黄原胶及瓜尔胶改良尾矿砂强度特性及微观机制_张胜杰.pdf
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1、书书书Journal of Engineering Geology工程地质学报10049665/2023/31(2)-0441-08张胜杰,王鸥,王天亮,等 2023 黄原胶及瓜尔胶改良尾矿砂强度特性及微观机制J 工程地质学报,31(2):441448 doi:1013544/jcnkijeg20220333Zhang Shengjie,Wang Ou,Wang Tianliang,et al 2023 Strength improvement and microscopic mechanisms of tailings sands using xanthan gum and guargumJ
2、 Journal of Engineering Geology,31(2):441448 doi:1013544/jcnkijeg20220333黄原胶及瓜尔胶改良尾矿砂强度特性及微观机制*张胜杰王鸥王天亮王林刘松松(石家庄铁道大学,省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室,石家庄 050043,中国)(石家庄铁道大学,道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室,石家庄 050043,中国)摘要为探究黄原胶及瓜尔胶对尾矿砂的改良效果及加固机理,通过无侧限抗压强度、扫描电镜及工业 CT 扫描试验研究不同含量的水溶性植物胶对尾矿砂的强度提升及其作用机理。试验结果表明:与未处理的尾矿
3、砂相比,黄原胶与瓜尔胶的最优配比均为 1%,抗压强度随养护龄期的增长而增长,28 d 时黄原胶及瓜尔胶改良土的强度分别提升了 266.84%和 262.33%。微观试验表明:随着养护龄期的增长,土体中胶体演变发展形态为“小粒状胶结状包裹状”,内部裂缝及孔隙逐渐减少,尾矿砂的孔隙率为 14.55%,而 28 d 黄原胶及瓜尔胶孔隙率分别为 3.08%和 3.26%。分析得到胶体聚合物的最优配合比、养护龄期对土体抗压强度、微观表面结构及内部裂缝孔隙的影响关系。关键词黄原胶;瓜尔胶;尾矿砂;无侧限抗压强度;微观机制中图分类号:TU43文献标识码:Adoi:1013544/jcnkijeg202203
4、33*收稿日期:20220614;修回日期:20221017基金项目:国家自然科学基金面上项目(资助号:51978426),河北省自然科学基金面上项目(资助号:E2021210007)This research is supported by the General Program of National Natural Science Foundation of China(Grant No51978426)and General Program ofNatural Science Foundation of Hebei Province(Grant NoE2021210007)第一作者简介
5、:张胜杰(1998),男,硕士生,从事特殊土路基的变形与控制研究 E-mail:zsj981019 163com通讯作者简介:王天亮(1981),男,博士,教授,主要从事特殊土路基与轨道交通灾变控制方面的教学和科研 E-mail:wangtl stdueducnSTENGTH IMPOVEMENTANDMICOSCOPICMECHANISMSOFTAILINGS SANDS USING XANTHAN GUM AND GUA GUMZHANG ShengjieWANG OuWANG TianliangWANG LinLIU Songsong(State Key Laboratory of Me
6、chanical Behavior and System Safety of Traffic Engineering Structures,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China)(Key Laboratory of oads and ailway Engineering Safety Control of Ministry of Education,Shijiazhuang Tiedao University,Shijiazhuang 050043,China)AbstractThis paper explores t
