿中 P2O5含量较低,镁、钙等有害杂质含量较高,难以利用,得不到有效处理的磷尾矿长期堆存,引发了一系列环境污染、生态破坏和安全问题[13-14]并且还占用了大量的农业、林业用地,每年需要花费大量的人力物力财力对其进行维护。因此回收利用磷尾矿,以实现资源的二次利用显得尤为重要。
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第 2 章 磷尾矿的特性试验
 
2.1 磷尾矿的物理化学特性
本文研究的磷尾矿取自湖北省某磷石膏尾矿,磷尾矿堆放在露天的尾矿堆中,含水率随外界天气的改变而变化,室内通过含水率试验测得室内含水率为 20%左右,该地区磷尾矿外观呈灰色,粉末状,其中夹杂些颗粒较大的碎石和瓦砾如图2-1(a)所示,有轻微刺鼻性气味,吸水能力较强,吸水之后成团,放入烤箱中在105℃的恒温下烘烤一昼夜,呈灰白色,如图 2(b)所示。第 2 章 磷尾矿的特性试验2.1 磷尾矿的物理化学特性2.1.1 磷尾矿的物理特性本文研究的磷尾矿取自湖北省某磷石膏尾矿,磷尾矿堆放在露天的尾矿堆中,含水率随外界天气的改变而变化,室内通过含水率试验测得室内含水率为 20%左右,该地区磷尾矿外观呈灰色,粉末状,其中夹杂些颗粒较大的碎石和瓦砾如图2-1(a)所示,有轻微刺鼻性气味,吸水能力较强,吸水之后成团,放入烤箱中在105℃的恒温下烘烤一昼夜,呈灰白色,如图 2(b)所示。
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2.2 磷尾矿工程特性
为了解该磷尾矿压实性,进行了击实试验。首先通过 20mm 筛,去除明显的大碎石及瓦砾等杂物。再通过 2mm 筛,筛出试验所需要的试样。放在烘箱中经过105℃温度烘烤 24h,然后配置 8 组不同含水率的试样,每组含水率相差 2%左右,分别加入一定量的水进行均匀搅拌,放在保湿缸中保湿一昼夜,然后通过压样法进行制样。根据试验结果绘制磷尾矿的含水率与干密度关系曲线如图 4 所示。图 2-2 所示可知:该地区磷尾矿的最优含水率为 30% ,最大干密度为1.55g/cm3,最优含水率与一般黏土相比较高,而最大干密度相比较低。进一步分析,随着含水率的增加,磷尾矿的干密度是先增大后减小,开始时,土中水膜增厚,水分子吸力逐渐减小,从而产生自由水,自由水在土颗粒之间起到了润滑剂的作用,土粒就容易被压实,因此可以获得较大的干密度;但是,随着含水率的进一步增加,当含水率超过最优含水率的时候,干密度值开始下降。击实曲线的形态为:在最优含水量两侧左陡右缓,与普通黏土的一致,磷尾矿的击实曲线波动较大,干密度受含水率改变的影响较大,也说明磷尾矿的击实特性较好。
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第 3 章 不同掺量磷尾矿黏土的直剪试验研究.......14
3.1 引言........14
3.2 试验土样及方案.........15
3.2.1 试验土样及其土工特性.......15
3.2.2 试验方案..........15
3.3 试验结果分析......15
3.3.1 剪应力-位移关系.....15
3.3.2 抗剪强度及抗剪强度指标..........17
3.4 本章小结.......20
第 4 章 不同掺量磷尾矿黏土压缩性试验研究.........21
4.1.引言.........21
4.2 试验原理与方案..........21
4.3 不同掺量磷尾矿的压缩变形特性.........23
4.4 本章小结........29
第 5 章 不同掺量磷尾矿黏土三轴试验研究......31
5.1 引言........31
5.2 三轴试验原理与方案.........32
5.2.1 三轴试验原理.........32
5.2.2 试验土样与方案.....33
5.3 应力-应变关系......34
5.4 抗剪强度指标及对比分析........36
5.5 本章小结........41
 