7、he improving effect and strengthening mechanism of xanthan gum and guar gum ontailing sand It examines the interaction between different water-soluble plant gums and tailing sand by unconfinedcompressive strength,scanning electron microscopy and industrial CT scanning tests The test results show tha
8、t theoptimal ratio of xanthan gum and guar gum to soil is 1%,and the compressive strength increased with the increaseof the curing age After 28 days and compared to untreated tailing sand,the strengths of xanthan gum and guargum-improved soils increased by 266.84%and 262.33%,respectively The microsc
9、opic tests show that as the cu-ring age grows,colloids in the soil change into“small cemented and wrapped granular particles”,and the internalcracks and pores gradually decrease The porosity of tailing sand is 14.55%while the porosities of 28 d xanthangum and guar gum soils are 3.08%and 3.26%,respec
10、tively Moreover,the influence of the colloid-polymer opti-mal mixture ratio and curing age on the compressive strength,microstructures,and internal fracture pores of soil areobtained and presentedKey wordsXanthan gum;Guar gum;Tailings sands;Unconventional compressive strength;Microscopic mecha-nism0
11、引言作为典型的工业固废弃物,尾矿砂易污染水质、土地资源;除此之外,尾矿砂也具有强度低、易失稳等特点(姜伟强,2018;Kiventer et al,2019)。由于其利用方法较少和回收手段单一,2019 年我国尾矿砂生产总量达 10.3 亿吨,年综合利用量仅 2.8 亿吨,尾矿砂的利用率不足 30%(冯安生等,2018;郭学益等,2019)。因此,考虑对环境的保护及尾矿砂填料的可持续发展,利用新型材料改良尾矿砂是十分必要的。黄原胶是由野油菜黄单胞菌从葡萄糖或蔗糖发酵而成的多糖。黄原胶具有抗氧化、抗酶解及较大的温度范围内高稳定性的优点;即使在低浓度下,黄原胶也有假塑性和高黏结剪切稳定性的重要特性
12、(Carignatto et al,2011)。Chang et al(2015)通过研究不同类别的土壤中黄原胶对土体固结的影响,发现了黄原胶在有黏粒存在时优先通过氢键形成生物聚合物基质。后来 Ayeldeen et al(2017)经研究发现,砂土与粉土经黄原胶处理后其剪切强度得到显著提升;在残余土壤中添加适量的黄原胶,土壤的强度也会得以提升(ashid et al,2017)。瓜尔胶主要 是 由 豆 科 植 物 瓜 尔 豆 制 成,Sujatha et al(2020)经试验研究发现瓜尔胶通过氢键形成高度结构化的黏性凝胶,不断相互作用累积连接土壤颗粒,从而改善了土壤的基本物理性质。探究生物
13、聚合物对高岭土强度特性,发现了瓜尔胶可以有效增加土体中孔隙水黏度,并对土体的最大干密度及最优含水率造成影响(Ganal El-Awad El-Daw,1998)。经过不断发展,Moghal et al(2021)对瓜尔胶对不同土壤改良影响进行综述,表明了瓜尔胶含量在1%2%时对大多数土壤的物性具有显著改善。此外,黄原胶和瓜尔胶作为食品添加剂的一种,相比于水泥等改良剂,对尾矿砂改良后的土性及生态环保等具有一定的优势;结合市场调研及对尾矿砂物理特性和强度改良研究,同等改良效果下,黄原胶和瓜尔胶改良成本较水泥改良成本增加约 1.4 倍,通过结合工程实际与可持续发展考虑,黄原胶和瓜尔胶改良尾矿砂具有一
14、定的应用前景。考虑尾矿砂剪切性能较差,且主要针对尾矿库在原有坝体的基础上进行增高扩容建设,主要承受竖向荷载作用,实际工程中无侧限抗压强度试验相比三轴试验可以更加快速便捷地评价土体改良效果。对土体进行无侧限抗压强度试验从而研究其强度提升效果(张涛等,2017)。借助扫描电镜(SEM)观察土壤表面的结构变化情况,对胶结物的分布及形状进行扫描;张丙树等(2020),张艳美等(2021)并利用高精度工业 CT 对抗压试验后的试样进行扫描,建立三维模型研究效果最优改良土与尾矿砂的破裂方式及内部孔隙的差异。分析不同配合比、养护龄期的生物聚合物对抗压强度及微观结构变化的影响,利用三维可视化软件分析改良前后土
15、体内部破裂方式,对比改良前后试样孔隙变化情况,为现场处理尾矿砂提供科学的理论基础和参数支持。1试验材料1.1尾矿砂选取内蒙古包头某尾矿库的尾矿砂作为试验材料,经对现场调研勘察分析得到尾矿砂主要矿物成分由石英、磁铁矿及部分碳酸盐产物组成;主要化学成分为 TFe、SiO2及 CaCO3等。根据室内试验得出其基本物性参数,如表 1 所示,图 1 为尾矿砂的级配曲线。表 1尾矿砂物理性质指标Table 1Physical properties of tailings sands最大干密度/g cm3最优含水量/%塑性指数塑限/%液限/%相对密度2125128591321912871.2黄原胶与瓜尔胶由
16、于黄原胶的主要成分为多糖,则说明其为环保型可再生材料。黄原胶的固体形式为白色粉末,具有良好的亲水性、伪塑性及高剪切稳定性(Carig-natto et al,2011)。黄原胶(C35H49O29)的基本化学244Journal of Engineering Geology工程地质学报2023图 1尾矿砂级配曲线Fig 1Gradation curve of tailings sands结构是一个线性连接的 bD 葡萄糖主链,在其他葡萄糖上有一个三糖侧,主链与三糖侧链相连,通过氢键提供稳定性和整体性(Weng et al,2021)。瓜尔胶为半乳甘露聚糖,通过半乳甘露聚糖的 NM(核磁共振)研
17、究表明,水溶性多糖由约 36.6%的 D-半乳糖和 63.1%的 D-甘露糖酸酐组成(Ganal El-AwadEl-Daw,1998);瓜尔胶的半乳糖和甘露糖会吸收水分形成一种高黏度水溶胶,具有非离子和水胶体性质;同时瓜尔胶含有羟基,在与土壤混合时会形成氢键。两种胶体的化学结构(李召峰等,2020)如图 2 所示。图 2两种胶体的化学结构Fig 2Chemical structure of two colloidsa 黄原胶;b 瓜尔胶2试验方法2.1无侧限抗压强度样品制备首先对选定的尾矿砂进行烘干碾碎处理,过2 mm 的筛。植物胶体与土壤的混合方法有干法混合和湿法混合两种:干法混合为植物胶
18、粉末与尾矿砂均匀混合,然后根据选定含水量进行喷洒;湿法混合则是植物胶首先与所需的水分混合形成水溶液,然后将水溶液与尾矿砂搅拌均匀即可。黄原胶在水中的彻底溶解度点为 1.4%,往往获得更高浓度的黄原胶是不易实现的(Chang et al,2015)。因此,将黄原胶粉末按照 0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%(黄原胶与土壤质量的之比)与土壤均匀地进行均匀拌合,选定最优含水量(=12.8%)为所需含水量,对混合后的尾矿砂分两层进行水分喷洒,使其均匀混合直至没有干粉。瓜尔胶粉末易溶于冷水,因此采用湿法混合制备。首先,将百分比为土壤重量的 0.5%、1%、1.5%和 2%瓜尔多胶与所需含水量混合
19、,形成黏性凝胶,生物聚合物凝胶完全水合 24 h 后,将凝胶均匀地浇在土壤上,使土壤和凝胶充分混合。而后将混合物转移至密封袋中,静置至少 6 h,以达到平衡含水量。将配置完成的改良土倒入直径 39.1 mm,高度80 mm 的圆桶型模具中,分 4 层击实,每层击实前进行刮毛处理,以使其上下层紧密连接。试样的最大干密度为 2.125 gcm3,压实度取 0.9,计算可得每层试样质量为 51.8 g。待试样制备完成后,放入恒温恒湿箱内养护,养护条件为 202,相对湿度95%,养护周期分别为 0 d、7 d、14 d 和 28 d(俞良晨等,2020);由于养护环境保持恒温恒湿,且含水量统一保持为最