第 5 章 不同掺量磷尾矿黏土三轴试验研究
 
5.1 引言
强度和变形特性一直都是研究土体特别关注的课题。土体的强度是指土体在某种状态下对外部荷载的一种响应,这种状态可以是受力状态、物理状态、荷载施加时间等,土体的强度会受多种因素的影响。三轴试验可以控制试验时的排水条件并能施加侧向的应力,能够获得较多的测试数据,便于研究土体的强度及变形性质、应力应变关系对强度变形特性的影响等,是研究土体力学性质较为常用的试验方法。对磷尾矿力学特性方面的研究目前几乎没有,通过三轴试验对其进行力学性能研究就显得有必要。陈晓斌[37]对上海至云南瑞丽国道主干线湖南境内的怀新高速的路堤填料红砂岩进行大型室内三轴排水试验,试验结果表明:围压对粗粒土的剪胀性会产生较为明显的影响,在不同围压作用下,红砂岩粗粒土整体表现为高压剪缩现象、低压剪胀现象,并且低围压下表现出先剪胀后剪缩趋势。当围压低于 200kPa 时,体积增量比 dεv/dε1 比先增大后减小,最后结果为负值,土样表现为剪胀趋势;当围压超过 400kPa 时,体积增量比 dεv/dε1 在整个剪切过程中体积增量比先增大后减小,最后结果为正值,土体表现为减缩趋势。与此同时,粗粒土剪胀趋势还随着轴向总应变的变化而变化,起初时剪胀现象较为明显,随着轴向应变增加剪胀趋势逐渐减缓。在粗粒土 Rowe 模型中,从剪胀参数 K 值离散性较大这一现象,可以反映出粗粒土剪切过程中粗、细颗粒间变形不协调性,同时剪胀参数 K 值离散性随着总应变值ε1 的增加而减小。姜景山等[38]对金沙江塔城某水电站的砂砾土进行固结排水大型高压三轴试验,提出体变由压应力、剪应力两部分引起的,即:在压应力作用下引起的压缩性体变,在剪应力作用下引起的剪胀性体变。并且得出了体变速率与应力应变之间的关系曲线。试验结果表明:体变速率在剪切初期由正值逐渐减小到负值,再后到达最小值,最后有部分增加但趋势不明显,当体变速率小于零时,剪切时应力应变关系曲线为软化型;体变速率先增大后减小,当最后结果大于零,此时应力应变关系曲线为硬化型;在剪切软化型应力-应变关系曲线中,体变由体缩变为体胀对应于应力应变关系曲线中的突变点,在体变速率-轴应变斜率最小点对应于应力应变曲线的软化点。
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结论
 
本文以湖北省某地区的磷尾矿为研究对象,主要展开了不同比例磷尾矿掺入黏土中,在同一含水率下,进行不同干密度条件下的直剪试验,固结试验,三轴试验,具体试验结论如下:
(1)该地区的磷尾矿自然含水率在 20%左右,吸水能力较强,与黏土混合后,吸水容易凝成团。磷尾矿的比重为 2.589,与普通黏土相比较小,说明磷尾矿为较轻质的材料,在黏土中分别掺入 0%、5%、10%、15%、20%的磷尾矿,通过比重试验关系图线可知,黏土的比重随着磷尾矿掺量的增加而减小,减小的趋势,几乎呈线性关系。该地区的磷尾矿最佳含水量为 30%左右,最大干密度为 1.55 g/cm3,磷尾矿的摩擦角为 39.3°,黏聚力为 46.826kPa,抗剪强度与土类相比 较大,c相差较大。磷尾矿的压缩系数 a1-2=0.41MPa-1,压缩模量 ES为 5.3MPa,为将其运用到路基的填铺,淤泥的回填等领域,使资源得到充分的利用提供了依据。
(2)对黏土干密度分别为 1.55g/cm3和 1.65g/cm3,含水率为 20%,磷尾矿掺量分别为 0%、5%、10%、15%、20%的土样进行直剪试验的可以得知:掺入磷尾矿后的黏土的抗剪性能较好,干密度为 1.55g/cm3和 1.65g/cm3均能得到较高的抗剪强度,剪应力-位移曲线也都存在较为明显的峰值。在相同竖向应力作用下,磷尾矿黏土随着磷尾矿比例的增加,抗剪强度逐渐增强。不同干密度条件下,当掺量为 5%时,两者的差别最小,之后,随着磷尾矿含量的增加,两者的差距也越来越大。黏聚力 C 随磷尾矿掺量的增加,而呈非线性的增加,内摩擦角φ随磷尾矿掺量的增加,而呈线性的减少,但是减少量很小,当磷尾矿掺量相同时,干密度越大的黏土的内摩擦角φ较小的趋势越大。随着磷尾矿含量的增加,黏土的抗剪强度增强。因此,从抗剪性能来说,磷尾矿黏土混合后,改良土具有较好的抗剪性能,为实现磷尾矿的再次利用提供了有利依据。
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参考文献(略)

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