20、优含水量(=12.8%),经测定其含水量损失较小,因此未考虑含水量对试验的影响。2.2SEM 样品制备利用 Phenom Pure 设备进行扫描,观察亚微米尺度的微观结构特征,分析不同龄期下各掺量的生物聚合物与尾矿砂颗粒之间的连接方式。试验取未经过处理的尾矿砂与生物聚合物掺量为 0.5%,1%,1.5%及 2%的样品经养护 7 d、14 d 及 28 d 进行测定,测定前需对样品进行烘干,样品尺寸直径为10 mm,高度为 5 mm。每种掺量试样分别取 3 组,进行对照试验以减小试验误差,为直观表述土体颗粒孔隙两种胶体的加固效果及演变过程,尾矿砂的放大倍数分别选择 500 与 3000,胶体改良
21、土观测倍数统一为 3000。2.3CT 扫描利用高精度工业 CT 对养护龄期为 7 d,14 d,28 d 的无侧限抗压强度破裂试样进行扫描,试样养护环境皆保持一致,且扫描试样高度统一为 40 mm,扫描完成后利用 VoxelStudio econ 软件进行二维图像预重建。导入三维可视化软件,对不同龄期胶体含量最佳的破裂试样进行重构,建立三维模型,定量分析破裂试样内部孔隙。34431(2)张胜杰等:黄原胶及瓜尔胶改良尾矿砂强度特性及微观机制3结果及讨论31胶体聚合物对尾矿砂抗压强度的影响3.1.1不同含量的胶体对土体抗压强度的影响无侧限抗压强度试验采用 3 组平行试样(共120 个试样)以减小
22、误差,取试样的平均值作为试验结果,精确分析养护周期及植物胶体含量对尾矿砂无侧限抗压强度的影响,具体试验结果如 表 2 所示。表 2无侧限抗压强度试验结果Table 2esults of uniaxial compressive strength test土样编号胶体含量/%0 d 抗压强度/kPa7 d 抗压强度/kPa14 d 抗压强度/kPa28 d 抗压强度/kPa尾矿砂04162416241624162黄原胶改良土0586578844100021129410938210893113951526815883298321029514038208003819782248594瓜尔胶改良土05
23、672484389538114531086001020311257150801582448308907012441206484658072768304图3为 0 d 时不同掺量的植物胶体对土壤的无侧限抗压强度的影响变化曲线,曲线整体呈倒 v 型分布趋势,即应力随着轴向应变增大表现为先增大后减小的趋势,黄原胶与瓜尔胶处理后土壤强度增长趋势保持一致,但随着应变的持续增加。曲线下降阶段,当黄原胶及瓜尔胶含量小于 2%时,土壤应力随应变增加下降趋势更为显著,土壤延性降低,但固化后土壤的峰值应力稳定期相对于尾矿砂土体更长,提升了土壤的稳定性。根据土壤的应力应变曲线可知,尾矿砂的抗压强度为 41.62 k
24、Pa,掺入植物性水溶胶后,含量为1%黄原胶与瓜尔胶的抗压强度提升效果最佳,抗压强度分别为 92.77 kPa 和 84.81 kPa,同比于未处理的土壤分别增长了 122.95%和 103.77%。黄原胶含量为 0.5%,1.5%,2.0%的固化土体的抗压强度分别显著提高了 108.01%,112.21%,92.29%,相同含量的瓜尔胶强度分别提升了 61.56%,98.08%及 55.80%,黄原胶对土体的改良效果明显优于瓜尔胶,土壤的抗压强度的提高是由于胶体脱水后形成了较强的砂土生物聚合物基质,增强了土体颗粒间的结合特性(Weng et al,2021);养护过程中胶图 3不同水溶性植物胶
25、 0 d 时土壤应力应变曲线Fig 3Initial stress-strain curves of soila 黄原胶;b 瓜尔胶体吸水,易在土壤中形成胶结键甚至块状的胶结物,填充了土体颗粒的孔隙空间,增强了局部颗粒之间的连接性能。3.1.2养护龄期对改良土抗压强度的影响图4 为养护龄期对水溶性植物胶改良土无侧限抗压强度的影响曲线,随着养护龄期的增加改良土体的强度逐渐增加,养护 14 d 后土体强度增长迅速,从 0 d 至 28 d,1%含量的两种胶体对尾矿砂的改良效果最佳。对比尾矿砂抗压强度为 41.62 kPa,黄原胶与瓜尔胶强度分别增长至 152.68 kPa 和150.8 kPa,两
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